一种基于多重分组迭代区间分支定界技术的ddpc伺服系统故障预示方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于多重分组迭代区间分支定界技术的DDPC伺服系统故障预示方法，本方法构建了一种极端温度下面向健康监测的DDPC伺服系统故障预示方法并给出了多重分组迭代区间分支定界实现算法。本方法包括以下主要步骤：1）结合DDPC伺服系统的机理模型和不同工况下的试验数据，拟合出不同工况下的系统模型。2）根据频率响应及设定的能量准则，确定系统临界健康状态指标。3）提出一种多重分组迭代区间分支定界算法，拟合DDPC系统健康临界状态模型。4）根据临界模型的特性，可迅速预示系统异常状态。本方法实现方便，可扩展性好，预测精确度较高。
【专利说明】-种基于多重分组迭代区间分支定界技术的DDPC伺服系 统故障预示方法
【技术领域】
[0001] 本方法属于故障预示、健康监测领域，具体涉及一种面向健康监测的DDPC伺服系 统临界模型确立方法。
【背景技术】
[0002] 工业设备系统的故障预示与健康监测已成为研究热点。
[0003] 故障预示与健康监测力求在系统仍能正常工作时，利用可获取的信息，预示系统 退化过程及未来产生故障的可能性，并在线监测系统运行状态，出现健康异常，则及时采取 措施。
[0004] 工业设备系统的故障预示与健康监测方法，目前的研究主要依赖于经验知识及运 行数据。其中基于统计随机性的方法均需要大量的运行数据训练，且算法较为复杂，实时性 要求较难满足。
[0005] 目前直接针对机电系统故障分析的方法效率不高，利用机理模型不够充分，同时 也较少考虑到恶劣工况的影响。
[0006] DDPC伺服系统的结构成熟、机理清晰的特点，结合DDPC伺服系统机理模型与极端 环境下的运行数据，提出一种临界健康状态下的系统模型，可用以在线监测极端工作环境 下DDPC系统健康状态。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提出一种面向健康监测的DDPC伺服系统临界模型确立方法。
[0008] 本发明的技术方案如下所述： 基于多重分组迭代区间分支定界技术的DDPC伺服系统故障预示方法，包括以下步骤： (1) :根据动力学、流量连续方程，描述DDPC伺服系统数学关系，确定系统模型阶次； (2) :通过位移传感器获得DDPC伺服系统在不同工作环境下的运行数据； (3) :根据步骤（2)得到的运行数据结合步骤（1)中获得的系统模型阶次拟合出DDPC伺 服系统在不同工作环境下的系统模型参数； (4) :根据能量下降指标定义临界健康状态的数学模型； (5) :根据步骤（3)得到的系统模型参数形成用区间数表示的区间系统模型；用多重分 组迭代区间分支定界算法获得步骤（4)中定义的临界健康状态的数学模型； (5. 1)将待估计参数合理分组为^ = ,并确定参数的原始可行域为 t = ISl7Siy-^J1 ； (5. 2)初始化：= M = I 2, - --,M (5. 3)主循环： (5.3.1)在子可行域^中寻优： (5. 3. I. 1)预处理：计算目标函数在可行域4的上下界f，确定目标函数当前最小值 min 5 ； (5.3.1.2) 初始化：令"为4的列数。保留4至#>,清空4; (5. 3. 1. 3)分支：将参数细分为況部分：这里考察各个元素区间的宽度，总是将 最宽的元素等分，而保留其余元素不变，最后得到区间矩阵^2); (5. 3. 1. 4)定界：确定每一细分区域目标函数的上下界： 计算 W3s(If)) = Mlg_〇)| ; 确定当前循环目标函数最小值mm多2> ; (5. 3. L 5)剪枝： (5. 3. 1. 5. 1)将圹> 中宽度小于0. Ol的列移入￡/，余下按原顺序构成f5 ;对应逆2>中 的列移入￡丑，余下按原顺序构成; (5. 3. 1. 5. 