一种基于故障混杂模型的机电系统寿命预测方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于故障混杂模型的机电系统寿命预测方法，属于可靠性工程技术领域，解决了现有技术中机电系统寿命预测效率低下、成本高的问题。步骤如下：将机电系统按照功能分为若干功能模块；建立各功能模块的故障混杂模型，得到相应的功能模块故障混杂模型传递函数；同时对机电系统无故障和故障混杂情况进行仿真，获取机电系统无故障输出信号、机电系统发生混杂故障时的输出信号及故障特征值，通过故障特征值达到故障阈值的时间预测机电系统的寿命。该方法能够有效提高机电系统寿命预测效率、降低预测成本；此外，该方法可以在产品设计阶段对产品进行寿命预测，为后续产品改进设计、发现薄弱环节提供依据。

【技术实现步骤摘要】
一种基于故障混杂模型的机电系统寿命预测方法
本专利技术涉及可靠性工程
，尤其涉及一种基于故障混杂模型的机电系统寿命预测方法。
技术介绍
机电系统是一个由相互关联，相互作用，相互影响的电路模块和机械模块组织而形成的系统，在实际生活中有着广泛的应用机电系统在运行中故障较为常见，故障具有混杂特性，包含结构性故障和非结构性故障，其中结构性故障指由功能模块中电子器件故障引起的电路拓扑结构改变，非结构性故障指功能模块中电子器件退化或参数漂移导致的电性能信号变化。机电系统在实际生活中有着广泛的应用，通过对其进行寿命预测，可以更快速、准确的确定机电系统的薄弱环节、评定其可靠性水平及选择合理措施实施可靠性增长。目前，针对机电系统的可靠性寿命预测的研究主通过收集可靠性试验数据，预计寿命；但目可靠性试验费用高，且历史的失效数据较难收集。
技术实现思路
鉴于上述的分析，本专利技术旨在提供一种基于故障混杂模型的机电系统寿命预测方法，用以解决现有技术中机电系统寿命预测效率低下、成本高的问题。本专利技术的目的主要是通过以下技术方案实现的：一种基于故障混杂模型的机电系统寿命预测方法，所述方法步骤如下：将机电系统按照功能分为若干功能模块；分别建立每个功能模块的故障混杂模型，得到相应的功能模块故障混杂模型传递函数，再建立整个机电系统的故障混杂模型；分别对机电系统无故障和故障随机发生情况下随时间变化的故障混杂情况进行仿真，获取机电系统无故障输出信号、机电系统发生混杂故障时的输出信号及故障特征值，通过故障特征值达到故障阈值的时间预测机电系统的寿命。本专利技术有益效果如下：本申请提供了一种基于故障混杂模型的机电系统寿命预测方法，该方法在机电系统设计阶段进行的，预测成本较低，同时，通过建立机电系统的故障混杂模型描述机电系统，并对机电系统的无故障和故障混杂情况分别进行仿真，根据仿真结果获取机电系统的预测寿命，该方法预测效率较高，能够仿真发生不同混杂故障时的机电系统寿命，实用性强，便于理解和实施。此外，本专利技术提供的寿命预测方法，可以在产品设计阶段对产品进行寿命预测，为后续产品改进设计、发现薄弱环节提供依据。进一步，所述机电系统的故障特征值：其中，Cu(t)为机电系统无故障时t时刻的输出信号，Cu′(t)为机电系统发生混杂故障时t时刻的输出信号。采用上述进一步方案的有益效果是：本申请给出了一种利用机电系统无故障、故障混杂输出信号得到机电系统故障特征值的方法，该方法简单有效、易于实现，有利于定量地判断故障情况，理解故障与无故障之间存在的偏差，并为后续判断故障类型提供了参考依据。进一步，通过仿真故障特征值达到故障阈值的时间预测机电系统的寿命，其步骤如下：若故障特征值超过设定的故障阈值，仿真停止，此时的仿真时间为机电系统寿命。采用上述进一步方案的有益效果是：当故障特征值超过设定的故障阈值时，表示系统信号输出偏差程度已不可接受，机电系统已无法完成规定的功能，则可认为从仿真开始至仿真结束的这段时间是该机电系统的寿命。