并聯試車故障監測與診斷方法
【專利摘要】本發明一種并聯試車故障監測與診斷方法，包括1)獲取參數的實際值；2)參數分組；3)參數檢測；4)傳感器失效檢測；5)參數異常判斷等步驟，解決了四臺發動機之間“或”關系，單臺發動機各個參數之間“與”關系的問題，提高了故障監測與診斷系統算法的精度，減少了由于算法、傳感器失效等原因產生的誤報漏報現象，能夠同時對不同發動機的不同參數進行監測與診斷。
【專利說明】并聯試車故障監測與診斷方法【技術領域】
[0001]本發明涉及一種故障監測與診斷技術，具體涉及一種并聯試車故障監測與診斷方法。
【背景技術】
[0002]每一次航天任務發射前都要進行各種試驗，地面熱試車試驗模擬飛行狀態可以直接獲得各種參數及性能，決定著箭體發射時的質量甚至成敗，有必要引進與采用故障監測與診斷技術以降低其試驗風險，保護產品及試車臺安全。液氧煤油發動機故障監測與診斷系統針對單臺發動機而設計，存在以下問題:首先，不具備同時監測四臺發動機運行狀態的能力；其次，當其中一臺或某幾臺發生故障時能否準確定位；最后，針對四機并聯試車必須保證不能發生誤報警或者不報警。液氧煤油發動機四機并聯試車故障監測與診斷技術是國內首次將故障監測與診斷技術應用到四臺發動機并聯熱試車中。
【發明內容】
[0003]為解決當前針對單臺發動機的故障監測與診斷方法不適用于并聯的多臺發動機故障監測與診斷的技術問題，本發明提供一種并聯試車故障監測與診斷方法。
[0004]本發明的技術解決方案如下:
[0005]一種并聯試車故障監測與診斷方法，其特殊之處在于:包括以下步驟:
[0006]I】獲取參數的實際值
[0007]獲取故障監測與診斷系統所需要的故障監測點參數的數字量值，并將數字量值同步轉換為模擬量，即故障監測點參數的實際值，
[0008]所述故障監測點參數的數字量值由安裝在進行試車的多個發動機上的傳感器采集，并經數據處理后獲得，
[0009]2】參數分組
[0010]將參數根據發動機進行分類，同一發動機的參數劃分為一組，根據參數的屬性信息將同一發動機的不同參數進行分類，并歸納至與該參數具有相同屬性的規則庫下，不同發動機的規則庫設置不相同；所述規則庫包括多類數據庫表格，每類數據庫表格用于存儲一類參數在不同時間點的閾值計算方法，
[0011]3】參數檢測
[0012]并行檢測步驟I】所獲取的進行試車的多個發動機的故障監測點參數，具體檢測步驟如下:
[0013]識別參數屬性，根據參數屬性查詢與之相對應的規則庫的數據庫表格，利用數據庫表格中記載的閾值計算方法計算出該參數在這一時間點的閾值，將該參數的實際值與閾值相比較，如果參數的實際值在閾值范圍內，則該參數運行狀態正常，如果參數的實際值超出閾值范圍，則進行步驟4】，
[0014]4】傳感器失效檢測[0015]檢測傳感器是否處于開路、短路，或數值大幅震蕩的異常狀態，如果是，將該參數剔除，不再作為故障監測點參數；否則，進行下一步驟；
[0016]5】參數異常判斷
[0017]如果故障監測點參數的實際值連續多次超出閾值范圍，則該參數異常，進行預警。
[0018]在步驟5】之后還包括:6】故障判斷，當一臺發動機同時有多個故障監測點參數的實際值連續多次超出閾值范圍，確認此次試車發生故障并進行報警。
[0019]上述規則庫中數據庫表格所存儲的閾值計算方法包括兩種，一種為ATA算法，另一種紅線關機算法，
[0020]在發動機啟動階段，采用紅線關機算法，當發動機進入穩定段后，采用ATA算法。
[0021]在步驟I】獲取參數的實際值時，故障監測點參數的數字量值需要通過數據采集備份計算機進行數據備份并發送至故障監測與診斷計算機，獲取參數的實際值后，由故障監測與診斷計算機完成步驟I】至步驟5】。
