液體火箭發(fā)動機(jī)地面試車穩(wěn)態(tài)過程故障檢測參數(shù)選擇方法
【專利摘要】一種液體火箭發(fā)動機(jī)地面試車穩(wěn)態(tài)過程故障檢測參數(shù)選擇方法，首先基于發(fā)動機(jī)地面試車故障樣本數(shù)據(jù)，分析建立發(fā)動機(jī)在發(fā)生故障前工作狀態(tài)正常的試車過程中各測量參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征；在發(fā)動機(jī)故障樣本數(shù)據(jù)包含故障發(fā)生時(shí)刻的數(shù)據(jù)窗口內(nèi)，利用參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征結(jié)果信息，計(jì)算各測量參數(shù)背離其正常發(fā)展變化趨勢的時(shí)間點(diǎn)；建立故障檢測參數(shù)候選集，并進(jìn)行排序；基于發(fā)動機(jī)地面試車正常樣本數(shù)據(jù)，對排序后的故障檢測參數(shù)候選集逐個(gè)進(jìn)行排查，剔除與正常樣本數(shù)據(jù)中參數(shù)發(fā)展變化趨勢不一致的候選參數(shù)，得到發(fā)動機(jī)地面試車穩(wěn)態(tài)工作過程故障檢測的參數(shù)結(jié)果集。本發(fā)明有效提高了故障檢測參數(shù)對發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)地面試車穩(wěn)態(tài)過程故障檢測參數(shù)選擇方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明具體涉及液體火箭發(fā)動機(jī)故障檢測領(lǐng)域，特指一種應(yīng)用于液體火箭發(fā)動機(jī) 地面試車穩(wěn)態(tài)工作過程故障檢測參數(shù)的選擇方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 液體火箭發(fā)動機(jī)是運(yùn)載火箭的核心動力裝置。為確保航天發(fā)射任務(wù)的成功，液體 火箭發(fā)動機(jī)在裝箭和正式交付使用之前，需要進(jìn)行大量的地面試車，以考核和驗(yàn)證性能指 標(biāo)，改進(jìn)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
[0003] 為進(jìn)行各種性能狀態(tài)參數(shù)的測量，液體火箭發(fā)動機(jī)地面試車過程中布設(shè)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(gè)部件和流量、轉(zhuǎn)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(shù)。特別是近年來隨著聲、光、電、磁 等先進(jìn)測量技術(shù)的不斷應(yīng)用和手段的多樣化，測量信號的數(shù)量越發(fā)眾多、種類越發(fā)復(fù)雜。
[0004] 故障檢測是有效提高液體火箭發(fā)動機(jī)地面試車可靠性和安全性的重要技術(shù)手段。 其通過對液體火箭發(fā)動機(jī)地面試車過程是否發(fā)生故障做出及時(shí)、可靠的判斷，并提供給控 制系統(tǒng)采取緊急關(guān)機(jī)、調(diào)節(jié)工作狀態(tài)等故障控制措施，可有效避免危險(xiǎn)性或?yàn)?zāi)難性事故的 發(fā)生，保護(hù)人員、設(shè)備和財(cái)產(chǎn)的安全。
[0005] 故障檢測的前提和基礎(chǔ)是液體火箭發(fā)動機(jī)地面試車過程中測量的各種數(shù)據(jù)和信 息。因此，如何在液體火箭發(fā)動機(jī)地面試車的眾多測量參數(shù)中，優(yōu)化選取對發(fā)動機(jī)故障敏感 性好、識別能力強(qiáng)的監(jiān)測參數(shù)，是液體火箭發(fā)動機(jī)地面試車故障檢測必須解決的關(guān)鍵技術(shù) 問題之一。
[0006] 一般而言，發(fā)動機(jī)地面試車過程中，由于各種交變應(yīng)力的作用，其結(jié)構(gòu)部件的損傷 將逐漸累積，并最終演變發(fā)展為結(jié)構(gòu)破壞、失效等嚴(yán)重故障。在發(fā)動機(jī)故障的上述演變發(fā)展 過程中，部分性能狀態(tài)參數(shù)會發(fā)生變化，而這些參數(shù)的變化實(shí)際上代表了發(fā)動機(jī)發(fā)生故障 的征兆。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為優(yōu)化選取對發(fā)動機(jī)故障敏感性好、識別能力強(qiáng)的故障檢測參數(shù)，本發(fā)明提出一 種液體火箭發(fā)動機(jī)地面試車穩(wěn)態(tài)過程故障檢測參數(shù)選擇方法。
