CN112000107B - 基于舵机模型的操舵控制回路故障诊断方法及诊断系统 - Google Patents

基于舵机模型的操舵控制回路故障诊断方法及诊断系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于舵机模型的操舵控制回路故障诊断方法及诊断系统，包括：建立操舵控制回路的相关数学模型；获取舵机的指令舵角和当前实际舵角，并利用相关数学模型计算舵机的期望舵速和实际舵速；计算舵机期望舵速和实际舵速的舵速偏差，将所述舵速偏差与预设阈值进行比对，并根据比对结果诊断操舵控制回路是否存在异常。本发明利用操舵控制回路的数学模型计算舵机的实际舵速与期望舵速，并根据实际舵速与期望舵速对控制回路进行故障诊断，可有效提高操舵控制回路故障诊断时的时效性与准确性，降低因操舵控制回路故障问题导致舰船险情发生。

Description

基于舵机模型的操舵控制回路故障诊断方法及诊断系统
技术领域
本发明涉及舰船操控技术领域，更具体的说是涉及一种基于舵机模型的操舵控制回路故障诊断方法及诊断系统。
背景技术
在舰船操纵控制方面，特别是对于水下长时间潜航的潜艇，操舵控制为最常用的操纵模式。操舵系统是一个典型的机、电、液综合闭环控制系统，在高速航行状态时，操舵回路的故障短时间内就可导致险情事故发生。因此航行时，舵手需时刻关注舰船姿态的变化，难以有额外精力通过部件的运行状态分析获得操舵回路的故障状态，因此操舵系统应对操舵控制回路运行状态进行自动监控，及时给出操舵系统的功能是否异常，或是否出现故障征兆，并在出现故障时能进行及时告警，为后续人工或自动干预提供基础。
现有的舰船操纵控制系统通常采用指令舵角与实际舵角差值大小和差值方向进行回路故障诊断，诊断时间长，且只能针对卡舵、跑舵故障进行诊断，对于操舵回路性能下降难以有效诊断；有时甚至误报警，造成操舵备份通道频繁切换。
因此，如何提供一种能够提高对操舵控制回路的时效性和准确性的基于舵机模型的操舵控制回路故障诊断方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于舵机模型的操舵控制回路故障诊断方法及诊断系统，利用操舵控制回路的数学模型计算舵机的实际舵速与期望舵速，可有效提高操舵控制回路故障诊断时的时效性与准确性，降低因操舵控制回路故障问题导致舰船险情发生。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于舵机模型的操舵控制回路故障诊断方法，包括：
建立操舵控制回路的相关数学模型；
获取舵机的指令舵角和当前实际舵角，并利用所述相关数学模型计算舵机的期望舵速和实际舵速；
计算舵机期望舵速和实际舵速的舵速偏差，将舵速偏差与预设阈值进行比对，并根据比对结果诊断操舵控制回路是否存在异常。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明利用操舵控制回路的数学模型计算舵机的实际舵速与期望舵速，并利用实际航速与期望航速的差值判断操舵控制回路是否存在故障，实现了全工况条件的操舵回路故障诊断；本发明能够及时诊断因操舵控制回路导致的卡舵故障，避免了在存在卡舵故障的情况下因诊断不及时仍然进行人工来回操舵导致的故障闪烁问题。同时，本发明对故障诊断的时间由原来的5秒以上提高至3秒左右，且大大减少了操舵控制回路误切换通道的情况，间接提高了操舵控制回路的可靠性水平。
优选的，在上述一种基于舵机模型的操舵控制回路故障诊断方法中，所述相关数学模型包括操舵控制回路的完整模型或简化模型、期望舵速计算模型和实际舵速计算模型；其中，所述操舵控制回路的完整模型或简化模型是根据操舵输出指令、操舵装置驱动输出、传动机构及舵页的运动建立的数学模型；所述期望舵速计算模型用于计算舵机的期望舵速；所述实际舵速计算模型用于计算舵机的实际舵速。