2)若#>列数左不为0,则将f的所有列按顺序填充至&的第 /?-l+i(i=l，2,…，幻列中，同理将妒)的第Y列按顺序填充至5的第/7-1+i列中。剔除4与 透中对应目标函数下界大于当前最小目标函数值的部分，更新A。剔除结束后，若J 为非空，则按升序排列4与￡的列，并转至a);若丑为空，转至f); (5. 3. L 5. 3)若列数为0,转至f); (5.3. 1.6)输出： (5. 3. 1. 6. 1)令m为的D列数，若不为0,则计算mid(il：)中最小目标函数值，令对应 列数为r，则取U的第r列为符合条件的寻优结果皿叫；若>?2为〇,则报错； (5. 3. 1. 6. 2)剔除D与中对应目标函数下界大于最小目标函数值mm!的部分，输 出D与U ;输出最小目标函数值min^ = min^ ; (5. 3. L 6. 3)保留mi叫至寻优结果向量ResuItT中； (5.3.2) 在子可行域^中寻优： 步骤与（5. 1)中完全一致，更新A ,取D的第r列为符合条件的寻优结果Mii^2 ,输出 D与M ,输出最小目标函数值《皿馬=imnS ,保留至寻优结果向量RemHT中； (5. 3. M)在子可行域L中寻优： 步骤与（5.3. 1)中完全一致，更新t ,取Li的第r列为符合条件的寻优结果mint ，输出U与M ,输出最小目标函数值皿nI =_^，保留_!4至寻优结果向量ResultT 中； (5.3. M+1)判断式（10)是否成立：若成立，则寻优结束，退出主循环，转至（5. 4);否 则继续循环，转至（5. 1); (5. 4)计算寻优结果向量ResultT中值对应的目标函数值，并取最小值得到目标函数最 小值rnm5，对应ResultT第r列为最终寻优结果mint，算法结束。
[0009] (6):利用临界健康状态模型预示DDPC伺服系统健康状态。
[0010] 本发明中，步骤（1)中所述DDPC伺服系统模型阶次的确定，对于典型的DDPC位置 伺服系统由交流调速机构（电源、伺服驱动器、伺服电机)、泵控动力机构（齿轮泵、液压缸、 各类油路组件、溢流阀、液控单向阀)、计算机控制机构组成，可将高性能交流调速伺服机构
【权利要求】
1. 一种基于多重分组迭代区间分支定界技术的DDPC伺服系统故障预示方法，其特征 在于包括以下步骤： (1) :根据动力学、流量连续方程，描述DDPC伺服系统数学关系，确定系统模型阶次； (2) :通过位移传感器获得DDPC伺服系统在不同工作环境下的运行数据； (3) :根据步骤（2)得到的运行数据结合步骤（1)中获得的系统模型阶次拟合出DDPC伺 服系统在不同工作环境下的系统模型参数； (4) :根据能量下降指标定义临界健康状态的数学模型； (5) :根据步骤（3)得到的系统模型参数形成用区间数表示的区间系统模型；用多重分 组迭代区间分支定界算法获得步骤（4)中定义的临界健康状态的数学模型； (5. 1)将待估计参数合理分组为
，并确定参数的原始可行域为
(5. 2)初始化
(5. 3)主循环： (5.3.1)在子可行域《中寻优： (5. 3. 1. 1)预处理：计算目标函数在可行域4的上下界f,确定目标函数当前最小值min5 ； (5.3. 1.2)初始化：令《为4的列数；保留4至清空4 ; (5. 3. 1. 3)分支：将参数￡{4细分为#部分：这里考察各个元素区间的宽度，总是将 最宽的元素等分，而保留其余元素不变，最后得到区间矩阵圹1 ; (5. 3. 1. 4)定界：确定每一细分区域目标函数的上下界： 计算#2)(1^)=2018_〇)|; 确定当前循环目标函数最小值mm逆2> ; (5. 3. 1. 5)剪枝： (5.3. 1.5. 1)将圹> 中宽度小于0.01的列移入3，余下按原顺序构成f5 ;对应丑W中 的列移入ZZ，余下按原顺序构成; (5. 3. 1. 5. 