[0008] 本發(fā)明一種液體火箭發(fā)動機(jī)地面試車穩(wěn)態(tài)過程故障檢測參數(shù)選擇方法的技術(shù)方 案是，將測量參數(shù)對發(fā)動機(jī)故障的敏感性作為故障檢測參數(shù)選擇的標(biāo)準(zhǔn)，然后利用液體火 箭發(fā)動機(jī)歷史試車數(shù)據(jù)，進(jìn)行下述步驟：基于發(fā)動機(jī)地面試車故障樣本數(shù)據(jù)，分析建立發(fā)動 機(jī)在發(fā)生故障前工作狀態(tài)正常的試車過程中各測量參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征，其代表了發(fā)動機(jī)在該 次試車過程中測量參數(shù)的正常發(fā)展變化趨勢；在發(fā)動機(jī)故障樣本數(shù)據(jù)包含故障發(fā)生時(shí)刻的 數(shù)據(jù)窗口內(nèi)，利用參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征結(jié)果信息，計(jì)算各測量參數(shù)背離其正常發(fā)展變化趨勢的時(shí) 間點(diǎn)；剔除在數(shù)據(jù)窗口內(nèi)滿足正常發(fā)展變化趨勢的測量參數(shù)，將剩余的參數(shù)作為發(fā)動機(jī)地 面試車穩(wěn)態(tài)工作過程故障檢測的參數(shù)候選集，并利用時(shí)間點(diǎn)結(jié)果信息，對候選參數(shù)進(jìn)行排 序；基于發(fā)動機(jī)地面試車正常樣本數(shù)據(jù)，對排序后的故障檢測參數(shù)候選集逐個(gè)進(jìn)行排查，剔 除與正常樣本數(shù)據(jù)中參數(shù)發(fā)展變化趨勢不一致的候選參數(shù)，得到發(fā)動機(jī)地面試車穩(wěn)態(tài)工作 過程故障檢測的參數(shù)結(jié)果集。
[0009] 本發(fā)明的有益效果是：參數(shù)的敏感性具體由參數(shù)在發(fā)動機(jī)發(fā)生故障之前和之后一 定時(shí)間的數(shù)據(jù)窗口內(nèi)的變化趨勢來描述，而不僅僅只考慮發(fā)動機(jī)故障發(fā)生后的變化趨勢， 有效提高了故障檢測參數(shù)對發(fā)動機(jī)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(shí)性、準(zhǔn)確性，以及優(yōu)化發(fā)動機(jī)地面試車傳感器測量節(jié)點(diǎn)配置、減少測量傳感器 數(shù)量等都具有十分重要的意義和價(jià)值。同時(shí)，本發(fā)明專利首先利用故障樣本數(shù)據(jù)基于故障 敏感性的標(biāo)準(zhǔn)對發(fā)動機(jī)地面試車的測量參數(shù)進(jìn)行刪減，建立參數(shù)候選集，然后利用正常樣 本數(shù)據(jù)對候選參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，進(jìn)一步刪減測量參數(shù)，得到最終的故障檢測參數(shù)，從而避免了 將所有測量參數(shù)參與全部運(yùn)算，減少了計(jì)算量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 圖1為本發(fā)明的方法流程示意圖。
[0011] 以下將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

【具體實(shí)施方式】
[0012] 如圖1所示，本實(shí)施例的假設(shè)共有m組液體火箭發(fā)動機(jī)地面試車的故障樣本數(shù)據(jù)， 記為F1,F2. ..，F(xiàn)m，相應(yīng)的故障發(fā)生時(shí)刻分別為T1,T2. ..，Tm，s組液體火箭發(fā)動機(jī)地面試車的 正常樣本數(shù)據(jù)，截取其中的穩(wěn)態(tài)工作過程數(shù)據(jù)作為檢驗(yàn)樣本，記為N1,N2,...，Ns。發(fā)動機(jī)地 面試車過程中的測量參數(shù)集為X=Ix1,X2. ..，xn}。
[0013] 步驟一：建立發(fā)動機(jī)在發(fā)生故障前工作狀態(tài)正常的試車過程中各測量參數(shù)的統(tǒng)計(jì) 特征及其正常狀態(tài)區(qū)間范圍。
