一種基于多重分組迭代區(qū)間分支定界技術的ddpc伺服系統(tǒng)故障預示方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于多重分組迭代區(qū)間分支定界技術的DDPC伺服系統(tǒng)故障預示方法，本方法構建了一種極端溫度下面向健康監(jiān)測的DDPC伺服系統(tǒng)故障預示方法并給出了多重分組迭代區(qū)間分支定界實現(xiàn)算法。本方法包括以下主要步驟：1）結合DDPC伺服系統(tǒng)的機理模型和不同工況下的試驗數(shù)據(jù)，擬合出不同工況下的系統(tǒng)模型。2）根據(jù)頻率響應及設定的能量準則，確定系統(tǒng)臨界健康狀態(tài)指標。3）提出一種多重分組迭代區(qū)間分支定界算法，擬合DDPC系統(tǒng)健康臨界狀態(tài)模型。4）根據(jù)臨界模型的特性，可迅速預示系統(tǒng)異常狀態(tài)。本方法實現(xiàn)方便，可擴展性好，預測精確度較高。
【專利說明】-種基于多重分組迭代區(qū)間分支定界技術的DDPC伺服系 統(tǒng)故障預示方法
【技術領域】
[0001] 本方法屬于故障預示、健康監(jiān)測領域，具體涉及一種面向健康監(jiān)測的DDPC伺服系 統(tǒng)臨界模型確立方法。
【背景技術】
[0002] 工業(yè)設備系統(tǒng)的故障預示與健康監(jiān)測已成為研究熱點。
[0003] 故障預示與健康監(jiān)測力求在系統(tǒng)仍能正常工作時，利用可獲取的信息，預示系統(tǒng) 退化過程及未來產生故障的可能性，并在線監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)，出現(xiàn)健康異常，則及時采取 措施。
[0004] 工業(yè)設備系統(tǒng)的故障預示與健康監(jiān)測方法，目前的研究主要依賴于經(jīng)驗知識及運 行數(shù)據(jù)。其中基于統(tǒng)計隨機性的方法均需要大量的運行數(shù)據(jù)訓練，且算法較為復雜，實時性 要求較難滿足。
[0005] 目前直接針對機電系統(tǒng)故障分析的方法效率不高，利用機理模型不夠充分，同時 也較少考慮到惡劣工況的影響。
[0006] DDPC伺服系統(tǒng)的結構成熟、機理清晰的特點，結合DDPC伺服系統(tǒng)機理模型與極端 環(huán)境下的運行數(shù)據(jù)，提出一種臨界健康狀態(tài)下的系統(tǒng)模型，可用以在線監(jiān)測極端工作環(huán)境 下DDPC系統(tǒng)健康狀態(tài)。
【發(fā)明內容】
[0007] 本發(fā)明的目的在于提出一種面向健康監(jiān)測的DDPC伺服系統(tǒng)臨界模型確立方法。
[0008] 本發(fā)明的技術方案如下所述： 基于多重分組迭代區(qū)間分支定界技術的DDPC伺服系統(tǒng)故障預示方法，包括以下步驟： (1) :根據(jù)動力學、流量連續(xù)方程，描述DDPC伺服系統(tǒng)數(shù)學關系，確定系統(tǒng)模型階次； (2) :通過位移傳感器獲得DDPC伺服系統(tǒng)在不同工作環(huán)境下的運行數(shù)據(jù)； (3) :根據(jù)步驟（2)得到的運行數(shù)據(jù)結合步驟（1)中獲得的系統(tǒng)模型階次擬合出DDPC伺 服系統(tǒng)在不同工作環(huán)境下的系統(tǒng)模型參數(shù)； (4) :根據(jù)能量下降指標定義臨界健康狀態(tài)的數(shù)學模型； (5) :根據(jù)步驟（3)得到的系統(tǒng)模型參數(shù)形成用區(qū)間數(shù)表示的區(qū)間系統(tǒng)模型；用多重分 組迭代區(qū)間分支定界算法獲得步驟（4)中定義的臨界健康狀態(tài)的數(shù)學模型； (5. 