[0022]為提高本發明的可靠性，在步驟I】之前，還包括判斷規則庫是否正確的步驟，具體方法如下:
[0023]5.1】根據同型號發動機以往試車真實數據，對其進行修改制作仿真數據文件，所述仿真數據文件中包括故障監測與判斷時所需要的故障監測點參數，故障監測點參數可設置成正常、異常兩種狀態 ，
[0024]5.2】讀取仿真數據文件中的故障監測點參數，
[0025]5.3】參數分組
[0026]根據參數的屬性信息將同一發動機不同參數進行分類，并歸納至具有相同屬性的規則庫下，不同發動機的規則庫設置不相同；所述規則庫包括多類數據庫表格，每類數據庫表格用于存儲一類參數在不同時間點的閾值計算方法，
[0027]5.4】參數檢測
[0028]識別仿真數據文件中的參數屬性，根據參數屬性查詢與之相對應的規則庫的數據庫表格，利用數據庫表格中記載的閾值計算方法計算出該參數在這一時間點的閾值，將該參數的實際值與計算值相比較，判斷該參數是否異常，
[0029]5.5】將步驟5.4】所得出參數檢測結果與仿真文件中該參數的設定狀態進行比較，如果兩者一致，則該次試車的規則庫數據表格設置正確，否則，規則庫表格設置異常，重新進行規則庫表格設置。
[0030]為了保證診斷時，系統的連接可靠性，在步驟I】之前，還包括判斷數據采集備份計算機和故障監測與診斷計算機之間的接口傳輸是否正常的步驟，具體方法如下:
[0031]6.1】根據同型號發動機以往試車真實數據，對其進行修改制作仿真數據文件，所述仿真數據文件中包括故障監測與判斷時所需要的故障監測點參數，故障監測點參數可設置成正常、異常兩種狀態，
[0032]6.2】在數據采集備份計算機上回放仿真數據文件，并將仿真數據中各故障監測點參數發送至故障監測與診斷計算機，如果故障監測與診斷計算機能夠接收到數據采集備份計算機所傳輸的數據，則該次試車數據采集備份計算機和故障監測與診斷計算機之間的接口傳輸正常。
[0033]如果6.2】的檢測結果正常，繼續進行判斷規則庫是否正確的步驟，具體方法如下:
[0034]6.3】根據參數的屬性信息將同一發動機不同參數進行分類，并歸納至具有相同屬性的規則庫下，不同發動機的規則庫設置不相同；所述規則庫包括多類數據庫表格，每類數據庫表格用于存儲一類參數在不同時間點的閾值計算方法，
[0035]6.4】識別仿真數據文件中的參數屬性，根據參數屬性查詢與之相對應的規則庫的數據庫表格，利用數據庫表格中記載的閾值計算方法計算出該參數在這一時間點的閾值，將該參數的實際值與計算值相比較，判斷該參數是否異常，
[0036]6.5】將步驟6.4】所得出參數檢測結果與仿真文件中該參數的設定狀態進行比較，如果兩者一致，則該次試車的規則庫數據表格設置正確，否則，規則庫表格設置異常，重新進行規則庫表格設置。
[0037]本發明與現有技術相比，具有以下優點:
[0038]1、本發明解決了針對單臺發動機的液氧煤油發動機故障監測與診斷系統不具備同時監測四臺發動機運行狀態的能力，能夠準確定位故障位置，不發生誤報警或者不報警。
[0039]2、本發明并聯試車故障監測與診斷方法需要同時對不同發動機的不同參數進行診斷，為避免各組參數之間相互干擾，影響判斷準確度，采用多組參數獨立判別技術，利用故障診斷數學算法、數據庫技術、傳感器量程判斷技術，解決了四臺發動機之間“或”關系，單臺發動機各個參數之間“與”關系的問題，提高了故障診斷系統算法的精度，減少了由于算法、傳感器失效等原因產生的誤報漏報現象。
[0040]3、本發明在參數閾值計算時，采用了 ATA算法和紅線關機算法相結合的方法，在發動機啟動階段，采用紅線關機算法，能夠保證故障監測與診斷方法的可靠性；當發動機進入穩定段后，采用ATA算法能夠提高該方法運行精度。
