一种基于Modelica的故障模型建模方法技术

本发明专利技术公开了一种基于Modelica的故障模型建模方法，该方法在系统建模的基础上实现了故障信息的数字化定义。本发明专利技术方法通过在Modelica中定义故障的传输项、接口、故障行为约束方程以及故障之间的传递关系，使系统故障的仿真信息和非仿真信息模型化并且可进行行为仿真。本发明专利技术为解决系统设计中可靠性设计与产品功能设计脱节的问题提供了技术支持，利用MBSE思想将故障分析结果直接作为系统整体设计的参考因素。计的参考因素。计的参考因素。

【技术实现步骤摘要】
一种基于Modelica的故障模型建模方法


[0001]本专利技术涉及基于模型的系统工程(MBSE)和可靠性领域，特别是基于多领域物理统一建模语言(Modelica)的故障建模方法。

技术介绍

[0002]MBSE是相对于传统基于文档的系统工程而言的，随着对工业产品可靠性、安全性、维修性等方面要求的提高，产品复杂度的量级不断跃升，基于文本的系统设计方式存在天然局限。传统可靠性系统工程(RSE)由基于文档的系统工程演化而来，主要从管理出发对产品设计过程提出通用质量特性等六性“软要求”，但不能形成“硬约束”。在航空、航天、汽车等行业中，可靠性系统设计中六性指标往往与功能/性能设计脱节，六性设计分析结果难以影响产品设计，导致其越来越难以应对当前的复杂产品设计挑战。
[0003]基于MBSE的RSE也采用数字化建模代替写文档进行系统可靠性设计，以统一的模型为基础，以模型化的故障“防”、“诊”、“治”控制为核心，协同应用各类六性技术方法，开展功能/性能与RSE综合设计。故障模型便是基于MBSE的RSE统一模型体系中尤为重要的一环，它不仅要包含故障与功能性能的关系，还要集成故障评估分析方法，从而直接对产品设计起到影响。Modelica作为为MBSE而开发的语言、工具，非常适合RSE中的数字化设计。利用Modelica进行故障建模，不仅能解决系统中多领域物理模型兼容性问题，还能模型化地表达故障模型和功能模型之间的关系。
[0004]可靠性评估和故障分析软件中都具备故障建模模块，支持失效模式影响分析(FMEA)、故障树分析(FTA)等分析方法。这些故障模型不仅是基于文档地，而且是独立与系统模型之外的，导致现有故障注入仿真测试技术不能满足MBRSE统一分析评估的需求。最重要的是，现有故障模型不能数字化地描述故障之间的传递关系，对“故障原因”、“故障影响”的描述都是依赖自然语言的，大大降低了故障注入仿真的实用价值。