1)將待估計參數(shù)合理分組為^ = ,并確定參數(shù)的原始可行域為 t = ISl7Siy-^J1 ； (5. 2)初始化：= M = I 2, - --,M (5. 3)主循環(huán)： (5.3.1)在子可行域^中尋優(yōu)： (5. 3. I. 1)預處理：計算目標函數(shù)在可行域4的上下界f，確定目標函數(shù)當前最小值 min 5 ； (5.3.1.2) 初始化：令"為4的列數(shù)。保留4至#>,清空4; (5. 3. 1. 3)分支：將參數(shù)細分為況部分：這里考察各個元素區(qū)間的寬度，總是將 最寬的元素等分，而保留其余元素不變，最后得到區(qū)間矩陣^2); (5. 3. 1. 4)定界：確定每一細分區(qū)域目標函數(shù)的上下界： 計算 W3s(If)) = Mlg_〇)| ; 確定當前循環(huán)目標函數(shù)最小值mm多2> ; (5. 3. L 5)剪枝： (5. 3. 1. 5. 1)將壙> 中寬度小于0. Ol的列移入￡/，余下按原順序構成f5 ;對應逆2>中 的列移入￡丑，余下按原順序構成; (5. 3. 1. 5. 2)若#>列數(shù)左不為0,則將f的所有列按順序填充至&的第 /?-l+i(i=l，2,…，幻列中，同理將妒)的第Y列按順序填充至5的第/7-1+i列中。剔除4與 透中對應目標函數(shù)下界大于當前最小目標函數(shù)值的部分，更新A。剔除結束后，若J 為非空，則按升序排列4與￡的列，并轉至a);若丑為空，轉至f); (5. 3. L 5. 3)若列數(shù)為0,轉至f); (5.3. 1.6)輸出： (5. 3. 1. 6. 1)令m為的D列數(shù)，若不為0,則計算mid(il：)中最小目標函數(shù)值，令對應 列數(shù)為r，則取U的第r列為符合條件的尋優(yōu)結果皿叫；若>?2為〇,則報錯； (5. 3. 1. 6. 2)剔除D與中對應目標函數(shù)下界大于最小目標函數(shù)值mm!的部分，輸 出D與U ;輸出最小目標函數(shù)值min^ = min^ ; (5. 3. L 6. 3)保留mi叫至尋優(yōu)結果向量ResuItT中； (5.3.2) 在子可行域^中尋優(yōu)： 步驟與（5. 1)中完全一致，更新A ,取D的第r列為符合條件的尋優(yōu)結果Mii^2 ,輸出 D與M ,輸出最小目標函數(shù)值《皿馬=imnS ,保留至尋優(yōu)結果向量RemHT中； (5. 3. M)在子可行域L中尋優(yōu)： 步驟與（5.3. 1)中完全一致，更新t ,取Li的第r列為符合條件的尋優(yōu)結果mint ，輸出U與M ,輸出最小目標函數(shù)值皿nI =_^，保留_!4至尋優(yōu)結果向量ResultT 中； (5.3. M+1)判斷式（10)是否成立：若成立，則尋優(yōu)結束，退出主循環(huán)，轉至（5. 4);否 則繼續(xù)循環(huán)，轉至（5. 1); (5. 4)計算尋優(yōu)結果向量ResultT中值對應的目標函數(shù)值，并取最小值得到目標函數(shù)最 小值rnm5，對應ResultT第r列為最終尋優(yōu)結果mint，算法結束。
[0009] (6):利用臨界健康狀態(tài)模型預示DDPC伺服系統(tǒng)健康狀態(tài)。