[0041]4、本發明并聯試車故障監測與診斷方法在參數檢測之前，進行了規則庫及裝置間傳輸接口是否正確的檢驗，提高了系統監測與診斷的可靠性。
[0042]5、在本發明中數據采集備份設備同時采集多路信號，同步發送到故障監測與診斷系統，數據包發送、判斷準則判讀時間均是單臺發動機的數倍，采用多參數故障快速判別技術，實現多機多參數判讀時間同以往單臺發動機判讀時間一致，同時采用故障監測與診斷技術從監測到故障發生點發出報警信號到控制系統發出關機指令時間延遲優于50ms。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0043]圖1故障檢測與診斷系統組成框圖。
【具體實施方式】
[0044]以下以四機并聯試車故障監測與診斷系統為例對本發明進行詳細說明。
[0045]圖1所示為故障監測與診斷系統結構框圖，系統包括發動機自帶的傳感器、采集主電纜、數據轉接柜、數據采集設備、數據采集與備份計算機、故障檢測與診斷計算機、聲光報警裝置等。在如圖所示的系統組成框圖中，發動機自帶傳感器安裝在設計人員關心的重要及主要部位，試驗發動機出廠之前為了獲得性能參數，在主要部位安裝了自帶傳感器。數據轉接柜完成前臺傳感器采集數據與后臺數據采集設備之間信號傳輸，發動機自帶傳感器通過主電纜與數據轉接柜連接，每一連接主電纜上設置有標識，可方便維護及檢修主電纜。數據采集設備主要實現參數采集、濾波、放大、傳輸等功能。數據采集與備份計算機有兩方面作用，一、負責完成發動機重要參數的復記工作，其次，發送發動機故障監測與診斷參數；故障檢測與診斷計算機完成參數獲取、參數分組、參數檢測、參數異常判斷、傳感器失效檢測、故障判斷、發出報警信號、發送關機指令功能。
[0046]在圖示的系統結構中，當且僅當滿足故障緊急關機規則時，發出聲光報警信號同時發送指令至控制系統，由控制系統作出判斷是否關機。
[0047]四機并聯試車故障監測與診斷方法，主要包括以下步驟:
[0048]I】獲取參數的實際值
[0049]獲取故障監測與診斷系統所需要的故障監測點參數的數字量值，并將數字量值同步轉換為模擬量，即故障監測點參數的實際值，
[0050]故障監測點參數的數字量值由安裝在進行試車的多個發動機上的傳感器采集，并經數據處理后獲得，
[0051]2】參數分組
[0052]針對此次四機并聯試車，首先要解決的是發動機參數的分組問題。當數據采集與備份計算機將從發動機前端獲取的各類型參數(如壓力、溫度、振動、水擊、脈動、轉速等)的數字量值實時打包并通過網絡發送至故障監測與診斷計算機時，運用軟件丟棄非故障監測點參數，將所獲取的參數根據發動機進行分類，同一發動機的參數劃分為一組，同一臺發動機的不同類型參數匯總至同 一規則庫下，規則庫包括多類數據庫表格，每類數據庫表格用于存儲一類參數在不同時間點的閾值計算方法，不同發動機的規則庫設置并不相同，這樣就完成了發動機參數的分組工作。
[0053]3】參數檢測
[0054]并行檢測步驟I】所獲取的故障監測點參數，具體檢測步驟如下:
[0055]識別參數屬性，根據參數屬性查詢與之相對應的規則庫的數據庫表格，利用數據庫表格中記載的閾值計算方法計算出該參數在這一時間點的閾值，將該參數的實際值與計算值相比較，如果參數的實際值在閾值范圍內，則該參數運行狀態正常，如果參數的實際值超出閾值范圍，則進入步驟4】；
[0056]4】傳感器失效規則
[0057]傳感器失效規則獨立于故障監測與診斷規則庫，當故障監測與診斷計算機接收到數據時，首先進行失效檢測，包括傳感器開路、傳感器短路，以及傳感器數值大幅震蕩等，當這些情況發生時都認為是傳感器失效，將其剔除，不進入故障監測與診斷數據庫診斷范圍內，避免發生誤報警和不報警，否則，進行下一步驟；
