一种基于符号有向图的控制系统故障注入方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于符号有向图的控制系统故障注入方法，其步骤包括：给出单环控制回路的简化模型和恒定偏差故障模式下的信号组成和故障场景；根据望远镜主轴驱动控制系统的三环控制回路中各设备单元的传递函数创建SDG模型图，并验证其正确性；根据节点重要性对各状态节点排序；根据节点重要性和故障传播路径对状态节点的重复覆盖确定故障注入位置。本发明专利技术提出了一种基于符号有向图的控制系统故障注入方法。该方法结合望远镜主轴驱动控制系统的三环特征，实现了仅向系统中特定位置进行故障注入就能产生与其他故障注入位置情况下等同的故障场景，从而避免了重复注入故障信号的无效操作，提高了故障注入效率。提高了故障注入效率。提高了故障注入效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于符号有向图的控制系统故障注入方法


[0001]本专利技术涉及计算机仿真
，尤其涉及一种基于符号有向图的可应用于模拟望远镜主轴驱动控制系统故障的故障注入方法。

技术介绍

[0002]南极可提供视宁度好、光污染小的观测条件，但与之伴随的是更加极端恶劣的自然环境。此外南极天文望远镜口径越来越大以追求更高的分辨率，电子元器件的数量也日益增加。以上外部环境和自身变化都对望远镜主轴驱动控制系统的稳定运行构成了巨大挑战，使其在运行过程中发生故障的概率大大增加。
[0003]为了减少系统故障的发生，目前国内外已有大量关于望远镜主轴驱动控制系统的容错机制设计、故障检测与诊断等方面的前沿研究。只是这些崭新的技术方法需要大量真实有效的故障数据去验证其有效性。然而处于南极的大型望远镜主轴驱动控制系统日常维护困难，成本高昂，实际故障发生概率小、难以及时获取多种故障场景下的运行数据。因此需要构建一种方便有效的故障注入方法，用于故障场景数据生成，进而用于验证望远镜主轴驱动控制系统的容错机制设计、故障检测与诊断方法的有效性。
[0004]现有的故障注入方法包括基于硬件、软件仿真和硬件在环三种平台来实现，最早出现于电子电气领域，并在自动驾驶、航空航天、武器制导等领域都有应用。然而面向望远镜主轴驱动控制系统层面的故障注入研究还很少。另外，针对控制系统进行故障注入，由于控制系统误差补偿特性的存在，会使得向某模块注入的故障信号在时空间转移的过程中，到达其他某个模块时，不再对该模块的输出产生影响。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术提出了一种基于符号有向图的控制系统故障注入方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种基于符号有向图的控制系统故障注入方法，包括如下步骤：
[0008]S1：给出单环控制回路模型结构，给出恒定偏差故障模式下的信号组成和故障场景；
[0009]S2：针对望远镜主轴驱动控制系统具有三环控制回路的特点，将单环控制回路SDG模型图分别应用于望远镜主轴驱动控制系统的电流环、速度环和位置环，从而创建整个系统的SDG模型图，再通过仿真软件验证模型图的正确性；
[0010]S3：根据节点收缩和节点覆盖确定故障注入位置为电机轴力矩输出、速度传感器输出和位置传感器输出，向这三个位置注入故障信号，实现其他设备单元发生故障时的故障场景。
[0011]进一步的，S1中，单环控制回路的模型结构包括控制器、执行器、被控对象和传感器四个设备单元，当某个设备单元发生故障时，将其定义成故障对象，将其输出信号分解为
正常输出信号与故障信号，并采用代数叠加的形式将两者组合在一起，故障信号包含恒定偏差故障模式的故障信息。
[0012]进一步的，S2中，将单环控制回路中各设备单元的传递函数及PID算法转化成初始响应下的微分代数方程，再由稳态响应方程得到单环控制回路的SDG模型图。
[0013]进一步的，S2中构建的单环控制回路SDG模型图分别应用于望远镜主轴驱动控制系统的电流环、速度环和位置环；将位置环控制器的输出等效成速度环的预期输入，将速度环控制器的输出等效成电流环的预期输入；结合三环控制回路中各环设备单元的传递函数对单环控制回路SDG模型图进行修改，首尾相连后得到望远镜主轴驱动控制系统的SDG模型图。
[0014]进一步的，S3中，将状态节点按照节点收缩法对重要性从大到小排序，依次从重要性最大的开始执行故障注入操作，观察向该状态节点注入故障信号时产生的故障传播路径所能覆盖到的状态节点，若这些被该条故障路径覆盖的所有状态节点中有一个状态节点没有被先前的故障注入操作产生的故障传播路径覆盖过，则将注入的故障信号记录下来，否则不记录；最终得到一个注入的故障信号集合，反向推出故障注入位置分别为电机轴力矩输出、速度传感器输出、位置传感器输出。