进一步，所述功能模块的故障混杂模型分为离散层、连续层和交互层：所述离散层用于表示功能模块发生结构性故障后对应的电路拓扑结构；所述连续层用于表示功能模块发生非结构性故障后对应的功能模块电子器件参数变化；所述交互层用于表示功能模块由离散层和连续层共同作用得到的故障混杂模型结果。采用上述进一步方案的有益效果是：通过对功能模块的故障混杂模型进行分层，对功能模块的结构性故障和非结构性故障分别进行分析，最终在交互层得到离散层和连续层共同作用得到的故障混杂模型结果，思路清晰，便于实现。进一步，所述结构性故障，指由功能模块中电子器件故障引起的电路拓扑结构改变；所述非结构性故障，指功能模块中电子器件退化或参数漂移导致的电性能信号变化。采用上述进一步方案的有益效果是：通过明确结构性故障和非结构性故障的具体内容，方便相关人员对两种故障进行分析，有利于得到更加准确的分析结果。进一步，建立各功能模块的故障混杂模型，包括：定义功能模块中电子器件发生结构性故障为离散事件，分析各功能模块中电子器件发生结构性故障的情况，得到n个离散事件；确定在每个离散事件中，故障混杂模型离散层的电路拓扑结构，建立相应的结构性故障下的电路状态方程；分析所述结构性故障电路状态方程中涉及到的电子器件，在故障混杂模型连续层中得到所涉及电子器件的参数变化函数；将离散层建立的结构性故障电路状态方程和相应的连续层所涉及的电子器件的参数变化函数，分别输入到故障混杂模型的交互层；在交互层中，用电子器件参数变化函数代替结构性故障电路状态方程中的相应的电子器件参数值，得到故障混杂模型结果。采用上述进一步方案的有益效果是：通过给出建立故障混杂模型的具体方法，明确了故障混杂模型的建立过程，便于相关技术人员按照本申请提供的方法建立故障混杂模型并得到故障混杂模型结果。进一步，机电系统故障混杂情况下的u个功能模块之间的输入输出关系为：机电系统故障混杂模型的输入信号其中1≤i、m≤u，Cm′(t-1)表示故障混杂情况下第m个功能模块在t-1时刻的输出信号；eim表示第i个功能模块和第m个功能模块之间的连接关系：Cr′(t)表示故障混杂情况下第r个功能模块在t时刻的输出信号；n表示机电系统的各个功能模块中离散事件个数；lrj表示第r个功能电路中第j个离散事件是否发生，lrj＝0表示第r个功能模块中第j个离散事件不发生，lrj＝1表示第r个功能电路中第j个离散事件发生，Grj表示第r个功能模块中第j个离散事件对应的故障混杂模型传递函数；l1,l2,···,lu分别表示第1,2,···,u个功能模块是否正常工作，G1,G2,···,Gu分别表示1,2,···,u个功能模块正常工作时的传递函数；采用上述进一步方案的有益效果是：通过明确各功能模块之间的输入输出关系，能够得到机电系统整体的定量表达结果，并定量分析包含结构性故障和非结构性故障在内的整个机电系统中故障情况。进一步，根据机电系统功能模块的连接关系，确定第i个功能模块为机电系统输出模块，则机电系统的故障混杂传递函数输出信号为C′(t)矩阵中的元素Ci′(t)。采用上述进一步方案的有益效果是：通过明确各功能模块之间的输入输出关系，能够得到机电系统整体的定量表达结果，并定量分析包含结构性故障和非结构性故障在内的整个机电系统中故障情况。进一步，在机电系统中u个功能模块之间的输入输出关系中，对于每一路的输入输出关系，lr1,lr2,···,lrn,lr中有且只有一个值为1，其余值为0。采用上述进一步方案的有益效果是：分析机电系统中各个模块的工作情况，实际机电系统运行过程中，只能存在正常或者1种离散时间形式，所以lr1,lr2,···,lru中有且只有一个值为1，其余值为0。