一种空间环境模拟器粗抽真空系统的故障诊断方法技术方案

本发明专利技术公开了一种空间环境模拟器粗抽真空系统的故障诊断方法，包括步骤一：确定真空系统不同情况下的时域信号曲线：步骤二：建立容器内气体压力模型：步骤三：确定气体压力模型特征参数，步骤四：确定有关压力信号的故障模式；步骤五：确定泵壳温度和电流信号的自适应阈值；步骤六：自适应阈值的有效性验证以及故障显示；本发明专利技术针对空间环境模拟器粗抽真空系统的实际情况，对于真空容器内的压力信号，基于解析模型的方法能够简单精确的反映信号的变化过程，在进行参数比较时较准确；对于泵壳温度信号和泵的电流信号，自适应阈值方法能够根据信号自身的特点，采用适应信号本身特点的阈值，能够降低误判和漏报的概率，提高故障诊断的准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种空间环境模拟器粗抽真空系统的故障诊断方法
本专利技术涉及一种空间环境模拟器粗抽真空系统的故障诊断方法，属于机械设备故障诊断

技术介绍
为了提高航天器的可靠性，自60年代以来各国已建造了数千台不同类型的空间环境模拟器，空间环境模拟器(SpaceEnvironmentSimulator)是模拟太空的真空环境、太阳辐照环境、冷黑环境等的用于航天器或其大型分系统的真空热试验设备，由真空容器、热沉系统、真空系统、氮系统和测控系统组成，真空容器为模拟器主体，真空系统用于获得空间的真空环境。为方便后续工作，粗抽真空系统需将真空容器粗抽到低真空。由于许多无法避免的因素的影响，有时设备会出现各种故障以致降低其预定的功能甚至造成严重的灾难性事故，为了防止恶性事故发生，避免人员伤亡、财产损失，对设备进行故障诊断是保证设备安全可靠运行的重要手段。为了保证设备的安全可靠运行，保证获取更大的经济效益和社会效益，需要对空间环境模拟器的粗抽真空系统进行故障诊断。基于解析模型的故障检测与诊断方法是通过系统实际行为与基于模型的预期行为的差异分析与比较，检测系统是否发生故障，并对故障发生的部位、故障的大小及类型进行诊断。基于解析模型的故障检测和诊断方法在故障诊断的研究中占有重要的地位，它充分利用了系统模型的深层知识进行故障诊断，具体是指使用系统的结构、行为和功能等方面的知识对系统进行诊断推理。这就需要建立系统结构、行为和功能模型。在基于数学模型的方法中，参数估计诊断法简单实用，能够及时准确地检测出是否有故障发生，当故障由参数的显著变化来描述时，可利用已有的参数估计方法来检测故障信息，根据参数的估计值与正常值之间的偏差情况来判定系统的故障情况。相比状态估计诊断法而言，计算简单，过程简洁，步骤较少，更为快捷。在对空间环境模拟器真空系统的故障检测中，红线系统或阈值检测是工程上最方便、最常见的一种基于系统输出信号的检测方法。但是，由于红线系统采用比较简单的阈值检测方法，导致故障覆盖面有限，早期的故障检测能力不高，且常发生故障的误检或漏检等现象。故障的误检或漏检是由阈值的大小不合适造成的，阈值过小则会引起误报、过大则会漏报，所以最好是能根据工作条件，自适应地改变阈值的大小，降低误报率和漏报率。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述问题，提出一种空间环境模拟器粗抽真空系统的故障诊断方法，本专利技术在得到作为故障特征信号之一压力信号在正常情况和不同故障模式下的变化规律后，建立真空容器内气体压力在不同工作模式下的数学模型，进而得到关于压力的理论模型不同工作模式下的参数值，将在线计算得到的模型参数与理论模型参数作对比，作为判断是何种故障的依据。并且针对空间环境模拟器真空系统故障诊断时的阈值，进行自适应阈值的设计。在得到故障特征信号的正常情况下的变化曲线后,根据其具体的变化规律，对某一具体信号建立自适应变化的阈值。