[0015]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0016]本专利技术提出了一种基于符号有向图的控制系统故障注入方法。该方法不同于传统的单个故障注入位置用于生成单种故障场景，而是结合望远镜主轴驱动控制系统的三环特征，实现了仅向系统中特定位置进行故障注入就能产生与其他故障注入位置情况下等同的故障场景。从而避免了重复注入故障信号的无效操作，提高了故障注入效率，最终生成故障场景数据用于验证望远镜主轴驱动控制系统的容错机制设计、故障检测与诊断方法的有效性。
附图说明
[0017]图1是单环控制回路框图；
[0018]图2是望远镜主轴驱动控制系统的三环控制回路框图；
[0019]图3是单环控制回路在稳态响应下的SDG模型图；
[0020]图4是在软件仿真中注入故障后各状态节点的变化曲线；
[0021]图5是稳态时望远镜主轴控制系统的SDG模型图；
[0022]图6是注入T
ei
故障时的两条传播路径；
[0023]图7是一种基于符号有向图的控制系统故障注入方法框图。
具体实施方式
[0024]下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。
[0025]本专利技术受到了国家自然科学基金项目“极端环境下极大望远镜直接驱动系统非预期状态演化研究及评价方法”(11973065)、“大型天文光学望远镜控制系统智能化研究”(U1931207)、江苏省卓越博士后计划(2022ZB449)、国家留学基金管理委员会(CSC 201904910254)和中国科学院海外留学基金(徐灵哲)的资助。
[0026]借助符号有向图的模型图可直观地看到在故障注入操作下的故障传播路径，不同
故障注入位置下的故障传播路径可能存在重叠。为了避免了这种重复注入的无效操作，提高故障注入效率，结合节点重要性计算可对故障注入位置做优化选取。为了更好的理解，本专利技术提出的基于符号有向图的控制系统故障注入方法流程图见图7所示。
[0027]步骤1：
[0028]单环控制回路框图如图所示，可简化为控制器、执行器、被控对象和传感器四个设备单元，当系统运行受到干扰时他们都是潜在的故障对象。采用恒定偏差作为故障对象的故障模式。当某个设备单元发生故障时，将其定义成故障对象，可以将其输出信号分解为正常输出信号与故障信号，并采用代数叠加的形式将两者组合在一起，故障信号包含恒定偏差故障模式的故障信息。
[0029]采用状态变量u，q，x，x
m
分别作为控制器、执行器、被控对象和传感器的输出信号；u0，q0，x0，x
m0
表示控制器、执行器、被控对象和传感器的正常输出信号；状态变量u
i
，q
i
，x
i
，x
mi
表示故障信号，由于故障模式为恒定偏差，那么这些故障信号均为常数。借助计算机仿真技术，可模拟实现设备单元发生故障，即人为地在注入故障信号来模拟该故障对象的输出信号，故障注入位置选择在故障对象的正常输出信号与下一个设本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于符号有向图的控制系统故障注入方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：给出单环控制回路模型结构，给出恒定偏差故障模式下的信号组成和故障场景；S2：针对望远镜主轴驱动控制系统具有三环控制回路的特点，将单环控制回路SDG模型图分别应用于望远镜主轴驱动控制系统的电流环、速度环和位置环，从而创建整个系统的SDG模型图，再通过仿真软件验证模型图的正确性；S3：根据节点收缩和节点覆盖确定故障注入位置为电机轴力矩输出、速度传感器输出和位置传感器输出，向这三个位置注入故障信号，实现其他设备单元发生故障时的故障场景。2.根据权利要求1所述的一种基于符号有向图的控制系统故障注入方法，其特征在于，S1中，单环控制回路的模型结构包括控制器、执行器、被控对象和传感器四个设备单元，当某个设备单元发生故障时，将其定义成故障对象，将其输出信号分解为正常输出信号与故障信号，并采用代数叠加的形式将两者组合在一起，故障信号包含恒定偏差故障模式的故障信息。3.根据权利要求1所述的一种基于符号有向图的控制系统故障注入方法，其特征在于，S2中，将单环控制回路中各设备单元的传递函数及PID算法转...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨世海，顾晓杰，邓壮壮，徐灵哲，刘睿强，李运，
申请(专利权)人：中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所，
类型：发明
国别省市：