液體火箭發動機地面試車穩態過程故障檢測參數選擇方法
【專利摘要】一種液體火箭發動機地面試車穩態過程故障檢測參數選擇方法，首先基于發動機地面試車故障樣本數據，分析建立發動機在發生故障前工作狀態正常的試車過程中各測量參數的統計特征；在發動機故障樣本數據包含故障發生時刻的數據窗口內，利用參數統計特征結果信息，計算各測量參數背離其正常發展變化趨勢的時間點；建立故障檢測參數候選集，并進行排序；基于發動機地面試車正常樣本數據，對排序后的故障檢測參數候選集逐個進行排查，剔除與正常樣本數據中參數發展變化趨勢不一致的候選參數，得到發動機地面試車穩態工作過程故障檢測的參數結果集。本發明有效提高了故障檢測參數對發動機故障早期變化趨勢的表征與識別能力。
【專利說明】液體火箭發動機地面試車穩態過程故障檢測參數選擇方法
【技術領域】
[0001] 本發明具體涉及液體火箭發動機故障檢測領域，特指一種應用于液體火箭發動機 地面試車穩態工作過程故障檢測參數的選擇方法。
【背景技術】
[0002] 液體火箭發動機是運載火箭的核心動力裝置。為確保航天發射任務的成功，液體 火箭發動機在裝箭和正式交付使用之前，需要進行大量的地面試車，以考核和驗證性能指 標，改進和優化結構設計。
[0003] 為進行各種性能狀態參數的測量，液體火箭發動機地面試車過程中布設了大量的 傳感器，不僅包括渦輪、泵、管路、氣瓶、貯箱、推力室等多個部件和流量、轉速、溫度、壓力、 振動等多種類型的信號，而且還包括許多材料和工藝參數。特別是近年來隨著聲、光、電、磁 等先進測量技術的不斷應用和手段的多樣化，測量信號的數量越發眾多、種類越發復雜。
[0004] 故障檢測是有效提高液體火箭發動機地面試車可靠性和安全性的重要技術手段。 其通過對液體火箭發動機地面試車過程是否發生故障做出及時、可靠的判斷，并提供給控 制系統采取緊急關機、調節工作狀態等故障控制措施，可有效避免危險性或災難性事故的 發生，保護人員、設備和財產的安全。
[0005] 故障檢測的前提和基礎是液體火箭發動機地面試車過程中測量的各種數據和信 息。因此，如何在液體火箭發動機地面試車的眾多測量參數中，優化選取對發動機故障敏感 性好、識別能力強的監測參數，是液體火箭發動機地面試車故障檢測必須解決的關鍵技術 問題之一。
[0006] 一般而言，發動機地面試車過程中，由于各種交變應力的作用，其結構部件的損傷 將逐漸累積，并最終演變發展為結構破壞、失效等嚴重故障。在發動機故障的上述演變發展 過程中，部分性能狀態參數會發生變化，而這些參數的變化實際上代表了發動機發生故障 的征兆。
【發明內容】
[0007] 為優化選取對發動機故障敏感性好、識別能力強的故障檢測參數，本發明提出一 種液體火箭發動機地面試車穩態過程故障檢測參數選擇方法。
[0008] 本發明一種液體火箭發動機地面試車穩態過程故障檢測參數選擇方法的技術方 案是，將測量參數對發動機故障的敏感性作為故障檢測參數選擇的標準，然后利用液體火 箭發動機歷史試車數據，進行下述步驟：基于發動機地面試車故障樣本數據，分析建立發動 機在發生故障前工作狀態正常的試車過程中各測量參數的統計特征，其代表了發動機在該 次試車過程中測量參數的正常發展變化趨勢；在發動機故障樣本數據包含故障發生時刻的 數據窗口內，利用參數統計特征結果信息，計算各測量參數背離其正常發展變化趨勢的時 間點；剔除在數據窗口內滿足正常發展變化趨勢的測量參數，將剩余的參數作為發動機地 面試車穩態工作過程故障檢測的參數候選集，并利用時間點結果信息，對候選參數進行排 序；基于發動機地面試車正常樣本數據，對排序后的故障檢測參數候選集逐個進行排查，剔 除與正常樣本數據中參數發展變化趨勢不一致的候選參數，得到發動機地面試車穩態工作 過程故障檢測的參數結果集。
