CN111950379B - 一种阶跃跳变故障检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种阶跃跳变故障检测方法，涉及故障检测技术领域；包括如下步骤：步骤一、设定待检测敏感器的数据阶跃跳变阈值Jmplimit、数据稳定阈值wdlimit和数据稳定时间阈值wdnum；设定阶跃跳变标识位为Jmpflag、阶跃跳变前稳定计数器为n0、阶跃跳变后稳定计数器为n1、阶跃跳变前一拍数据历史值为hsty；步骤二、获取待检测敏感器当前周期输出的角度值a和上一周期输出的角度值b；周期性判断待检测敏感器是否出现阶跃跳变故障；本发明实现了有效检测阶跃跳变故障，故障检测实用，误诊率低，适应性强，灵敏度可调节、灵活性强。

Description

一种阶跃跳变故障检测方法
技术领域
本发明属于故障检测技术领域，涉及一种阶跃跳变故障检测方法。
背景技术
现有基于信号特性的故障检测方法，采用频谱分析、自回归滑动平均以及小波变换等技术从测量信号中提取方差、频率、幅值等信息，获取系统中故障信息，从而实现故障检测。这些方法算法复杂、实时性不高，对软、硬件资源需求大，故障检测时效性差，在某些领域(如航天)中不便于应用实施。
航天控制领域实用的此类检测方法包括剔野检测和噪声估计检测。剔野检测方法对按照采样节拍读取的前后拍数据进行比较，前后拍数据超出阈值，检测本拍数据为野值，采用前一拍数据；前后拍数据超出阈值连续n拍(n通常为3或6)，则选用后拍数据。噪声估计检测方法，对数据噪声采取滤波估计，得到数据噪声均值，作为故障检测依据。以上两种常用方法，对于航天器敏感器可能存在的阶跃跳变故障模式，均无法实现有效的检测。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种阶跃跳变故障检测方法，实现了有效检测阶跃跳变故障，故障检测实用，误诊率低，适应性强，灵敏度可调节、灵活性强。
本发明解决技术的方案是：
一种阶跃跳变故障检测方法，包括如下步骤：
步骤一、设定待检测敏感器的数据阶跃跳变阈值Jmplimit、数据稳定阈值wdlimit和数据稳定时间阈值wdnum；设定阶跃跳变标识位为Jmpflag、阶跃跳变前稳定计数器为n0、阶跃跳变后稳定计数器为n1、阶跃跳变前一拍数据历史值为hsty；
步骤二、获取待检测敏感器当前周期输出的角度值a和上一周期输出的角度值b；每周期判断待检测敏感器是否出现阶跃跳变故障的具体方法为：
S0、将a-b的绝对值与Jmplimit进行比较，当a-b的绝对值小于Jmplimit时，进入S1；当a-b的绝对值大于等于Jmplimit时，进入S2；
S1、判断Jmpflag是否等于1：当Jmpflag不等于1时，进入S11；当Jmpflag等于1时，进入S12；
S11、将a-b的绝对值与wdlimit进行比较，当a-b的绝对值大于wdlimit时，进入S111；当a-b的绝对值小于等于wdlimit时，进入S112；
S111、n0的值清0；进入S3；
S112、对当前周期的n0值进行判断，当n0小于2倍wdnum时，n0的值加1；当n0大于等于2倍wdnum时，n0值不变；进入S3；
S12、将a-b的绝对值与wdlimit进行比较，当a-b的绝对值小于等于wdlimit时，进入S121；当a-b的绝对值大于wdlimit时，进入S122；
S121、对当前周期的n1值进行判断，当n1小于2倍wdnum时，n1的值加1；当n1大于等于2倍wdnum时，n1值不变；进入S3；
S122、n1的值清0；进入S3；
S2、判断Jmpflag是否等于1，当Jmpflag不等于1时，进入S21；当Jmpflag等于1时，进入S22；
S21、将当前周期n0的值与wdnum进行比较：当n0大于等于wdnum时，进入S211；当n0小于wdnum时，进入S212；
S211、令Jmpflag＝1，将hsty记为上一周期数据输出的角度值b；进入S3；
S212、n0的值清0；进入S3；
S22、将当前周期n1的值与wdnum进行比较，当n1大于等于wdnum时，进入S221；当n1小于wdnum时，进入S222；