[0058]5】參數異常判斷
[0059]如果故障監測點參數連續多次超出閾值范圍，則該參數異常，進行預警。
[0060]6】故障判斷
[0061]當檢測到異常后，開始參數判斷，單臺發動機內部各監測參數之間邏輯關系為“與”，即任意一臺發動機內部多個參數異常表明這臺發動機異常。
[0062]四臺發動機之間的邏輯關系為“或”，即有一臺發動機異常，故障監測與診斷系統顯示四機并聯試車結果異常。
[0063]各故障監測點參數在小組內具有邏輯關系，在小組之間不具有邏輯關系，此方法提高了故障監測與診斷系統的精度。
[0064]故障定位功能主要表現為故障發生時能夠給出精確的故障發生時間、哪一臺發動機發生了故障、有哪些參數、故障發生位置等。這便是初步故障定位結果，后期伴隨試車數據及故障試車資料的不斷積累與收集，再經過網絡訓練，可以給出故障發生的原因。
[0065]故障定位功能主要表現在，當四機并聯試車發生故障時，故障監測與診斷系統能夠實時顯示故障發生點，是哪一臺發動機出現了問題，并且能夠初步定位故障發生的位置甚至原因。
[0066]基于對以上基本技術方案的優化，為進一步提高本發明診斷的準確性，本發明還做出了以下幾個方面的改進:
[0067]I】當單臺發動機四個采集參數中有三個連續三次超出閾值時，認為此臺發動機有故障，四臺發動機之間為“或”關系，此時故障診斷系統向控制系統發送故障關機信號。為解決單臺發動機四個參數之間、四臺發動機之間的邏輯關系，采用數據庫技術建立數據庫表格，以查表方式進行每個參數閾值的查詢，時間查詢，調整計算查詢，軟件通過訪問數據庫表格與實測傳感器信 號進行對比，從而進行判讀。
[0068](2)本發明在參數閾值計算時，采用了 ATA算法和紅線關機算法相結合的方法，在發動機啟動階段，采用紅線關機算法，能夠保證故障監測與診斷方法的可靠性；當發動機進入穩定段后，采用ATA算法能夠提高該方法運行精度。
[0069]在發動機啟動階段，采用紅線關機算法，該方法最有效最快速。當進入穩定段后，采用ATA算法，ATA算法即自適應門限閾值算法，通過實時計算獲得故障診斷參數的閾值，即利用一小段實測數據的均值與給定的上下限調整范圍擬合得出一個穩定段閾值，并每隔固定時間，再次采用相同方法擬合得出下一時間段的閾值。當發動機機工況變化時，上下限調整范圍也會相應變化。
[0070](3)在四機并聯試驗中可應用故障模式仿真技術，該技術可用于故障監測與診斷計算機的單機檢測，單機檢測的目的是判斷故障監測與診斷計算機在進行參數檢測時所應用的規則庫是否正確；也可用于數據采集備份計算機和故障監測與診斷計算機的聯機檢測，聯機檢測既可判斷數據采集備份計算機和故障監測與診斷計算機之間的接口傳輸是否正常，也可判斷故障監測與診斷計算機在進行參數檢測時所應用的規則庫是否正確。
[0071]單機檢測在試車之前進行，具體的步驟如下:
[0072]4.1】根據同型號發動機以往試車真實數據進行修改制作仿真數據文件，所述仿真數據文件中包括故障監測與判斷時所需要的故障監測點參數，故障監測點參數可設置成正常、異常兩種狀態，
[0073]4.2】讀取仿真數據文件中的故障監測點參數，
[0074]4.3】參數分組
[0075]將所獲取的參數根據發動機進行分類，同一發動機的參數劃分為一組，根據參數的屬性信息將同一發動機不同參數進行分類，并歸納至具有相同屬性的規則庫下，不同發動機的規則庫設置不相同；所述規則庫包括多類數據庫表格，每類數據庫表格用于存儲一類參數在不同時間點的閾值計算方法，
[0076]4.4】參數檢測