2)若妒列数左不为0,则将f的所有列按顺序填充至（的第 /7-1+i(i=l，2,…，幻列中，同理将於3>的第i列按顺序填充至忍的第/7-1+i列中；剔除4与 5中对应目标函数下界大于当前最小目标函数值mm丑的部分，更新冕；剔除结束后，若丑 为非空，则按升序排列4与f的列，并转至a);若丑为空，转至f); (5. 3. 1. 5. 3)若列数为 0,转至f); (5.3. 1.6)输出： (5. 3. 1.6. 1)令m为的Z/列数，若不为0,则计算皿叫!：)中最小目标函数值，令对应 列数为r，则取U的第r列为符合条件的寻优结果;若M为0,则报错； (5. 3. 1. 6. 2)剔除U与W中对应目标函数下界大于最小目标函数值的部分，输 出D与M;输出最小目标函数值-11玛=?1115 ; (5. 3. 1. 6. 3)保留mi叫至寻优结果向量ResuitT中； (5.3.2)在子可行域4中寻优： 步骤与（5.1)中完全一致，更新&，取D的第r列为符合条件的寻优结果输出D与M,输出最小目标函数值111111馬=minS ,保留m叫至寻优结果向量ResultT中； (5.3.M))在子可行域4中寻优： 步骤与（5.3. 1))中完全一致，更新I,取L?的第r列为符合条件的寻优结果mmt，输出i/与M,输出最小目标函数值1^5^ ，保留《^4至寻优结果向量ResultT 中； (5. 3.M+1)判断式
是否成立：若成立，则寻优结束， 退出主循环，转至（5.4);否则继续循环，转至（5. 1); (5. 4)计算寻优结果向量ResultT中值对应的目标函数值，并取最小值得到目标函数最 小值mm5，对应ResultT第r列为最终寻优结果，算法结束； (6):利用临界健康状态模型预示DDPC伺服系统健康状态。
2.如权利要求1所述的一种基于多重分组迭代区间分支定界技术的DDPC伺服系统 故障预示方法，其特征在于步骤（1)中所述DDPC伺服系统模型阶次的确定，对于典型的 DDPC位置伺服系统由交流调速机构，可将高性能交流调速伺服机构的数学模型简化为一阶
惯性环节 ，其中："为交流伺服系统输出转速，"为交流伺服系统指令电压， Nui 乃为交流伺服系统电气时间常数，昊为交流伺服调速系统速度增益；根据可压缩流体连 续方程与牛顿第二定律，给定转速况与负载力珥时，泵控动力机构输出位移y的表达式为
其中：4为液压缸有效面积，4为定量泵排量，G为液压缸总泄漏系数，^为液 压缸容腔总体积，A为有效体积弹性模量，蛘为有效负载质量，4为粘性阻尼系数， 为液压固有频率，为液压阻尼比，记e(s)为控制器传递函数，为位置传感器 变送系数，V为闭环系统给定信号，则DDPC位置伺服系统输出位移7的表达式为：
DDPC位置伺服系统中位移70s)对伺服电机输入电压VCs)传递函数为：
若&Cs)采用比 例控制，则系统模型阶次为4。
3. 如权利要求1所述的一种基于多重分组迭代区间分支定界技术的DDPC伺服系统故 障预示方法，其特征在于步骤（2)中通过位移传感器获取DDPC伺服系统在不同温度为0°C ，-15T, -20'C或-30'C中任一种。
4. 如权利要求1所述的一种基于多重分组迭代区间分支定界技术的DDPC伺服系统故 障预示方法，其特征在于步骤（3)中采用最小二乘法拟合DDPC伺服系统不同工况下离散模 型参数，根据零极点匹配原则，考虑离散系统采样时间r,计算DDPC位置伺服控制系统连 续模型。
5. 如权利要求1所述的一种基于多重分组迭代区间分支定界技术的DDPC伺服系统故 障预示方法，其特征在于步骤（4)中设定系统临界健康状态指标为：在标称最差工况下系 统带宽频率对应的幅频响应再衰减6dB。
【文档编号】G06F19/00GK104408298SQ201410653966
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月17日 优先权日:2014年11月17日
【发明者】岳继光, 苏永清, 董延超, 孙强, 王艳明 申请人:同济大学