S221、对当前周期的n1值进行判断，当n1小于2倍wdnum时，n1的值加1；当n1大于等于2倍wdnum时，n1值不变；进入S3；
S222、将a-b的绝对值与wdlimit比较，当a-b的绝对值小于等于wdlimit时，进入S2221；当a-b的绝对值大于wdlimit时，进入S221；
S2221、令Jmpflag＝0，n0＝0，n1＝0；进入S3；
S3、将n1的值与wdnum进行比较：
当n1大于等于wdnum时，令Jmpflag等于1，则判断待测敏感器出现阶跃跳变故障；
当n1小于wdnum时，返回S0，进入下一周期判断。
在上述的一种阶跃跳变故障检测方法，所述步骤一中，当待检测敏感器为太阳敏感器时，Jmplimit＝5°，wdlimit＝1.5°，wdnum＝3.2ms，且wdnum为50个周期时长；当待检测敏感器为地球敏感器时，Jmplimit＝2°，wdlimit＝0.5°，wdnum＝3.2ms。
在上述的一种阶跃跳变故障检测方法，所述wdnum为50个周期时长；当Jmpflag＝1时，则待检测敏感器发生阶跃跳变故障；当Jmpflag≠1时，则待检测敏感器未发生阶跃跳变故障。
在上述的一种阶跃跳变故障检测方法，所述当阶跃跳变标识位为Jmpflag＝1时，hsty自动记录上一周期待检测敏感器输出的角度值。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明采用了序列化的数据稳定性特征和阶跃跳变特征检测，扩展了某一类型故障检测类别，实现了阶跃跳变故障模式的有效检测；
(2)本发明采用了数据不稳定及反复跳变情况下的处理机制，降低了检测误诊率，实现了不同数据动态变化条件下的有效检测；
(3)本发明采用了多个检测阈值，提高了对不同故障特点的适应能力，通过调整阈值实现了故障检测灵敏度的调节。
附图说明
图1为本发明阶跃跳变故障检测流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
在航天领域，在轨多颗卫星均出现过由于太阳敏感器某码道异常或受不明光源干扰，输出数据阶跃跳变，导致卫星姿态异常波动的情况。经太阳敏感器故障模式与影响分析(FMEA)，产品存在数据阶跃跳变故障模式，表现为单机产品测量值从一个稳态值跳变为另一稳态值。现有对单机输入数据采用的剔野方法，可有效剔除具有随机特性的输入数据野值，但由于阶跃跳变故障模式下，跳变后的异常数据为稳态数据，剔野操作无法有效剔除。
本发明提供一种阶跃跳变故障检测方法，阶跃跳变故障模式表现为数据从一个稳态值跳变为另一稳态值。针对这一故障模式，本发明技术要点包括：
(1)按照采用周期，周期性读取数据，实时检测前后拍数据动态变化情况，包括：
a.数据稳定性检测：
前后拍数据在数据稳定误差限内，且超出数据稳定时间阈值，认为敏感器稳定输出。
在阶跃跳变前后，分别检测数据的稳定性。
b.数据阶跃跳变检测：
前后拍数据超出数据阶跃跳变误差限，认为敏感器发生阶跃跳变。
(2)针对阶跃跳变故障模式的三个基本特征，按照时间先后，依次判断满足以下三个条件，判定为阶跃跳变故障：
a.阶跃跳变前数据稳定。
b.发生阶跃跳变。
c.阶跃跳变后数据稳定。
(3)针对数据未稳定时发生跳变，或可能存在的反复跳变现象，采取措施：
a.跳变前数据尚未稳定，发生跳变，则重新开始跳变前数据稳定判断；
b.阶跃跳变后数据尚未稳定，再次发生跳变。则判与阶跃跳变前数据一致性，数据一致，则重新开始检测；不一致，则按照阶跃跳变后数据稳定处理。可有效检测阶跃跳变故障，故障检测实用，误诊率低，适应性强，灵敏度可调节、灵活性强。如图1所示，阶跃跳变故障检测具体包括如下步骤：
步骤一、设定待检测敏感器的数据阶跃跳变阈值Jmplimit：敏感器前后拍输出超出此误差限认为发生阶跃跳变故障。该误差限阈值根据产品故障模式分析及影响分析(FMEA)结论，综合考虑对控制分系统级的影响而设计。设置值应大于敏感器可能出现的输出阶跃跳变值，并且该故障输出对控制分系统正常控制造成影响。该误差限阈值可在轨修改，用于提高或降低故障检测的灵敏度。