[0010] 本發(fā)明中，步驟（1)中所述DDPC伺服系統(tǒng)模型階次的確定，對于典型的DDPC位置 伺服系統(tǒng)由交流調速機構（電源、伺服驅動器、伺服電機)、泵控動力機構（齒輪泵、液壓缸、 各類油路組件、溢流閥、液控單向閥)、計算機控制機構組成，可將高性能交流調速伺服機構
【權利要求】
1. 一種基于多重分組迭代區(qū)間分支定界技術的DDPC伺服系統(tǒng)故障預示方法，其特征 在于包括以下步驟： (1) :根據(jù)動力學、流量連續(xù)方程，描述DDPC伺服系統(tǒng)數(shù)學關系，確定系統(tǒng)模型階次； (2) :通過位移傳感器獲得DDPC伺服系統(tǒng)在不同工作環(huán)境下的運行數(shù)據(jù)； (3) :根據(jù)步驟（2)得到的運行數(shù)據(jù)結合步驟（1)中獲得的系統(tǒng)模型階次擬合出DDPC伺 服系統(tǒng)在不同工作環(huán)境下的系統(tǒng)模型參數(shù)； (4) :根據(jù)能量下降指標定義臨界健康狀態(tài)的數(shù)學模型； (5) :根據(jù)步驟（3)得到的系統(tǒng)模型參數(shù)形成用區(qū)間數(shù)表示的區(qū)間系統(tǒng)模型；用多重分 組迭代區(qū)間分支定界算法獲得步驟（4)中定義的臨界健康狀態(tài)的數(shù)學模型； (5. 1)將待估計參數(shù)合理分組為
，并確定參數(shù)的原始可行域為
(5. 2)初始化
(5. 3)主循環(huán)： (5.3.1)在子可行域《中尋優(yōu)： (5. 3. 1. 1)預處理：計算目標函數(shù)在可行域4的上下界f,確定目標函數(shù)當前最小值min5 ； (5.3. 1.2)初始化：令《為4的列數(shù)；保留4至清空4 ; (5. 3. 1. 3)分支：將參數(shù)￡{4細分為#部分：這里考察各個元素區(qū)間的寬度，總是將 最寬的元素等分，而保留其余元素不變，最后得到區(qū)間矩陣壙1 ; (5. 3. 1. 4)定界：確定每一細分區(qū)域目標函數(shù)的上下界： 計算#2)(1^)=2018_〇)|; 確定當前循環(huán)目標函數(shù)最小值mm逆2> ; (5. 3. 1. 5)剪枝： (5.3. 1.5. 1)將壙> 中寬度小于0.01的列移入3，余下按原順序構成f5 ;對應丑W中 的列移入ZZ，余下按原順序構成; (5. 3. 1. 5. 2)若妒列數(shù)左不為0,則將f的所有列按順序填充至（的第 /7-1+i(i=l，2,…，幻列中，同理將於3>的第i列按順序填充至忍的第/7-1+i列中；剔除4與 5中對應目標函數(shù)下界大于當前最小目標函數(shù)值mm丑的部分，更新冕；剔除結束后，若丑 為非空，則按升序排列4與f的列，并轉至a);若丑為空，轉至f); (5. 3. 1. 5. 3)若列數(shù)為 0,轉至f); (5.3. 1.6)輸出： (5. 3. 1.6. 1)令m為的Z/列數(shù)，若不為0,則計算皿叫!：)中最小目標函數(shù)值，令對應 列數(shù)為r，則取U的第r列為符合條件的尋優(yōu)結果;若M為0,則報錯； (5. 3. 1. 6. 2)剔除U與W中對應目標函數(shù)下界大于最小目標函數(shù)值的部分，輸 出D與M;輸出最小目標函數(shù)值-11瑪=?1115 ; (5. 3. 1. 6. 3)保留mi叫至尋優(yōu)結果向量ResuitT中； (5.3.2)在子可行域4中尋優(yōu)： 步驟與（5.1)中完全一致，更新&，取D的第r列為符合條件的尋優(yōu)結果輸出D與M,輸出最小目標函數(shù)值111111馬=minS ,保留m叫至尋優(yōu)結果向量ResultT中； (5.3.M))在子可行域4中尋優(yōu)： 步驟與（5.3. 1))中完全一致，更新I,取L?的第r列為符合條件的尋優(yōu)結果mmt，輸出i/與M,輸出最小目標函數(shù)值1^5^ ，保留《^4至尋優(yōu)結果向量ResultT 中； (5. 3.M+1)判斷式
