一种基于时间因果图的故障诊断方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于时间因果图的故障诊断方法及系统，属于电机故障诊断技术领域，方法包括：构建多余度电静压伺服机构的键合图模型；列出键合图模型中各元件结构方程；结合所述结构方程构建时间因果图，进而构建变量关系图；以变量不能消除的因果路径中的结点作为推导方程，根据变量关系图推导键合图模型的第一解析冗余式集合；生成冗余式残差，基于冗余式残差划分冗余式残差阈值区间；根据第一解析冗余式集合和第二解析冗余式集合，构建表征系统参数和解析冗余式对应关系的故障特征矩阵；计算各系统参数的贡献度，并基于贡献度隔离高贡献度系统参数；利用故障特征矩阵对高贡献度系统参数进行故障定位

【技术实现步骤摘要】
一种基于时间因果图的故障诊断方法及系统


[0001]本专利技术属于数据处理
，具体涉及一种基于时间因果图的故障诊断方法及系统
。

技术介绍

[0002]多余度电静压伺服机构是一种具备冗余设计的控制系统，利用电静压效应来实现对流体的精确控制，以实现精密的运动控制
。
对多余度电静压伺服机构进行故障诊断就像给一个非常重要的工程系统做体检一样
。
这种机构常常用在需要高精度和高可靠性的地方
。
如果机构出了问题，系统可能无法正常工作，甚至会导致安全风险，通过诊断，我们可以找出出了什么问题，然后把这个问题解决掉，确保系统能够继续稳定运行，减少停工时间，生产工作不受干扰
。
目前针对多余度电静压伺服机构的故障诊断方法包括数据驱动的机器学习和统计分析等方法，模型驱动的键合图和扩展卡尔曼滤波器方法，其中键合图故障诊断方法基于系统的底层物理模型，通过物理约束方程生成的残差数据变化情况来隔离系统故障参数，诊断效率高，可解释性好
。
[0003]但是目前方法的诊断效果与监测系统运行状态的传感器数量成正相关，监测系统运行状态的传感器数量越多，所能获取的系统运行数据就越多，自然能生成的冗余式残差数据就越多，能隔离的系统故障参数就越多，诊断效果就越好，但是实际中由于技术和成本等因素的影响，伺服系统的传感器的数量往往是固定且少量的，这就导致利用键合图模型进行故障诊断的效果受限
。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术存在的故障诊断效果与传感器数量成正相关，但是实际中由于技术和成本等因素的影响，伺服系统的传感器的数量往往是固定且少量的，导致利用键合图模型进行故障诊断的效果受限的技术问题，本专利技术提供一种基于时间因果图的故障诊断方法及系统
。
[0005]第一方面
[0006]本专利技术提供了一种基于时间因果图的故障诊断方法，应用于多余度电静压伺服机构，多余度电静压伺服机构包括伺服电机
、
液压系统和负载系统，方法包括：
[0007]S101
：结合微分优先因果配置规则构建多余度电静压伺服机构的键合图模型，其中，键合图模型中包括多条因果路径和多个结点，结点包括键合图模型中的共流结点和共势结点；
[0008]S102
：列出键合图模型中各个元件的结构方程，其中，每个结构方程对应一条因果路径，因果路径中的因元素作为输入变量置于结构方程的右侧，因果路径中的果元素作为输出变量置于结构方程的左侧；
[0009]S103
：将结构方程最右侧的输入变量利用指向性箭头连接至左侧的输出变量，并根据结构方程在指向性箭头上注明输入变量和输出变量的关系，得到多余度电静压伺服机
构的时间因果图；
[0010]S104
：基于时间因果图构建以已知变量作为开始和结束的变量关系图，其中，开始和结束形成一条传播路径，未知变量置于传播路径，其中，传播路径包括变量作为输入变量的前向传播路径和变量作为输出变量的后向传播路径；
[0011]S105
：以变量不能消除的因果路径中的结点作为推导方程，根据变量关系图推导键合图模型的第一解析冗余式集合；
[0012]S106
：将多余度电静压伺服机构中的多个传感器进行组合，将剩余的传感器所代表的系统参数利用已知变量进行表示，推导出第二解析冗余式集合；
[0013]S107
：将多余度电静压伺服机构的运行数据带入第一解析冗余关系式集合和第二解析冗余式集合，生成冗余式残差，并基于冗余式残差划分冗余式残差阈值区间；
[0014]S108
：根据第一解析冗余式集合和第二解析冗余式集合，构建表征系统参数和解析冗余式对应关系的故障特征矩阵；
[0015]S109
：结合故障特征矩阵和冗余式残差阈值区间计算各系统参数的贡献度，并基于贡献度隔离高贡献度系统参数；
[0016]S110
：利用故障特征矩阵对高贡献度系统参数进行故障定位
。
[0017]第二方面
[0018]本专利技术提供了一种基于时间因果图的故障诊断系统，用于执行第一方面中的基于时间因果图的故障诊断方法
。
[0019]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益技术效果：
[0020]在本专利技术中，基于伺服系统键合图模型中元件之间的因果关系来推导时间因果图，然后考虑到时间因果图中伺服系统的未知变量与已知变量之间的关系并不直观，再将时间因果图转化为变量关系图，用伺服系统已知变量消去未知变量，即用已知变量表征未知变量，弥补传感器监测变量的匮乏的缺点，在减少传感器数量的同时对完成更多系统参数的监测，提升故障诊断覆盖率和诊断效果
。
另外，为了同时保证生成更多的解析冗余式，提高多余度电静压伺服机构键合图故障诊断的效果，将有限的传感器进行组合，结合已有的解析冗余式，推导出更多的解析冗余式，在给定传感器的条件下，得到更多不同形式的解析冗余式，提高系统故障的可隔离性，以便在系统发生故障时，能够快速而准确地确定故障的位置和类型，这有助于及时采取措施以减少故障影响，在保证诊断准确性，减少多传感器成本的同时，解决故障诊断受传感器数量影响的局限性
。
附图说明