优选的，在上述一种基于舵机模型的操舵控制回路故障诊断方法中，所述操舵控制回路的完整模型或简化模型包括限幅环节G0(s)、比例环节K1、惯性低通环节1/(K2S+1)和传递函数G2(S)和比例环节K3；测角装置测得的当前实际舵角经比例环节K3后与指令舵角进行比较，其差值信号依次经过限幅环节G0(s)、比例环节K1以及惯性低通环节1/(K2S+1)后，获得期望舵速信号，期望舵速信号再经传递函数G2(S)，使舵叶偏转至指令舵角。
优选的，在上述一种基于舵机模型的操舵控制回路故障诊断方法中，限幅环节G0(s)、比例环节K1和惯性低通环节1/(K2S+1)组成所述期望舵速计算模型；所述期望舵速计算模型用于根据所述指令舵角、实际舵角、限幅环节G0(s)、比例环节K1以及惯性低通环节1/(K2S+1)逐级计算后，获得舵机运动的期望舵速值。
优选的，在上述一种基于舵机模型的操舵控制回路故障诊断方法中，限幅环节G0(s)、比例环节K1和惯性低通环节1/(K2S+1)组成所述期望舵速计算模型；所述期望舵速计算模型用于根据所述指令舵角、实际舵角、限幅环节G0(s)、比例环节K1以及惯性低通环节1/(K2S+1)逐级计算后，获得舵机运动的期望舵速值。
优选的，在上述一种基于舵机模型的操舵控制回路故障诊断方法中，诊断操舵控制回路是否存在异常的具体方法为：
划分舵速区域带；
判定所述期望舵速和所述实际舵速分别处于所述舵速区域带的具体位置，当两者的舵速区域带的间隔大于预设阈值时，判断操舵控制回路存在故障。
优选的，在上述一种基于舵机模型的操舵控制回路故障诊断方法中，所述舵速区域带按照方向划分为正舵速区和负舵速区；所述正舵速区按照舵速划分为正向中低舵速带、正向正常舵速带和正向高舵速带；所述负舵速区按照舵速划分为负向中低舵速带、负向正常舵速带和负向高舵速带。
优选的，在上述一种基于舵机模型的操舵控制回路故障诊断方法中，所述预设阈值根据舵机的当前工况动态调整。
本发明还提供一种基于舵机模型的操舵控制回路故障诊断系统，其适用于上述的一种基于舵机模型的操舵控制回路故障诊断方法，包括：
模型构建模块，所述模型构建模块用于建立操舵控制回路的相关数学模型；
舵速计算模块，所述舵速计算模块用于根据所述相关数学模型计算舵机的期望舵速和实际舵速；以及
诊断模块，所述诊断模块用于计算舵机期望舵速和实际舵速的舵速偏差，将舵速偏差与预设阈值进行比对，并根据比对结果诊断操舵控制回路是否存在异常。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的流程图；
图2附图为本发明提供的操舵控制回路的完整模型或简化模型；
图3附图为本发明提供的期望舵速计算模型；
图4附图为本发明提供的实际舵速计算模型；
图5附图为本发明提供的航速区域带划分的结构示意图；
图6附图为利用本发明提供的数学模型与原有算法在第10秒卡舵的故障诊断输出曲线；
图7附图为利用本发明提供的数学模型与原有算法在指令±35°满舵来回操舵，实际舵角卡25°的故障诊断输出曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例公开了一种基于舵机模型的操舵控制回路故障诊断方法，包括：
建立操舵控制回路的相关数学模型；
获取舵机的指令舵角和当前实际舵角，并利用相关数学模型计算舵机的期望舵速和实际舵速；
计算舵机期望舵速和实际舵速的舵速偏差，将舵速偏差与预设阈值进行比对，并根据比对结果诊断操舵控制回路是否存在异常。
下面对图1中的各部分原理进行详细介绍：
步骤S1、根据操舵控制回路的组成，建立操舵控制回路的数学模型，操舵控制回路的数学模型为操舵控制回路的完整模型或简化模型，数学模型的具体结构如图2所示；