设定数据稳定阈值wdlimit：敏感器前后拍输出数据在此误差限内，认为数据输出稳定。该误差限阈值设置值略高于敏感器噪声水平，避免误诊断出由于敏感器正常噪声引起的数据跳变。该误差限阈值可根据敏感器在轨噪声水平实施修改。
设定数据稳定时间阈值wdnum：敏感器前后拍输出数据保持在wdlimit范围内，且超出该时间阈值，认为数据输出稳定。数据稳定时间阈值略高于可能出现的某些短期异常情况下的数据稳定时间。该误差限阈值可根据敏感器在轨使用工况实施修改。当待检测敏感器为太阳敏感器时，Jmplimit＝5°，wdlimit＝1.5°，wdnum＝3.2ms，且wdnum为50个周期时长；当待检测敏感器为地球敏感器时，Jmplimit＝2°，wdlimit＝0.5°，wdnum＝3.2ms。wdnum为50个周期时长。
设定阶跃跳变标识位为Jmpflag：”1”标识发生了阶跃跳变故障。当敏感器前后拍输出数据超出数据阶跃跳变误差限(Jmplimit)，且阶跃跳变前输出数据稳定，设置该标志。当Jmpflag＝1时，则待检测敏感器发生阶跃跳变故障；当Jmpflag≠1时，则待检测敏感器未发生阶跃跳变故障。
设定阶跃跳变前稳定计数器为n0：用于记录阶跃跳变故障发生前数据稳定输出时间。设定阶跃跳变后稳定计数器为n1：用于记录阶跃跳变故障发生后数据稳定输出时间。设定阶跃跳变前一拍数据历史值为hsty：用于记录发生阶跃跳变超出数据阶跃跳变误差限(Jmplimit)的前一拍的数据。当阶跃跳变标识位为Jmpflag＝1时，hsty自动记录上一周期待检测敏感器输出的角度值。
步骤二、获取待检测敏感器当前周期输出的角度值a和上一周期输出的角度值b；每周期判断待检测敏感器是否出现阶跃跳变故障的具体方法为：
S0、将a-b的绝对值与Jmplimit进行比较，当a-b的绝对值小于Jmplimit时，进入S1；当a-b的绝对值大于等于Jmplimit时，进入S2；
S1、判断Jmpflag是否等于1：当Jmpflag不等于1时，进入S11；当Jmpflag等于1时，进入S12；
S11、将a-b的绝对值与wdlimit进行比较，当a-b的绝对值大于wdlimit时，进入S111；当a-b的绝对值小于等于wdlimit时，进入S112；
S111、n0的值清0；进入S3；
S112、对当前周期的n0值进行判断，当n0小于2倍wdnum时，n0的值加1；当n0大于等于2倍wdnum时，n0值不变；进入S3；
S12、将a-b的绝对值与wdlimit进行比较，当a-b的绝对值小于等于wdlimit时，进入S121；当a-b的绝对值大于wdlimit时，进入S122；
S121、对当前周期的n1值进行判断，当n1小于2倍wdnum时，n1的值加1；当n1大于等于2倍wdnum时，n1值不变；进入S3；
S122、n1的值清0；进入S3；
S2、判断Jmpflag是否等于1，当Jmpflag不等于1时，进入S21；当Jmpflag等于1时，进入S22；
S21、将当前周期n0的值与wdnum进行比较：当n0大于等于wdnum时，进入S211；当n0小于wdnum时，进入S212；
S211、令Jmpflag＝1，将hsty记为上一周期数据输出的角度值b；进入S3；
S212、n0的值清0；进入S3；
S22、将当前周期n1的值与wdnum进行比较，当n1大于等于wdnum时，进入S221；当n1小于wdnum时，进入S222；
S221、对当前周期的n1值进行判断，当n1小于2倍wdnum时，n1的值加1；当n1大于等于2倍wdnum时，n1值不变；进入S3；
S222、将a-b的绝对值与wdlimit比较，当a-b的绝对值小于等于wdlimit时，进入S2221；当a-b的绝对值大于wdlimit时，进入S221；
S2221、令Jmpflag＝0，n0＝0，n1＝0；进入S3；
S3、将n1的值与wdnum进行比较：
当n1大于等于wdnum时，令Jmpflag等于1，则判断待测敏感器出现阶跃跳变故障；
当n1小于wdnum时，返回S0，进入下一周期判断。