[0021]下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对本专利技术的上述特性
、
技术特征
、
优点及其实现方式予以进一步说明
。
[0022]图1是本专利技术提供的一种基于时间因果图的故障诊断方法的流程示意图；
[0023]图2是本专利技术提供的一种键合图模型的结构示意图
。
具体实施方式
[0024]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本专利技术的具体实施方式
。
显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式
。
[0025]为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与专利技术相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构
。
另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个
。
在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形
。
[0026]还应当进一步理解，在本专利技术说明书和所附权利要求书中使用的术语“和
/
或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合
。
[0027]在本文中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于时间因果图的故障诊断方法，其特征在于，应用于多余度电静压伺服机构，所述多余度电静压伺服机构包括伺服电机
、
液压系统和负载系统，方法包括：
S101
：结合微分优先因果配置规则构建所述多余度电静压伺服机构的键合图模型，其中，所述键合图模型中包括多条因果路径和多个结点，所述结点包括所述键合图模型中的共流结点和共势结点；
S102
：列出所述键合图模型中各个元件的结构方程，其中，每个所述结构方程对应一条所述因果路径，所述因果路径中的因元素作为输入变量置于所述结构方程的右侧，所述因果路径中的果元素作为输出变量置于所述结构方程的左侧；
S103
：将所述结构方程最右侧的输入变量利用指向性箭头连接至左侧的输出变量，并根据所述结构方程在所述指向性箭头上注明所述输入变量和所述输出变量的关系，得到所述多余度电静压伺服机构的时间因果图；
S104
：基于所述时间因果图构建以已知变量作为开始和结束的变量关系图，其中，所述开始和所述结束形成一条传播路径，未知变量置于所述传播路径，其中，所述传播路径包括变量作为输入变量的前向传播路径和变量作为输出变量的后向传播路径；
S105
：以变量不能消除的因果路径中的结点作为推导方程，根据所述变量关系图推导所述键合图模型的第一解析冗余式集合；
S106
：将所述多余度电静压伺服机构中的多个传感器进行组合，将剩余的传感器所代表的系统参数利用已知变量进行表示，推导出第二解析冗余式集合；
S107
：将所述多余度电静压伺服机构的运行数据带入所述第一解析冗余关系式集合和所述第二解析冗余式集合，生成冗余式残差，并基于所述冗余式残差划分冗余式残差阈值区间；
S108
：根据所述第一解析冗余式集合和所述第二解析冗余式集合，构建表征系统参数和解析冗余式对应关系的故障特征矩阵；
S109
：结合所述故障特征矩阵和所述冗余式残差阈值区间计算各所述系统参数的贡献度，并基于所述贡献度隔离高贡献度系统参数；
S110
：利用所述故障特征矩阵对所述高贡献度系统参数进行故障定位
。2.
根据权利要求1所述的基于时间因果图的故障诊断方法，其特征在于，所述
S101
具体包括：
S1011
：分别将所述多余度电静压伺服机构中每一部分的的共势元件连接在同一结点，共流元件连接在同一结点；
S1012
：将伺服电机中的三相耦合电路利用同步坐标系转换为两相电路，所述伺服电机键合模型包括数据采集接口
se、a
轴电流
、q
轴电流
、q
轴电阻
、q
轴电感
、q
轴电流和可变模数回转器
MGY
，将所述同步坐标系中的
d
轴电流简化为0，将所述数据采集接口
se
接入代表所述
q
轴电流的共流结
I1
，将所述同步坐标系中的
q
轴电阻和
q
轴电感与所述共流结
I1
连接，并将所述共流结
I1
与所述可变模数回转器
MGY
连接，完成伺服电机键合图模型的构建；
S1013
：液压系统键合图模型包括数据入口
S1、
伺服电机与泵之间转轴与轴承的摩擦系数
fp、
伺服电机与泵之间转轴的转动惯量
Jp、
代表液压系统中柱塞泵的变换器
TF1、
代表柱塞泵排量的变换器系数
Dp、
柱塞泵泄露系数
ep、
管道沿程损失系数
epipe、
液压缸泄露系数
eh、
代表液压缸的变换器
TF2、
代表液压缸活塞有效面积的变换器系数
Spis、
共流结
I2、
共势
结点
O1、
共流结
I3
和共势结点
O2
，结合液压系统中的能量交互关系，所述摩擦系数
fp、
所述转动惯量
Jp
与所述共势结点
I2
连接，所述共势结点
I2
通过所述变换器
TF2
和所述变换器系数
Dp
与所述共势结点
O1
连接，所述柱塞泵泄露系数
ep
与所述共势结点
O1
连接，所述共势结点
O1
通过所述共流结
I3
和所述共势结点
O2
连接，所述管道沿程损失系数
epipe
与所述共流结
I3
连接，所述液压缸泄露系数
eh
与所述共势结点
O2
连接，所述共势结点
O2
与所述变换器
TF2
以及所述变换器系数
Spis
连接；
S1014
：负载系统键合图模型包括共流结
I4
以及...

【专利技术属性】
技术研发人员：李世杰，陈换过，徐淼，卢夏沁，姚智敏，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：