进一步，机电系统无故障响应结果计算过程为：分析各功能模块正常工作时的电路拓扑结构，建立相应的电路状态方程；经拉普拉斯变换得到相应功能模块正常传递函数，得到机电系统中的u个功能模块之间的输入输出关系：G1,G2,···,Gu分别表示1,2,···,u个功能模块正常工作时的传递函数，第i个功能模块的输入信号其中1≤i、m≤u，Cm(t-1)表示正常工作时第m个功能模块在t-1时刻的输出信号；eim表示第i个功能模块和第m个功能本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于故障混杂模型的机电系统寿命预测方法，其特征在于，所述方法步骤如下：将机电系统按照功能分为若干功能模块；分别建立每个功能模块的故障混杂模型，得到相应的功能模块故障混杂模型传递函数，再建立整个机电系统的故障混杂模型；分别对机电系统无故障和故障随机发生情况下随时间变化的故障混杂情况进行仿真，获取机电系统无故障输出信号、机电系统发生混杂故障时的输出信号及故障特征值，通过故障特征值达到故障阈值的时间预测机电系统的寿命。

【技术特征摘要】
1.一种基于故障混杂模型的机电系统寿命预测方法，其特征在于，所述方法步骤如下：将机电系统按照功能分为若干功能模块；分别建立每个功能模块的故障混杂模型，得到相应的功能模块故障混杂模型传递函数，再建立整个机电系统的故障混杂模型；分别对机电系统无故障和故障随机发生情况下随时间变化的故障混杂情况进行仿真，获取机电系统无故障输出信号、机电系统发生混杂故障时的输出信号及故障特征值，通过故障特征值达到故障阈值的时间预测机电系统的寿命。2.根据权利要求1所述的基于故障混杂模型的机电系统寿命预测方法，其特征在于，所述机电系统的故障特征值：其中，Cu(t)为机电系统无故障时t时刻的输出信号，Cu′(t)为机电系统发生混杂故障时t时刻的输出信号。3.根据权利要求2所述的基于故障混杂模型的机电系统寿命预测方法，其特征在于，通过故障特征值达到故障阈值的时间预测机电系统的寿命，其步骤如下：若故障特征值超过设定的故障阈值，仿真停止，此时的仿真时间为机电系统寿命。4.根据权利要求1所述的基于故障混杂模型的机电系统寿命预测方法，其特征在于，所述功能模块的故障混杂模型分为离散层、连续层和交互层：所述离散层用于表示功能模块发生结构性故障后对应的电路拓扑结构；所述连续层用于表示功能模块发生非结构性故障后对应的功能模块电子器件参数变化；所述交互层用于表示功能模块由离散层和连续层共同作用得到的故障混杂模型结果。5.根据权利要求4所述的基于故障混杂模型的机电系统寿命预测方法，其特征在于，所述结构性故障，指由功能模块中电子器件故障引起的电路拓扑结构改变；所述非结构性故障，指功能模块中电子器件退化或参数漂移导致的电性能信号变化。6.根据权利要求5所述的基于故障混杂模型的机电系统寿命预测方法，其特征在于，建立各功能模块的故障混杂模型，包括：定义功能模块中电子器件发生结构性故障为离散事件，分析各功能模块中电子器件发生结构性故障的情况，得到n个离散事件；确定在每个离散事件中，故障混杂模型离散层的电路拓扑结构，建立相应的结构性故障下的电路状态方程；分析所述结构性故障电路状态方程中涉及到的电子器件，在故障混杂模型连续层中得到所涉及电子器件的参数变化函数；将离散层建立的结构性故障电路状态方程和相应的连续层所涉及的电子器件的参数变化函数，分别输入到故障混杂模型的交互层；在交互层中，用电子器件参数变化函数代替结构性故...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵广燕，常莉莉，孙宇锋，胡薇薇，杨昀澄，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11