[0014] 事先給定數(shù)值M(M為待分析的數(shù)據(jù)區(qū)間中測量數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)）。在故障樣本數(shù)據(jù) ?』(」=1，...，111)中，計(jì)算其故障發(fā)生時(shí)刻1^(」=1，...，111)前第2\1到第1個(gè)測量數(shù)據(jù) 點(diǎn)之間參數(shù)XiQ= 1，...，η)的均值和方差，分別為：

【權(quán)利要求】
1. 一種液體火箭發(fā)動機(jī)地面試車穩(wěn)態(tài)過程故障檢測參數(shù)選擇方法，其特征在于： 步驟一：基于發(fā)動機(jī)地面試車故障樣本數(shù)據(jù)，分析建立發(fā)動機(jī)在發(fā)生故障前工作狀態(tài) 正常的試車過程中各測量參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征及其正常狀態(tài)區(qū)間范圍； 步驟二：在發(fā)動機(jī)故障樣本數(shù)據(jù)包含故障發(fā)生時(shí)刻的數(shù)據(jù)窗口內(nèi)，利用參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征 結(jié)果信息，計(jì)算各測量參數(shù)超出正常狀態(tài)區(qū)間范圍的時(shí)間點(diǎn)； 步驟三：剔除在數(shù)據(jù)窗口內(nèi)滿足正常發(fā)展變化趨勢的測量參數(shù)，將剩余的參數(shù)作為發(fā) 動機(jī)地面試車穩(wěn)態(tài)工作過程故障檢測的參數(shù)候選集，并利用時(shí)間點(diǎn)結(jié)果信息，對候選參數(shù) 進(jìn)tx排序； 步驟四：基于發(fā)動機(jī)地面試車正常樣本數(shù)據(jù)，對排序后的故障檢測參數(shù)候選集逐個(gè)進(jìn) 行排查，剔除與正常樣本數(shù)據(jù)中參數(shù)發(fā)展變化趨勢不一致的候選參數(shù)，得到發(fā)動機(jī)地面試 車穩(wěn)態(tài)工作過程故障檢測的參數(shù)結(jié)果集。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體火箭發(fā)動機(jī)地面試車穩(wěn)態(tài)過程故障檢測參數(shù)選擇方法， 其特征在于： 步驟一：基于發(fā)動機(jī)地面試車故障樣本數(shù)據(jù)，分析建立發(fā)動機(jī)在發(fā)生故障前工作狀態(tài) 正常的試車過程中各測量參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征及其正常狀態(tài)區(qū)間范圍；其具體步驟如下： 假設(shè)共有m組液體火箭發(fā)動機(jī)地面試車的故障樣本數(shù)據(jù)，記為匕，F(xiàn)2. . .，F(xiàn)m，相應(yīng)的故 障發(fā)生時(shí)刻分別為1\，T2. . .，Tm，s組液體火箭發(fā)動機(jī)地面試車的正常樣本數(shù)據(jù)，截取其中的 穩(wěn)態(tài)工作過程數(shù)據(jù)作為檢驗(yàn)樣本，記為&，N2, ...，Ns，發(fā)動機(jī)地面試車過程中的測量參數(shù)集 為X= {x"x2. ? ?，xn}; a、 事先給定數(shù)值M，M為待分析的數(shù)據(jù)區(qū)間中測量數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；在故障樣本數(shù)據(jù)Fj(j =l，...，m)中，計(jì)算其故障發(fā)生時(shí)刻Tj(j=l，...，m)前第2XM到第M個(gè)測量數(shù)據(jù)點(diǎn)之 間參數(shù)Xi(i= 1，. . .，n)的均值和方差，分別為：
式（1)和式（2)中，下標(biāo)"i"表示第i個(gè)測量參數(shù)，上標(biāo)"j"表示第j組故障樣本數(shù)據(jù)， <(幻表示測量參數(shù)\在故障樣本數(shù)據(jù)中第k個(gè)測量數(shù)據(jù)點(diǎn)的值；由于將故障發(fā)生時(shí)刻 作為第〇個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，因此，k的取值范圍為[-2M+1，-M]; b、 建立故障樣本數(shù)據(jù)Fj(j= 1，. . .，m)中測量參數(shù)xji= 1，. . .，n)的狀態(tài)區(qū)間：