操舵控制系统是一个典型的闭环控制系统：测角装置测得的舵叶位置的实际舵角经比例环节K3后与操舵指令舵角进行比较，其偏差信号经过限幅环节G0(s)、比例环节K1以及操舵控制装置(可简化为惯性低通环节1/(K2S+1))后，形成高低压变化油压，推动油缸运动并带动舵叶偏转(相当于传递函数G2(S))，直至舵叶偏转至指令舵角。其中G0(s)的传递函数为：
Figure BDA0002670126100000051
为保证建立的简化数学模型对应不同的操舵控制回路，我们可以调整限幅环节的斜率与幅值、K1、K2、K3的取值。对于目前应用的泵控操舵系统，限幅环节的上下限为3°，而转舵速度设计为5°/s，因而，K1取5/3(对于其他操舵系统，可根据转舵速度的设计值和限幅环节的上下限情况进行调整)；K2为操舵系统的惯性环节，根据实际系统不同选择，一般在0.05～0.2间取值，这里取0.15；由于舵角闭环环节要求尽量无静差设计，因而舵角反馈信号的比例系数K3取1，对于舵角有静差系统，可以按实际情况进行调整。
步骤S2、计算舵机的期望舵速和实际舵速；
在图2建立的数学模型中，传递函数G2(S)的输入端即为期望舵速信号，因而可得到如图3所示操舵控制回路期望舵速计算模型，按照该模型，根据指令舵角、实际舵角、限幅环节G0(s)、比例环节K1以及惯性低通环节1/(K2S+1)逐级计算后，可获得舵运动的期望舵速值，期望舵速值是系统正常运行时理论舵速。
在系统实际工作中，由于油压波动、操舵负载变化等原因，舵的运动速度存在一定波动。由于测角装置直接敏感舵叶偏转位置，通过对舵角连续测量信号按(Fn-Fn-1)/△t进行微分处理，并经过一定的低通滤波处理后，可获得实际舵速值。实际舵速计算过程模型如图4所示，其中，Fn、Fn-1分别对应n时刻与n-1时刻的实际舵角；△t为n时刻与n-1时刻的间隔时间；低通滤波处理的K4可在0.05～0.2间取值。
系统正常工作时，实际舵速与期望舵速值的偏差较小；当系统发生卡舵、跑舵等故障时，实际舵速将严重偏离期望舵速值。因而，通过对上述实际舵速与期望舵速值进行比较，可诊断出操舵控制回路运行状况。
步骤S3、计算舵机期望舵速和实际舵速的舵速偏差，将舵速偏差与预设阈值进行比对，并根据比对结果诊断操舵控制回路是否存在异常。
根据预设阈值，划分舵速区域带，分别判定期望舵速与实际舵速处于舵速区域带的具体位置，当两者的舵速区域带间隔2以上(包含2)时，可判定操舵通道故障。
如图5所示，整个舵速区域带划分为正舵速区和负舵速区，每个舵速区又划分为高舵速带、正常舵速带、中低舵速带。正舵速区按照舵速划分为正向中低舵速带、正向正常舵速带和正向高舵速带；负舵速区按照舵速划分为负向中低舵速带、负向正常舵速带和负向高舵速带。
为了便于计算机计算，正向中低舵速带取1，正向正常舵速带取2，正向高舵速带取3；负向中低舵速带取-1，负向正常舵速带取-2，负向高舵速带取-3。
本发明实施例还提供一种基于舵机模型的操舵控制回路故障诊断系统，包括：模型构建模块、舵速计算模块和诊断模块；
模型构建模块用于建立操舵控制回路的相关数学模型；
舵速计算模块用于根据相关数学模型计算舵机的期望舵速和实际舵速；
诊断模块用于计算舵机期望舵速和实际舵速的舵速偏差，将舵速偏差与预设阈值进行比对，并根据比对结果诊断操舵控制回路是否存在异常。
为了进一步验证本发明性能，将利用本发明建立的数学模型和原有算法进行比较，比较结果如图6和图7所示。
如图6所示，利用本发明提供的数学模型与原有算法在第10秒卡舵的故障诊断输出曲线，其中曲线1为本发明诊断结果，曲线2为原算法诊断结果，结果表明本发明诊断时间大致在3秒左右，诊断时间比原算法缩短1～2秒。
如图7所示，为利用本发明提供的数学模型与原有算法在指令±35°满舵来回操舵，实际舵角卡25°的故障诊断输出曲线，其中曲线3表示本发明诊断结果，曲线4表示原有算法的诊断结果。