[0077]識別仿真數據文件中的參數屬性，根據參數屬性查詢與之相對應的規則庫的數據庫表格，利用數據庫表格中記載的閾值計算方法計算出該參數在這一時間點的閾值，將該參數的實際值與計算值相比較，判斷該參數是否異常，
[0078]4.5】將步驟4.4】所得出參數檢測結果與仿真文件中該參數的設定狀態進行比較，如果兩者一致，則該次試車的規則庫數據表格設置正確，否則，規則庫表格設置異常，重新進行規則庫表格設置。
[0079]聯機檢測也在試車之前進行，具體的步驟如下:
[0080]6.1】根據同型號發動機以往試車真實數據進行修改制作仿真數據文件，所述仿真數據文件中包括故障監測與判斷時所需要的故障監測點參數，故障監測點參數可設置成正常、異常兩種狀態，
[0081]6.2】在數據采集備份計算機上回放仿真數據文件，并將仿真數據中各故障監測點參數量值發送至故障監測與診斷計算機，如果故障監測與診斷計算機能夠接收到數據采集備份計算機所傳輸的數據，則該次試車的數據采集備份計算機和故障監測與診斷計算機之間的接口傳輸正常。
[0082]在實際應用中，可在數據采集備份計算機和故障監測與診斷計算機之間的接口傳輸正常之后，接著利用數據采集備份計算機和故障監測與診斷計算機進行判斷規則庫是否正確的步驟，具體方法如下:
[0083]6.3】根據參數的屬性信息將同一發動機不同參數進行分類，并歸納至具有相同屬性的規則庫下，不同發動機的規則庫設置不相同；所述規則庫包括多類數據庫表格，每類數據庫表格用于存儲一類參數在不同時間點的閾值計算方法，
[0084]6.4】識別仿真數據文件中的參數屬性，根據參數屬性查詢與之相對應的規則庫的數據庫表格，利用數據庫表格中記載的閾值計算方法計算出該參數在這一時間點的閾值，將該參數的實際值與計算值相比較，判斷該參數是否異常，
[0085]6.5】將步驟6.4】所得出參數檢測結果與仿真文件中該參數的設定狀態進行比較，如果兩者一致，則該次試車的規則庫數據表格設置正確，否則，規則庫表格設置異常，重新進行規則庫表格設置。
【權利要求】
1.一種并聯試車故障監測與診斷方法，其特征在于:包括以下步驟: I】獲取參數的實際值； 獲取故障監測與診斷系統所需要的故障監測點參數的數字量值，并將數字量值同步轉換為模擬量，即故障監測點參數的實際值， 所述故障監測點參數的數字量值由安裝在進行試車的多個發動機上的傳感器采集，并經數據處理后獲得， 2】參數分組 將參數根據發動機進行分類，同一發動機的參數劃分為一組，根據參數的屬性信息將同一發動機的不同參數進行分類，并歸納至與該參數具有相同屬性的規則庫下，不同發動機的規則庫設置不相同；所述規則庫包括多類數據庫表格，每類數據庫表格用于存儲一類參數在不同時間點的閾值計算方法， 3】參數檢測 并行檢測步驟I】所獲取的進行試車的多個發動機的故障監測點參數，具體檢測步驟如下: 識別參數屬性，根據參數屬性查詢與之相對應的規則庫的數據庫表格，利用數據庫表格中記載的閾值計算方法計算出該參數在這一時間點的閾值，將該參數的實際值與閾值相比較，如果參數的實際值在閾值范圍內，則該參數運行狀態正常，如果參數的實際值超出閾值范圍，則進行步驟4】， 4】傳感器失效檢測 檢測傳感器是否處于開路、短路，或數值大幅震蕩的異常狀態，如果是，將該參數剔除，不再作為故障監測點參數；否則，進行下一步驟； 5】參數異常判斷 如果故障監測點參數的實際值連續多次超出閾值范圍，則該參數異常，進行預警。
2.根據權利要求1并聯試車故障監測與診斷方法，其特征在于:在步驟5】之后還包括:6】故障判斷，當一臺發動機同時有多個故障監測點參數的實際值連續多次超出閾值范圍，確認此次試車發生故障并進行報警。