技术实现思路

[0005]为了解决上述现有技术中存在的问题，本专利技术旨在为MBRSE提供一种基于Modelica的故障模型建模方法，使其包含统一建模语言中功能、逻辑模型的故障信息，且可以搭配Modelica物理模型共同完成行为仿真，定性、定量完成系统的故障分析。
[0006]为实现上述目的，一种基于Modelica的故障模型建模方法，其建模包括以下步骤：步骤1，基于产品的需求分析模型、功能模型进行系统故障模式与影响分析(FMEA)和故障树分析(FTA)，构建FMEA表和故障树；步骤2，基于步骤1所述FMEA表确定故障模型和正常行为模型之间的传输项及接口，定义故障传递流库并声明故障传递接口库，故障传递流库以Record类型声明各故障模型的传输项，故障传递接口库以Connector类型声明各故障模型的接口；步骤3，基于步骤1所述FMEA表中的故障类型定义故障注入函数库，包括故障状态输出函数、随机抽样函数、故障传递回调函数，故障注入函数库以Function类型定义上述函
数；步骤4，基于步骤2所述故障传递接口库和步骤3所述故障注入函数库构建故障模型基类，所述故障模型基类为PartialModel类型；步骤5，基于步骤4所述故障模型基类特化为退化故障类、确定性故障类和随机故障类，上述3个特化故障类为Model类型，特化故障类实例化时，可以添加故障严酷度等与仿真无关的参数；步骤6，基于步骤1所述故障树建立步骤5所述特化故障类之间的故障传递模型，通过步骤2所述故障模型接口连接，故障传递模型为Model类型，通过Extends语法至少引用Modelica标准库中的一个逻辑门，并通过重载步骤3所述故障传递回调函数定义各级故障之间的耦合关系。
[0007]所述步骤4具体包括以下步骤：步骤41，根据所述故障传递流中的物质、能量、信息类型，在所述故障模型基类定义仿真参数和仿真变量；步骤42，根据所述故障传递流的学科分类，在Modelica标准库中匹配相应学科下的Interface包，通过Extends语法对步骤2所述故障传递接口库中声明的接口进行定义；步骤43，根据故障传递流的学科分类，在所述故障模型基类中添加相应的所述步骤42中定义好的接口；步骤44，引用步骤3所述故障注入函数库，在故障模型基类中实例化故障状态输出函数、随机抽样函数，为故障状态输出函数指定所输出故障的学科类型，并为随机抽样函数指定抽样的分布类型。
[0008]所述步骤5具体包括以下步骤：步骤51，通过Extends语法在退化故障类、确定性故障类和随机故障类中继承步骤41所述故障模型基类，为系统的具体组件实例化特化故障类，并对故障所属学科进行重载定义；步骤52，利用Algorithm类型分别在退化故障类、确定性故障类、随机故障类中定义退化方程和退化注入函数、静态故障注入函数、概率故障注入函数；步骤53，依据所述特化故障类的类型进行函数实例化，根据退化规律实例化退化方程和退化注入函数，或根据故障预计发生时间实例化静态故障注入函数，或根据故障发生概率实例化概率故障注入函数；步骤54，在所述故障特化类中定义步骤42所述仿真变量在故障发生后的约束关系，并将所述故障模型基类中所述故障传递回调函数实例化。
[0009]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
·
将系统故障相关的信息全部数字化，且通过查看故障模型就可以获取系统各级故障之间的传递关系；如故障模式名表达在所述故障状态输出函数中，故障原因、故障后果、故障影响性表达在所述故障传递回调函数中，故障发生概率概率表达在所述故障注入函数中，故障严酷度表达在故障模型参数中。故障模型基于Modelica语言，意味着故障模型作为功能模型的变体可直接参与到系统行为仿真分析中；而Modelica模型文本为故障模式添加了明确的约束关系，为故障模式下整体和局部的性能分析提供了数学模型，使得故障分析结果可直接作为系统整体设计的参考因素。
附图说明
[0010]此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，在附图中：图1为本专利技术方法的步骤流程图；图2为本专利技术方法与MBRSE结合的工作原理图；图3为本专利技术方法实施例中故障模型的结构树；图4为本专利技术方法实施例中故障模型应用的图形化建模。具本实施方式
[0026]下面结合附图，对本专利技术作进一步详细说明。
[0027]参见图1、图3和图4所示，利用上述方法对机翼驱动系统进行故障模型建模，包括如下步骤：
[0028]步骤1，根据机翼驱动系统设计中的需求分析模型和功能模型构建机翼驱动系统的FMEA表和故障树。
[0029]步骤2，确定机翼驱动系统各组件故障模型的传输项及接口，定义故障传递流库(图3中的“Transitive_Flow”)并声明故障传递接口库(图3中的“Fault_Interface”)，Record类型便于管理所有故障模型的传输项，而Modelica模型中接口为Connector类型。
[0030]步骤3，根据机翼驱动系统的故障类型定义故障注入函数库(图3中的“Fault_Injection_Functi本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于Modelica的故障模型建模方法，其特征在于，其建模包括以下步骤：步骤1，基于产品的需求分析模型、功能模型进行系统故障模式与影响分析(FMEA)和故障树分析(FTA)，构建FMEA表和故障树；步骤2，基于步骤1所述FMEA表确定故障模型和正常行为模型之间的传输项及接口，定义故障传递流库并声明故障传递接口库，故障传递流库以Record类型声明各故障模型的传输项，故障传递接口库以Connector类型声明各故障模型的接口；步骤3，基于步骤1所述FMEA表中的故障类型定义故障注入函数库，包括故障状态输出函数、随机抽样函数、故障传递回调函数，故障注入函数库以Function类型定义上述函数；步骤4，基于步骤2所述故障传递接口库和步骤3所述故障注入函数库构建故障模型基类，所述故障模型基类为PartialModel类型；步骤5，基于步骤4所述故障模型基类特化为退化故障类、确定性故障类和随机故障类，上述3个特化故障类为Model类型，特化故障类实例化时，可以添加故障严酷度等与仿真无关的参数；步骤6，基于步骤1所述故障树建立步骤5所述特化故障类之间的故障传递模型，通过步骤2所述故障模型接口连接，故障传递模型为Model类型，通过Extends语法至少引用Modelica标准库中的一个逻辑门，并通过重载步骤3所述故障传递回调函数定义各级故障之间的耦合关系。2.一种如权利要求1所述一种基于Modelica的故障模型建模方法，其特征在于，步骤4具体包括以下步骤：步骤41，根据所述故...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨德真，廉兆鑫，任羿，王自力，孙博，冯强，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：