结果表明，对于正常的来回操舵：出现卡舵或跑舵时，本发明给出期望舵速区域带与实际舵速区域带至少偏离两个区域带以上，能有效避免故障判别出现模糊状况，降低诊断的虚警率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种基于舵机模型的操舵控制回路故障诊断方法，其特征在于，包括：
建立操舵控制回路的相关数学模型；所述相关数学模型包括操舵控制回路的完整模型或简化模型、期望舵速计算模型和实际舵速计算模型；其中，所述操舵控制回路的完整模型或简化模型是根据操舵输出指令、操舵装置驱动输出、传动机构及舵叶的运动建立的数学模型；所述期望舵速计算模型用于计算舵机的期望舵速；所述实际舵速计算模型用于计算舵机的实际舵速；
获取舵机的指令舵角和当前实际舵角，并利用所述相关数学模型计算舵机的期望舵速和实际舵速；
计算舵机期望舵速和实际舵速的舵速偏差，将舵速偏差与预设阈值进行比对，并根据比对结果诊断操舵控制回路是否存在异常；
诊断操舵控制回路是否存在异常的具体方法为：
划分舵速区域带；
判定所述期望舵速和所述实际舵速分别处于所述舵速区域带的具体位置，当两者的舵速区域带的间隔大于预设阈值时，判断操舵控制回路存在故障。
2.根据权利要求1所述的一种基于舵机模型的操舵控制回路故障诊断方法，其特征在于，所述操舵控制回路的完整模型或简化模型包括限幅环节G0(s)、比例环节K1、惯性低通环节1/(K2S+1)和传递函数G2(S)和比例环节K3；测角装置测得的当前实际舵角经比例环节K3后与指令舵角进行比较，其差值信号依次经过限幅环节G0(s)、比例环节K1以及惯性低通环节1/(K2S+1)后，获得期望舵速信号，期望舵速信号再经传递函数G2(S)，使舵叶偏转至指令舵角。
3.根据权利要求2所述的一种基于舵机模型的操舵控制回路故障诊断方法，其特征在于，限幅环节G0(s)、比例环节K1和惯性低通环节1/(K2S+1)组成所述期望舵速计算模型；所述期望舵速计算模型用于根据所述指令舵角、实际舵角、限幅环节G0(s)、比例环节K1以及惯性低通环节1/(K2S+1)逐级计算后，获得舵机运动的期望舵速值。
4.根据权利要求1所述的一种基于舵机模型的操舵控制回路故障诊断方法，其特征在于，所述实际舵速计算模型依次对测角装置测得的当前实际舵角进行微分处理和低通滤波处理，获得所述实际舵速。
5.根据权利要求1所述的一种基于舵机模型的操舵控制回路故障诊断方法，其特征在于，所述舵速区域带按照方向划分为正舵速区和负舵速区；所述正舵速区按照舵速划分为正向中低舵速带、正向正常舵速带和正向高舵速带；所述负舵速区按照舵速划分为负向中低舵速带、负向正常舵速带和负向高舵速带。
6.根据权利要求1所述的一种基于舵机模型的操舵控制回路故障诊断方法，其特征在于，所述预设阈值根据舵机的当前工况动态调整。
7.一种基于舵机模型的操舵控制回路故障诊断系统，其适用于如权利要求1-6任一项所述的一种基于舵机模型的操舵控制回路故障诊断方法，其特征在于，包括：
模型构建模块，所述模型构建模块用于建立操舵控制回路的相关数学模型；所述相关数学模型包括操舵控制回路的完整模型或简化模型、期望舵速计算模型和实际舵速计算模型；其中，所述操舵控制回路的完整模型或简化模型是根据操舵输出指令、操舵装置驱动输出、传动机构及舵叶的运动建立的数学模型；所述期望舵速计算模型用于计算舵机的期望舵速；所述实际舵速计算模型用于计算舵机的实际舵速；
舵速计算模块，所述舵速计算模块用于根据所述相关数学模型计算舵机的期望舵速和实际舵速；以及
诊断模块，所述诊断模块用于计算舵机期望舵速和实际舵速的舵速偏差，将舵速偏差与预设阈值进行比对，并根据比对结果诊断操舵控制回路是否存在异常；具体为：划分舵速区域带；判定所述期望舵速和所述实际舵速分别处于所述舵速区域带的具体位置，当两者的舵速区域带的间隔大于预设阈值时，判断操舵控制回路存在故障。
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