該狀態(tài)區(qū)間代表了在故障樣本數(shù)據(jù)h中，發(fā)動機(jī)在發(fā)生故障前參數(shù)x,的正常變化范 圍； 步驟二：在發(fā)動機(jī)故障樣本數(shù)據(jù)包含故障發(fā)生時(shí)刻的數(shù)據(jù)窗口內(nèi)，利用參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征 結(jié)果信息，計(jì)算各測量參數(shù)超出正常狀態(tài)區(qū)間范圍的時(shí)間點(diǎn)；其具體步驟如下： 在故障樣本數(shù)據(jù)h(j=l，...，m)包含故障發(fā)生時(shí)刻的數(shù)據(jù)窗口內(nèi)，判斷式（4)是否 成立：
若成立，說明測量參數(shù)\超出了其正常變化范圍，是故障樣本數(shù)據(jù)Fj中故障的征兆，因 而可作為故障檢測的備選參數(shù)；同時(shí)，為避免測量數(shù)據(jù)的野點(diǎn)等對結(jié)果的影響，采取持續(xù)判 斷準(zhǔn)則：即只有連續(xù)三個(gè)測量點(diǎn)的數(shù)據(jù)都滿足式（4)，才能認(rèn)為測量參數(shù) Xi超出了其正常 變化范圍，記測量參數(shù)Xi第三次滿足式（4)的測量時(shí)間點(diǎn)為(/;若測量參數(shù)在數(shù)據(jù)窗口內(nèi)均 不滿足式（4)或即使式（4)成立，但不滿足持續(xù)判斷準(zhǔn)則，則認(rèn)為該參數(shù)對故障不敏感，其 超出正常變化范圍的時(shí)間點(diǎn)記為某個(gè)未知量" 0 " ； 步驟三：剔除在數(shù)據(jù)窗口內(nèi)滿足正常發(fā)展變化趨勢的測量參數(shù)，將剩余的參數(shù)作為發(fā) 動機(jī)地面試車穩(wěn)態(tài)工作過程故障檢測的參數(shù)候選集，并利用時(shí)間點(diǎn)結(jié)果信息，對候選參數(shù) 進(jìn)行排序；其具體步驟如下： a、 將故障樣本數(shù)據(jù)中各測量參數(shù)超出正常變化范圍的時(shí)間點(diǎn)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(yīng)的測量參數(shù)集X= {xP，xP+1，. . .，xQ}即為建立的故障檢測參數(shù)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(zhuǎn)置； 將向量W中元素按從小到大的順序進(jìn)行排序，其對應(yīng)的測量參數(shù)集（仍記為X= {xP，Xp+1，. . .，xQ})實(shí)際上已將候選參數(shù)按故障表征的及時(shí)性進(jìn)行了重新排序； 步驟四：基于發(fā)動機(jī)地面試車正常樣本數(shù)據(jù)，對排序后的故障檢測參數(shù)候選集逐個(gè)進(jìn) 行排查，剔除與正常樣本數(shù)據(jù)中參數(shù)發(fā)展變化趨勢不一致的候選參數(shù)，得到發(fā)動機(jī)地面試 車穩(wěn)態(tài)工作過程故障檢測的參數(shù)結(jié)果集； 對排序后的故障檢測參數(shù)候選集依次進(jìn)行檢驗(yàn)，即判斷式（8)是否成立：
式（8)中，"v/(幻表示第j個(gè)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本中第i個(gè)候選參數(shù)的第k個(gè)測量數(shù)據(jù)值，yi為根據(jù)式（1)計(jì)算得到的m個(gè)均值的均值；記〇_為根據(jù)式（2)計(jì)算得到的m個(gè)方差中的 最大值，其所對應(yīng)的式（1)中的均值為yMX，〇i=yMX-yi+〇MX; 同樣，為了避免數(shù)據(jù)野點(diǎn)對檢驗(yàn)結(jié)果的影響，依然采取持續(xù)判斷準(zhǔn)則：即只有連續(xù)三個(gè) 測量點(diǎn)的數(shù)據(jù)都不滿足式（8)，才能將對應(yīng)的測量參數(shù)從候選集中剔除，最后得到的參數(shù)候 選集即為發(fā)動機(jī)地面試車穩(wěn)態(tài)工作過程故障檢測的參數(shù)結(jié)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(yōu)先權(quán)日:2014年12月3日
【發(fā)明者】吳建軍, 劉洪剛, 聶僥, 程玉強(qiáng), 黃強(qiáng), 李艷軍, 彭小輝 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)