[0009] 本發明的有益效果是：參數的敏感性具體由參數在發動機發生故障之前和之后一 定時間的數據窗口內的變化趨勢來描述，而不僅僅只考慮發動機故障發生后的變化趨勢， 有效提高了故障檢測參數對發動機故障早期變化趨勢的表征與識別能力，其對有效提高故 障檢測的及時性、準確性，以及優化發動機地面試車傳感器測量節點配置、減少測量傳感器 數量等都具有十分重要的意義和價值。同時，本發明專利首先利用故障樣本數據基于故障 敏感性的標準對發動機地面試車的測量參數進行刪減，建立參數候選集，然后利用正常樣 本數據對候選參數進行檢驗，進一步刪減測量參數，得到最終的故障檢測參數，從而避免了 將所有測量參數參與全部運算，減少了計算量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010] 圖1為本發明的方法流程示意圖。
[0011] 以下將結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
【具體實施方式】
[0012] 如圖1所示，本實施例的假設共有m組液體火箭發動機地面試車的故障樣本數據， 記為F1,F2. ..，Fm，相應的故障發生時刻分別為T1,T2. ..，Tm，s組液體火箭發動機地面試車的 正常樣本數據，截取其中的穩態工作過程數據作為檢驗樣本，記為N1,N2,...，Ns。發動機地 面試車過程中的測量參數集為X=Ix1,X2. ..，xn}。
[0013] 步驟一：建立發動機在發生故障前工作狀態正常的試車過程中各測量參數的統計 特征及其正常狀態區間范圍。
[0014] 事先給定數值M(M為待分析的數據區間中測量數據點的個數）。在故障樣本數據 ?』(」=1，...，111)中，計算其故障發生時刻1^(」=1，...，111)前第2\1到第1個測量數據 點之間參數XiQ= 1，...，η)的均值和方差，分別為：
【權利要求】
1. 一種液體火箭發動機地面試車穩態過程故障檢測參數選擇方法，其特征在于： 步驟一：基于發動機地面試車故障樣本數據，分析建立發動機在發生故障前工作狀態 正常的試車過程中各測量參數的統計特征及其正常狀態區間范圍； 步驟二：在發動機故障樣本數據包含故障發生時刻的數據窗口內，利用參數統計特征 結果信息，計算各測量參數超出正常狀態區間范圍的時間點； 步驟三：剔除在數據窗口內滿足正常發展變化趨勢的測量參數，將剩余的參數作為發 動機地面試車穩態工作過程故障檢測的參數候選集，并利用時間點結果信息，對候選參數 進tx排序； 步驟四：基于發動機地面試車正常樣本數據，對排序后的故障檢測參數候選集逐個進 行排查，剔除與正常樣本數據中參數發展變化趨勢不一致的候選參數，得到發動機地面試 車穩態工作過程故障檢測的參數結果集。
2. 根據權利要求1所述的液體火箭發動機地面試車穩態過程故障檢測參數選擇方法， 其特征在于： 步驟一：基于發動機地面試車故障樣本數據，分析建立發動機在發生故障前工作狀態 正常的試車過程中各測量參數的統計特征及其正常狀態區間范圍；其具體步驟如下： 假設共有m組液體火箭發動機地面試車的故障樣本數據，記為匕，F2. . .，Fm，相應的故 障發生時刻分別為1\，T2. . .，Tm，s組液體火箭發動機地面試車的正常樣本數據，截取其中的 穩態工作過程數據作為檢驗樣本，記為&，N2, ...，Ns，發動機地面試車過程中的測量參數集 為X= {x"x2. ? ?，xn}; a、 事先給定數值M，M為待分析的數據區間中測量數據點的個數；在故障樣本數據Fj(j =l，...，m)中，計算其故障發生時刻Tj(j=l，...，m)前第2XM到第M個測量數據點之 間參數Xi(i= 1，. . .，n)的均值和方差，分別為：