本发明采用了序列化的数据稳定性特征和阶跃跳变特征检测，扩展了某一类型故障检测类别，实现了阶跃跳变故障模式的有效检测；同时采用了数据不稳定及反复跳变情况下的处理机制，降低了检测误诊率，实现了不同数据动态变化条件下的有效检测；另外，本发明采用了多个检测阈值，提高了对不同故障特点的适应能力，通过调整阈值实现了故障检测灵敏度的调节。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种阶跃跳变故障检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、设定待检测敏感器的数据阶跃跳变阈值Jmplimit、数据稳定阈值wdlimit和数据稳定时间阈值wdnum；设定阶跃跳变标识位为Jmpflag、阶跃跳变前稳定计数器为n0、阶跃跳变后稳定计数器为n1、阶跃跳变前一拍数据历史值为hsty；
步骤二、获取待检测敏感器当前周期输出的角度值a和上一周期输出的角度值b；每周期判断待检测敏感器是否出现阶跃跳变故障的具体方法为：
S0、将a-b的绝对值与Jmplimit进行比较，当a-b的绝对值小于Jmplimit时，进入S1；当a-b的绝对值大于等于Jmplimit时，进入S2；
S1、判断Jmpflag是否等于1：当Jmpflag不等于1时，进入S11；当Jmpflag等于1时，进入S12；
S11、将a-b的绝对值与wdlimit进行比较，当a-b的绝对值大于wdlimit时，进入S111；当a-b的绝对值小于等于wdlimit时，进入S112；
S111、n0的值清0；进入S3；
S112、对当前周期的n0值进行判断，当n0小于2倍wdnum时，n0的值加1；当n0大于等于2倍wdnum时，n0值不变；进入S3；
S12、将a-b的绝对值与wdlimit进行比较，当a-b的绝对值小于等于wdlimit时，进入S121；当a-b的绝对值大于wdlimit时，进入S122；
S121、对当前周期的n1值进行判断，当n1小于2倍wdnum时，n1的值加1；当n1大于等于2倍wdnum时，n1值不变；进入S3；
S122、n1的值清0；进入S3；
S2、判断Jmpflag是否等于1，当Jmpflag不等于1时，进入S21；当Jmpflag等于1时，进入S22；
S21、将当前周期n0的值与wdnum进行比较：当n0大于等于wdnum时，进入S211；当n0小于wdnum时，进入S212；
S211、令Jmpflag＝1，将hsty记为上一周期数据输出的角度值b；进入S3；
S212、n0的值清0；进入S3；
S22、将当前周期n1的值与wdnum进行比较，当n1大于等于wdnum时，进入S221；当n1小于wdnum时，进入S222；
S221、对当前周期的n1值进行判断，当n1小于2倍wdnum时，n1的值加1；当n1大于等于2倍wdnum时，n1值不变；进入S3；
S222、将a-b的绝对值与wdlimit比较，当a-b的绝对值小于等于wdlimit时，进入S2221；当a-b的绝对值大于wdlimit时，进入S221；
S2221、令Jmpflag＝0，n0＝0，n1＝0；进入S3；
S3、将n1的值与wdnum进行比较：
当n1大于等于wdnum时，令Jmpflag等于1，则判断待测敏感器出现阶跃跳变故障；
当n1小于wdnum时，返回S0，进入下一周期判断。
2.根据权利要求1所述的一种阶跃跳变故障检测方法，其特征在于：所述步骤一中，当待检测敏感器为太阳敏感器时，Jmplimit＝5°，wdlimit＝1.5°，wdnum＝3.2ms，且wdnum为50个周期时长；当待检测敏感器为地球敏感器时，Jmplimit＝2°，wdlimit＝0.5°，wdnum＝3.2ms。
3.根据权利要求2所述的一种阶跃跳变故障检测方法，其特征在于：所述wdnum为50个周期时长；当Jmpflag＝1时，则待检测敏感器发生阶跃跳变故障；当Jmpflag≠1时，则待检测敏感器未发生阶跃跳变故障。
4.根据权利要求3所述的一种阶跃跳变故障检测方法，其特征在于：所述当阶跃跳变标识位为Jmpflag＝1时，hsty自动记录上一周期待检测敏感器输出的角度值。
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