3.根據權利要求1或2并聯試車故障監測與診斷方法，其特征在于:所述規則庫中數據庫表格所存儲的閾值計算方法包括兩種，一種為ATA算法，另一種紅線關機算法， 在發動機啟動階段，采用紅線關機算法，當發動機進入穩定段后，采用ATA算法。
4.根據權利要求1或2所述的并聯試車故障監測與診斷方法，其特征在于:在步驟I】獲取參數的實際值時，故障監測點參數的數字量值需要通過數據采集備份計算機進行數據備份并發送至故障監測與診斷計算機，獲取參數的實際值后，由故障監測與診斷計算機完成步驟I】至步驟5】。
5.根據權利要求4所述的并聯試車故障監測與診斷方法，其特征在于:在步驟I】之前，還包括判斷規則庫是否正確的步驟，具體方法如下: 5.1】根據同型號發動機以往試車真實數據，對其進行修改制作仿真數據文件，所述仿真數據文件中包括故障監測與判斷時所需要的故障監測點參數，故障監測點參數可設置成正常、異常兩種狀態， 5.2】讀取仿真數據文件中的故障監測點參數，5.3】參數分組 根據參數的屬性信息將同一發動機不同參數進行分類，并歸納至具有相同屬性的規則庫下，不同發動機的規則庫設置不相同；所述規則庫包括多類數據庫表格，每類數據庫表格用于存儲一類參數在不同時間點的閾值計算方法， 5.4】參數檢測 識別仿真數據文件中的參數屬性，根據參數屬性查詢與之相對應的規則庫的數據庫表格，利用數據庫表格中記載的閾值計算方法計算出該參數在這一時間點的閾值，將該參數的實際值與計算值相比較，判斷該參數是否異常， 5.5】將步驟5.4】所得出參數檢測結果與仿真文件中該參數的設定狀態進行比較，如果兩者一致，則該次試車的規則庫數據表格設置正確，否則，規則庫表格設置異常，重新進行規則庫表格設置。
6.根據權利要求4所述的并聯試車故障監測與診斷方法，其特征在于:在步驟I】之前，還包括判斷數據采集備份計算機和故障監測與診斷計算機之間的接口傳輸是否正常的步驟，具體方法如下: .6.1】根據同型號發動機以往試車真實數據，對其進行修改制作仿真數據文件，所述仿真數據文件中包括故障監測與判斷時所需要的故障監測點參數，故障監測點參數可設置成正常，異常兩種狀態， .6.2】在數據采集備份計算機上回放仿真數據文件，并將仿真數據中各故障監測點參數發送至故障監測與診斷計算機，如果故障監測與診斷計算機能夠接收到數據采集備份計算機所傳輸的數據，則該次試車數據采集備份計算機和故障監測與診斷計算機之間的接口傳輸正常。
7.根據權利要求6所述的并聯試車故障監測與診斷方法，其特征在于:如果6.2】的檢測結果正常，繼續進行判斷規則庫是否正確的步驟，具體方法如下: .6.3】根據參數的屬性信息將同一發動機不同參數進行分類，并歸納至具有相同屬性的規則庫下，不同發動機的規則庫設置不相同；所述規則庫包括多類數據庫表格，每類數據庫表格用于存儲一類參數在不同時間點的閾值計算方法， . 6.4】識別仿真數據文件中的參數屬性，根據參數屬性查詢與之相對應的規則庫的數據庫表格，利用數據庫表格中記載的閾值計算方法計算出該參數在這一時間點的閾值，將該參數的實際值與計算值相比較，判斷該參數是否異常， .6.5】將步驟6.4】所得出參數檢測結果與仿真文件中該參數的設定狀態進行比較，如果兩者一致，則該次試車的規則庫數據表格設置正確，否則，規則庫表格設置異常，重新進行規則庫表格設置。
【文檔編號】G01M15/00GK103792087SQ201410035097
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月24日 優先權日:2014年1月24日
【發明者】鄭小萍, 付正, 蔡琳, 吳錦鳳, 劉正, 李怡, 張輝 申請人:西安航天動力試驗技術研究所