是否成立：若成立，則尋優(yōu)結束， 退出主循環(huán)，轉至（5.4);否則繼續(xù)循環(huán)，轉至（5. 1); (5. 4)計算尋優(yōu)結果向量ResultT中值對應的目標函數(shù)值，并取最小值得到目標函數(shù)最 小值mm5，對應ResultT第r列為最終尋優(yōu)結果，算法結束； (6):利用臨界健康狀態(tài)模型預示DDPC伺服系統(tǒng)健康狀態(tài)。
2.如權利要求1所述的一種基于多重分組迭代區(qū)間分支定界技術的DDPC伺服系統(tǒng) 故障預示方法，其特征在于步驟（1)中所述DDPC伺服系統(tǒng)模型階次的確定，對于典型的 DDPC位置伺服系統(tǒng)由交流調速機構，可將高性能交流調速伺服機構的數(shù)學模型簡化為一階
慣性環(huán)節(jié) ，其中："為交流伺服系統(tǒng)輸出轉速，"為交流伺服系統(tǒng)指令電壓， Nui 乃為交流伺服系統(tǒng)電氣時間常數(shù)，昊為交流伺服調速系統(tǒng)速度增益；根據(jù)可壓縮流體連 續(xù)方程與牛頓第二定律，給定轉速況與負載力珥時，泵控動力機構輸出位移y的表達式為
其中：4為液壓缸有效面積，4為定量泵排量，G為液壓缸總泄漏系數(shù)，^為液 壓缸容腔總體積，A為有效體積彈性模量，蛘為有效負載質量，4為粘性阻尼系數(shù)， 為液壓固有頻率，為液壓阻尼比，記e(s)為控制器傳遞函數(shù)，為位置傳感器 變送系數(shù)，V為閉環(huán)系統(tǒng)給定信號，則DDPC位置伺服系統(tǒng)輸出位移7的表達式為：
DDPC位置伺服系統(tǒng)中位移70s)對伺服電機輸入電壓VCs)傳遞函數(shù)為：
若&Cs)采用比 例控制，則系統(tǒng)模型階次為4。
3. 如權利要求1所述的一種基于多重分組迭代區(qū)間分支定界技術的DDPC伺服系統(tǒng)故 障預示方法，其特征在于步驟（2)中通過位移傳感器獲取DDPC伺服系統(tǒng)在不同溫度為0°C ，-15T, -20'C或-30'C中任一種。
4. 如權利要求1所述的一種基于多重分組迭代區(qū)間分支定界技術的DDPC伺服系統(tǒng)故 障預示方法，其特征在于步驟（3)中采用最小二乘法擬合DDPC伺服系統(tǒng)不同工況下離散模 型參數(shù)，根據(jù)零極點匹配原則，考慮離散系統(tǒng)采樣時間r,計算DDPC位置伺服控制系統(tǒng)連 續(xù)模型。
5. 如權利要求1所述的一種基于多重分組迭代區(qū)間分支定界技術的DDPC伺服系統(tǒng)故 障預示方法，其特征在于步驟（4)中設定系統(tǒng)臨界健康狀態(tài)指標為：在標稱最差工況下系 統(tǒng)帶寬頻率對應的幅頻響應再衰減6dB。
【文檔編號】G06F19/00GK104408298SQ201410653966
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月17日 優(yōu)先權日:2014年11月17日
【發(fā)明者】岳繼光, 蘇永清, 董延超, 孫強, 王艷明 申請人:同濟大學