式（1)和式（2)中，下標"i"表示第i個測量參數，上標"j"表示第j組故障樣本數據， <(幻表示測量參數\在故障樣本數據中第k個測量數據點的值；由于將故障發生時刻 作為第〇個數據點，因此，k的取值范圍為[-2M+1，-M]; b、 建立故障樣本數據Fj(j= 1，. . .，m)中測量參數xji= 1，. . .，n)的狀態區間：
該狀態區間代表了在故障樣本數據h中，發動機在發生故障前參數x,的正常變化范 圍； 步驟二：在發動機故障樣本數據包含故障發生時刻的數據窗口內，利用參數統計特征 結果信息，計算各測量參數超出正常狀態區間范圍的時間點；其具體步驟如下： 在故障樣本數據h(j=l，...，m)包含故障發生時刻的數據窗口內，判斷式（4)是否 成立：
若成立，說明測量參數\超出了其正常變化范圍，是故障樣本數據Fj中故障的征兆，因 而可作為故障檢測的備選參數；同時，為避免測量數據的野點等對結果的影響，采取持續判 斷準則：即只有連續三個測量點的數據都滿足式（4)，才能認為測量參數 Xi超出了其正常 變化范圍，記測量參數Xi第三次滿足式（4)的測量時間點為(/;若測量參數在數據窗口內均 不滿足式（4)或即使式（4)成立，但不滿足持續判斷準則，則認為該參數對故障不敏感，其 超出正常變化范圍的時間點記為某個未知量" 0 " ； 步驟三：剔除在數據窗口內滿足正常發展變化趨勢的測量參數，將剩余的參數作為發 動機地面試車穩態工作過程故障檢測的參數候選集，并利用時間點結果信息，對候選參數 進行排序；其具體步驟如下： a、 將故障樣本數據中各測量參數超出正常變化范圍的時間點寫為矩陣：
將矩陣R中包含未知量" "的行刪除，得到修剪后的矩陣：
矩陣中各行所對應的測量參數集X= {xP，xP+1，. . .，xQ}即為建立的故障檢測參數候選 集； b、 將矩陣中元素按列相加，得到向量：
式（7)中，"T"為矩陣的轉置； 將向量W中元素按從小到大的順序進行排序，其對應的測量參數集（仍記為X= {xP，Xp+1，. . .，xQ})實際上已將候選參數按故障表征的及時性進行了重新排序； 步驟四：基于發動機地面試車正常樣本數據，對排序后的故障檢測參數候選集逐個進 行排查，剔除與正常樣本數據中參數發展變化趨勢不一致的候選參數，得到發動機地面試 車穩態工作過程故障檢測的參數結果集； 對排序后的故障檢測參數候選集依次進行檢驗，即判斷式（8)是否成立：
式（8)中，"v/(幻表示第j個檢驗數據樣本中第i個候選參數的第k個測量數據值，yi為根據式（1)計算得到的m個均值的均值；記〇_為根據式（2)計算得到的m個方差中的 最大值，其所對應的式（1)中的均值為yMX，〇i=yMX-yi+〇MX; 同樣，為了避免數據野點對檢驗結果的影響，依然采取持續判斷準則：即只有連續三個 測量點的數據都不滿足式（8)，才能將對應的測量參數從候選集中剔除，最后得到的參數候 選集即為發動機地面試車穩態工作過程故障檢測的參數結果集。
【文檔編號】G05B23/02GK104483965SQ201410723073
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月3日 優先權日:2014年12月3日
【發明者】吳建軍, 劉洪剛, 聶僥, 程玉強, 黃強, 李艷軍, 彭小輝 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學