一种空间环境模拟器粗抽真空系统的故障诊断方法，具体包括：步骤一：确定真空系统不同情况下的时域信号曲线：通过仿真，得到真空系统压力信号在正常工况和不同故障模式下的变化曲线，故障模式包括漏气、粗抽泵故障、泵壳温度异常和泵的输入电流异常四种故障，得到真空系统泵壳温度信号和泵的电流信号的正常变化曲线；步骤二：建立容器内气体压力模型：综合判断不同情况下的压力信号曲线，拟合压力曲线，得到容器内气体压力模型为：pt＝k1+k3exp(-k2t)(1)式中：pt为容器内的压力；t为自变量，是抽气时间，k1为泵的极限真空度值，k3、k2为常数，k1、k2和k3为容器内气体压力模型的特征参数，通过步骤三来确定；步骤三：确定气体压力模型特征参数通过仿真，得到粗抽真空系统在无故障情况、粗抽泵故障和漏气情况下的容器内气体压力变化曲线，对三个压力曲线进行曲线拟合，将得到的压力数据代入步骤二中的压力模型，得到无故障情况、粗抽泵故障和漏气三种情况下的特征参数的取值范围；步骤四：确定有关压力信号的故障模式；在粗抽真空系统实际运行时，将实时采集得到的压力数据进行曲线拟合，把得到的实际压力曲线模型参数与步骤三中得到的理论压力曲线模型的特征参数k1和k3做对比，进行判断，若符合上述步骤三种特征参数的给定范围，则判定系统存在所在范围内参数所对应的故障；步骤五：确定泵壳温度和电流信号的自适应阈值；针对泵壳温度选取自适应阈值：设置时间分段点t＝100，自适应阈值tp分为两段，对于温度上升阶段，采用直线段拟合自适应变化的阈值tp＝0.15×t+30；对于温度平稳变化的曲线段，采用水平直线拟合自适应的阈值tp＝45；针对电流信号选取自适应阈值：当直流电机电流处于波动阶段，采取高于波动电流值的自适应阈值，t＜80时，自适应阈值i＝30；当电流下降阶段，采用直线段拟合自适应阈值，80＜t＜＝230时，自适应阈值i＝-0.037t+34；当电流在逐渐逼近定值的阶段，拟合得到t＞230时，自适应阈值i＝25；步骤六：自适应阈值的有效性验证以及故障显示；利用仿真，将仿真得到泵壳温度和泵的电流信号的正常曲线和故障曲线作为实际输入信号，验证自适应阈值的有效性；进行泵壳温度和电流信号的故障判断：若实际的温度信号或电流信号超过自身阈值，则存在相应故障；结合步骤四，综合显示系统所存在的故障。本专利技术的优点在于：针对空间环境模拟器粗抽真空系统的实际情况，对于真空容器内的压力信号，基于解析模型的方法能够简单精确的反映信号的变化过程，且便于理解，在进行参数比较时较准确；对于泵壳温度信号和泵的电流信号，自适应阈值方法能够根据信号自身的特点，采用适应信号本身特点的阈值，能够降低误判和漏报的概率，提高故障诊断的准确性。附图说明图1是空间环境模拟器的示意图；图2是粗抽真空系统正常情况下的容器内气体压力变化曲线；图3是粗抽真空系统漏气量过大情况下的容器内气体压力变化曲线；图4是粗抽真空系统粗抽泵故障情况下的容器内气体压力变化曲线；图5是粗抽真空系统泵壳电流正常情况下的变化曲线；图6是粗抽真空系统泵壳电流过大情况下的变化曲线；图7是粗抽真空系统泵壳温度正常情况下的变化曲线；图8是粗抽真空系统泵壳温度过高情况下的变化曲线；图9是本专利技术的方法流程图；图10是利用泵壳温度信号判断故障的自适应阈值曲线示意图；图11是利用泵的电流信号判断故障的自适应阈值曲线示意图。具体实施方式下面将结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术针对的对象是空间环境模拟器的粗抽真空系统，空间环境模拟器的示意图如图1所示，包括气动插板泵V4、电阻规G6、气动挡板阀V6、过滤器F1和干泵P4。真空热试验装备连接气动插板泵V4，接着连接电阻规G6，然后气动挡板阀V6和过滤器F1串联后，气动挡板阀V6另一端连接电阻规G6，然后顺次连接干泵P4。本专利技术的一种空间环境模拟器粗抽真空系统的故障诊断方法，流程如图9所示，具体包括：步骤一：确定真空系统不同情况下的时域信号曲线；通过AMESim和LabVIEW联合仿真，得到真空系统压力信号在正常工况和不同故障模式下的变化曲线，故障模式包括漏气(根据工作要求，本专利技术漏气是指5分钟后真空容器内压力大于5Pa)、粗抽泵故障、泵壳温度异常和泵的输入电流异常四种故障，得到真空系统泵壳温度信号和泵的电流信号的正常变化曲线本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空间环境模拟器粗抽真空系统的故障诊断方法，具体包括：步骤一：确定真空系统不同情况下的时域信号曲线；通过仿真，得到真空系统压力信号在正常工况和不同故障模式下的变化曲线，故障模式包括漏气、粗抽泵故障、泵壳温度异常和泵的输入电流异常四种故障，得到真空系统泵壳温度信号和泵的电流信号的正常变化曲线；步骤二：建立容器内气体压力模型；综合判断不同情况下的压力信号曲线，拟合压力曲线，得到容器内气体压力模型为：pt＝k1+k3exp(‑k2t)   (1)式中：pt为容器内的压力；t为自变量，是抽气时间，k1为泵的极限真空度值，k3、k2为常数，k1、k2和k3为容器内气体压力模型的特征参数，通过步骤三来确定；步骤三：确定气体压力模型特征参数；通过仿真，得到粗抽真空系统在无故障情况、粗抽泵故障和漏气情况下的容器内气体压力变化曲线，对三个压力曲线进行曲线拟合，将得到的压力数据代入步骤二种的压力模型，得到无故障情况、粗抽泵故障和漏气三种情况下的特征参数的取值范围；步骤四：确定有关压力信号的故障模式；在粗抽真空系统实际运行时，将实时采集得到的压力数据进行曲线拟合，把得到的实际压力曲线模型参数与步骤三中得到的理论压力曲线模型的特征参数k1和k3做对比，进行判断，若符合上述步骤三种特征参数的给定范围，则判定系统存在所在范围内参数所对应的故障；步骤五：确定泵壳温度和电流信号的自适应阈值；针对泵壳温度选取自适应阈值：设置时间分段点t＝100，自适应阈值tp分为两段，对于温度上升阶段，采用直线段拟合自适应变化的阈值tp＝0.15×t+30；对于温度平稳变化的曲线段，采用水平直线拟合自适应的阈值tp＝45；针对电流信号选取自适应阈值：当直流电机电流处于波动阶段，采取高于波动电流值的自适应阈值，t＜80时，自适应阈值i＝30；当电流下降阶段，采用直线段拟合自适应阈值，80＜t＜＝230时，自适应阈值i＝‑0.037t+34；当电流在逐渐逼近定值的阶段，拟合得到t＞230时，自适应阈值i＝25；步骤六：自适应阈值的有效性验证以及故障显示；利用仿真，将仿真得到泵壳温度和泵的电流信号的正常曲线和故障曲线作为实际输入信号，验证自适应阈值的有效性；进行泵壳温度和电流信号的故障判断：若实际的温度信号或电流信号超过自身阈值，则存在相应故障；结合步骤四，综合显示系统所存在的故障。...

【技术特征摘要】
1.一种空间环境模拟器粗抽真空系统的故障诊断方法，具体包括：步骤一：确定真空系统不同情况下的时域信号曲线；通过仿真，得到真空系统压力信号在正常工况和不同故障模式下的变化曲线，故障模式包括漏气、粗抽泵故障、泵壳温度异常和泵的输入电流异常四种故障，得到真空系统泵壳温度信号和泵的电流信号的正常变化曲线；步骤二：建立容器内气体压力模型；综合判断不同情况下的压力信号曲线，拟合压力曲线，得到容器内气体压力模型为：pt＝k1+k3exp(-k2t)(1)式中：pt为容器内的压力；t为自变量，是抽气时间，k1为泵的极限真空度值，k3、k2为常数，k1、k2和k3为容器内气体压力模型的特征参数，通过步骤三来确定；步骤三：确定气体压力模型特征参数；通过仿真，得到粗抽真空系统在无故障情况、粗抽泵故障和漏气情况下的容器内气体压力变化曲线，对三个压力曲线进行曲线拟合，将得到的压力数据代入步骤二中的压力模型，得到无故障情况、粗抽泵故障和漏气三种情况下的特征参数的取值范围；步骤四：确定有关压力信号的故障模式；在粗抽真空系统实际运行时，将实时采集得到的压力数据进行曲线拟合，把得到的实际压力曲线模型参数与步骤三中得到的理论压力曲线模型的特征参数k1和k3做对比，进行判断，若符合上述步骤三种特征参数的给定范围，则判定系统存在所在范围内参数所对应的故障；步骤五：确定泵壳温度和电流信号的自适应阈值；针对泵壳温度选取自适应阈值：设置时间分段点t＝100，自适应阈值tp分为两段，对于温度上升阶段，采用直线段拟合自适应变化的阈值tp＝0.15×t+30；对于温度平稳变化的曲线段，采用水平直线拟合自适应的阈值tp＝45；针对电流信号选取自适应阈值：当直流电机电流处于波动阶段，采取高于波动电流值的自适应阈值，t＜80时，自适应阈值i＝30；当电流下降阶段，采用直线段拟合自适应阈值，80＜t＜＝230时，自适...

【专利技术属性】
技术研发人员：王兴坚，蔺思茹，王少萍，石健，
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