一種基于Modelica模型的故障檢測系統(tǒng)及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種基于Modelica模型的故障檢測系統(tǒng)及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著用戶對機(jī)電產(chǎn)品適用性、安全性和可維護(hù)性等方面要求的不斷提高，促使機(jī)電系統(tǒng)的功能和性能需求不斷增加，導(dǎo)致系統(tǒng)的復(fù)雜程度也在不斷攀升，從而使得引發(fā)系統(tǒng)故障的可能性也在不斷增大，且故障種類和形式變得越來越多樣化。因此，如何高效、準(zhǔn)確地檢測出復(fù)雜系統(tǒng)的故障已成為當(dāng)前產(chǎn)品設(shè)計(jì)和應(yīng)用過程中的一項(xiàng)既有意義又有挑戰(zhàn)的工作。
[0003]由于復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)存在元件種類多、專業(yè)耦合性強(qiáng)、工作機(jī)理復(fù)雜、綜合測試?yán)щy等特點(diǎn)，使得基于數(shù)據(jù)和基于經(jīng)驗(yàn)知識的傳統(tǒng)檢測方法很難滿足要求，其具體體現(xiàn)為:
1)基于數(shù)據(jù)檢測方法:需要大量的歷史數(shù)據(jù)，如果給定的數(shù)據(jù)不完全、不詳細(xì)和不精確，那么對應(yīng)的檢測也是不完全、不詳細(xì)和不精確的;然而，對于復(fù)雜系統(tǒng)來說，這些數(shù)據(jù)的獲取又十分困難；
2)基于經(jīng)驗(yàn)知識檢測方法:過多依賴于專家的經(jīng)驗(yàn)知識(淺知識)，弱化對診斷對象的結(jié)構(gòu)、功能、原理等知識(深知識)的研究，很難對系統(tǒng)故障的進(jìn)行深層次的檢測。
[0004]相比之下，基于模型的故障檢測方法除了能夠有效的避免上述傳統(tǒng)檢測方法不足外，還能夠很好的實(shí)現(xiàn)由表象到機(jī)理、由定性到定量、由單點(diǎn)到多點(diǎn)、由零部件到系統(tǒng)的故障研究，且其具有很強(qiáng)的互用性，能夠有效的適應(yīng)不同類型的系統(tǒng)。
[0005]然而，針對基于模型的故障檢測方法，目前主要采用的因果式建模來實(shí)現(xiàn)模型的開發(fā)，這種開發(fā)方式，不僅需要開發(fā)者對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行解耦，清楚的定義模型的輸入輸出，而且需要開發(fā)者掌握復(fù)雜系統(tǒng)模型的編譯和求解技術(shù)，受到這兩點(diǎn)要求的制約，通過此方法開發(fā)的模型很難得到實(shí)際應(yīng)用的認(rèn)可。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決上述因果式建模存在的問題，本發(fā)明旨在提供一種基于Modelica模型的故障檢測系統(tǒng)及其方法，其具備基于方程的陳述式表達(dá)特點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)在于用戶可以不用明確的定義輸入輸出變量，其只在方程系統(tǒng)求解時(shí)工具才會自動確定變量的因果關(guān)系，故無需模型開發(fā)者面臨因果式建模中的兩大難點(diǎn)，可以方便開發(fā)者構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)模型以用于故障檢測。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種基于Mode I ica模型的故障檢測系統(tǒng)，包括Mode I ica模型編輯器、Model ica模型求解器、Modelica模型后處理器、信號轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)處理器、殘差生成器和閥值檢測器；
所述Modelica模型編輯器和所述信號轉(zhuǎn)換器的輸入端分別與信號輸入源連接，所述Mode I ica模型編輯器的輸出端依次連接所述Mode I ica模型求解器和所述Mode I ica模型后處理器，所述信號轉(zhuǎn)換器的輸出端與真實(shí)系統(tǒng)連接，所述數(shù)據(jù)處理器的輸入端與真實(shí)系統(tǒng)連接，所述Modelica模型后處理器和所述數(shù)據(jù)處理器的輸出端分別與所述殘差生成器的輸入端連接，所述殘差生成器的輸出端與所述閥值檢測器的輸入端連接，所述閥值檢測器的輸出端與顯示器連接；
所述Mode I ica模型編輯器的功能在于構(gòu)建與所述真實(shí)系統(tǒng)相對應(yīng)的Mode I ica系統(tǒng)模型；
所述Mode I ica模型求解器可實(shí)現(xiàn)對所述Mode I ica模型編輯器所構(gòu)建的Mode I ica系統(tǒng)模型的編譯和求解，能夠求解出所述真實(shí)系統(tǒng)中的未知變量；
所述Modelica模型后處理器可實(shí)現(xiàn)對所述Modelica模型求解器的求解結(jié)果進(jìn)行篩選和輸出；
所述信號轉(zhuǎn)換器可將輸入的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號作用于所述真實(shí)系統(tǒng)；
所述數(shù)據(jù)處理器可將對所述真實(shí)系統(tǒng)檢測的模擬信號轉(zhuǎn)化成輸出的數(shù)字信號，并對干擾信息進(jìn)行處理；
所述殘差生成器可讀入所述Modelica模型后處理器和所述數(shù)據(jù)處理器的結(jié)果，并對兩者數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行做差比較，得到殘差信息；
所述閥值檢測器將所述殘差生成器生成的殘差信息和正常工況的閥值進(jìn)行比較，檢測殘差是否處于閥值區(qū)間，進(jìn)而評判所述真實(shí)系統(tǒng)是否處于故障狀態(tài)。
[0008]一種基于Modelica模型的故障檢測方法，包括如下步驟:
步驟O)根據(jù)已經(jīng)完成的真實(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理，利用所述Modelica模型編輯器，采用Model ica語言開發(fā)一套與所述真實(shí)系統(tǒng)相對應(yīng)的Model ica系統(tǒng)模型；
步驟I)根據(jù)所述真實(shí)系統(tǒng)正常情況下的上下限工作要求，通過對開發(fā)好的所述Modelica系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真，得到所述真實(shí)系統(tǒng)正常工況下的檢測參數(shù)的上下限閥值；步驟2)將系統(tǒng)輸入信號通過所述信號轉(zhuǎn)換器作用到所述真實(shí)系統(tǒng)對象上，利用所述數(shù)據(jù)處理器對所述真實(shí)系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、過濾、轉(zhuǎn)化和輸出；
步驟3)將系統(tǒng)輸入信號通過所述Modelica模型編輯器作用到所述Modelica系統(tǒng)模型上，調(diào)用所述Model ica模型求解器對所述Modelica系統(tǒng)模型進(jìn)行求解，再利用所述Modelica模型后處理器對求解結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和輸出；
步驟4)根據(jù)步驟I中所述數(shù)據(jù)處理器輸出的結(jié)果和步驟2中所述Modelica模型后處理器輸出的結(jié)果，由所述殘差生成器讀取兩部分結(jié)果，并按照統(tǒng)一形式對兩部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行作差對比，得到比較后的殘差結(jié)果；
步驟5)通過所述閥值檢測器導(dǎo)入所述殘差生成器比較后得到的殘差結(jié)果，并將殘差結(jié)果與步驟I得到的上下限閥值作比較，評判該殘差結(jié)果是否處于正常的閥值區(qū)間內(nèi)，若比較結(jié)果超出了正常區(qū)間，則發(fā)出所述真實(shí)系統(tǒng)的故障告警信息。
[0009]進(jìn)一步的，步驟3可與步驟I同步進(jìn)行。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明主要通過采用Model ica建模分析技術(shù)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障的檢測，憑借Model ica語言建模簡單、展示直觀、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)，使得該方法能夠很好的適應(yīng)于機(jī)電液控耦合性較強(qiáng)的復(fù)雜系統(tǒng)；同時(shí)，通過基于模型的檢測方法，無需大量的數(shù)據(jù)儲備和硬件投入，不僅可以大大縮短故障檢測平臺建設(shè)的周期，而且可以有效的控制平臺建設(shè)的成本;再者，通過該方法可以動態(tài)地反映故障發(fā)生的情況，使得檢測變得更為高效和準(zhǔn)確，并可為后續(xù)的故障隔離和故障控制等工作提供及時(shí)的信息輸入，有效的阻止故障的進(jìn)一步發(fā)生，更好的保障系統(tǒng)和人員的安全性。
上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說明。本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】由以下實(shí)施例及其附圖詳細(xì)給出。
【附圖說明】
[0011]此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中:
圖1為本發(fā)明的故障檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
圖2為本發(fā)明的故障檢測方法的流程圖；
圖3為以電機(jī)為例的Modelica系統(tǒng)模型示意圖；
圖4為電機(jī)在正常工況下的角速度上下限閥值曲線圖；
圖5為利用本發(fā)明得出的真實(shí)電機(jī)的角速度檢測結(jié)果曲線圖；
圖6為利用本發(fā)明得出的Modelica系統(tǒng)模型電機(jī)的角速度檢測結(jié)果曲線圖；
圖7為利用本發(fā)明得出的電機(jī)角速度殘差比較結(jié)果圖；
圖8為利用本發(fā)明得出的電機(jī)角速度殘差評價(jià)結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例，來詳細(xì)說明本發(fā)明。
[0013]參見圖1所示，一種基于Mode I i ca模型的故障檢測系統(tǒng)，包括Mode I i ca模型編輯器UModelica模型求解器2、M0delica模型后處理器3、信號轉(zhuǎn)換器4、數(shù)據(jù)處理器5、殘差生成器6和閥值檢測器7;
所述Modelica模型編輯器I和所述信號轉(zhuǎn)換器4的輸入端分別與信號輸入源8連接，所述Model ica模型編輯器I的輸出端依次連接所述Mode I ica模型求解器2和所述Mode I ica模型后處理器3，所述信號轉(zhuǎn)換器4的輸出端與真實(shí)系統(tǒng)9連接，所述數(shù)據(jù)處理器5的輸入端與真實(shí)系統(tǒng)9連接，所述Modelica模型后處理器3和所述數(shù)據(jù)處理器5的輸出端分別與所述殘差生成器6的輸入端連接，所述殘差生成器6的輸出端與所述閥值檢測器7的輸入端連接，所述閥值檢測器7的輸出端與顯示器10連接；
所述Mode I ica模型編輯器I的功能在于構(gòu)建與所述真實(shí)系統(tǒng)9相對應(yīng)的Mode I ica系統(tǒng)模型；
所述Model ica模型求解器2可實(shí)現(xiàn)對所述Mode I ica模型編輯器I所構(gòu)建的Model ica系統(tǒng)模型的編譯和求解，能夠求解出所述真實(shí)系統(tǒng)9中的未知變量；
所述Modelica模型后處理器3可實(shí)現(xiàn)對所述Modelica模型求解器2的求解結(jié)果進(jìn)行篩選和輸出；
所述信號轉(zhuǎn)換器4可將輸入