本發(fā)明提供一種基于Modelica模型的故障管理方法，屬于復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著機(jī)電系統(tǒng)的復(fù)雜程度不斷攀升，為了提高系統(tǒng)的可靠性，針對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的故障檢測(cè)和健康管理變得越來(lái)越重要。且對(duì)系統(tǒng)實(shí)施故障檢測(cè)和健康管理的相關(guān)算法，需要可靠的預(yù)測(cè)模型結(jié)合有效的故障管理方法，以保證觸發(fā)系統(tǒng)的所有可能故障。因此，一個(gè)統(tǒng)一、可靠的故障管理方法是實(shí)施系統(tǒng)故障檢測(cè)和健康管理的重要環(huán)節(jié)。

基于Modelica模型的故障管理方法，實(shí)現(xiàn)了仿真模型和故障模型的統(tǒng)一管理。并為下一步基于Modelica模型的故障檢測(cè)，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，提供了有效的實(shí)施手段。

目前，基于Modelica模型的故障管理方法不能夠統(tǒng)一，各種方法存在各自的缺點(diǎn)，使得基于Modelica模型的故障檢測(cè)，不能夠相互匹配。

(1)[Inclusion of Reliability and Safety Analysis Methods in Modelica.In Inclusion of Reliability and Safety Analysis Methodsin Modelica(June 2011),pp.616–627]中，Modelica故障管理,采用參數(shù)類型數(shù)據(jù)定義故障，不能管理變量類型故障，無(wú)法反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)屬性。

(2)[Fault Detection of Power Electronic Circuit using Wavelet Analysis in Modelica.In Proceedings of the 9th International MODELICA Conference(Munich,Germany,Sept.2012),no.76,pp.513–522]中，只能管理預(yù)先設(shè)置的故障類型，不能根據(jù)需求定義故障的類型。

(3)[A Tool for Simulation-based Test of Mechatronic Designs.In Proceedings of the 6th International Modelica Conference(2008)pp.341–348]中，Modelica故障實(shí)施中，通過(guò)外部程序設(shè)定不確定的間隔并結(jié)合模型行為來(lái)實(shí)施故障管理，故不支持統(tǒng)一的故障注入方式。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)本發(fā)明的目的在于提供一種基于Modelica模型的故障管理方法，以改善現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷。該方法按照故障分析、故障分類、故障建模、故障提取、故障注入的流程，實(shí)現(xiàn)Modelica故障模型的統(tǒng)一管理。該方法的優(yōu)點(diǎn)是：

1)針對(duì)系統(tǒng)故障分析的結(jié)果，應(yīng)用故障分類建立的Modelica標(biāo)準(zhǔn)化故障管理包，實(shí)現(xiàn)根據(jù)需求定義故障元件，便于故障元件柔性化建模。

2)針對(duì)完成的故障元件建模，自動(dòng)提取系統(tǒng)故障元件信息到統(tǒng)一界面，便于統(tǒng)一的故障管理。

3)針對(duì)參數(shù)故障和變量故障，分別選用統(tǒng)一的故障注入方式，便于不同的故障診斷方式，選用相同的故障注入方式進(jìn)行故障管理。

(二)技術(shù)方案

本發(fā)明是一種基于Modelica模型的故障管理方法，其實(shí)現(xiàn)的技術(shù)流程包括：故障分析、故障分類、故障建模、故障提取、故障注入。本發(fā)明首先針對(duì)具體的機(jī)電系統(tǒng)Modelica模型，分析其常見故障，及其產(chǎn)生故障的原因；并通過(guò)歸納故障類型和Modelica數(shù)據(jù)類型，建立Modelica標(biāo)準(zhǔn)化故障管理包，然后根據(jù)故障分析、故障分類，利用Modelica標(biāo)準(zhǔn)化故障管理包，建立相應(yīng)故障元件；由于采用了Modelica標(biāo)準(zhǔn)化故障管理包對(duì)故障元件建模，通過(guò)分析Modelica元件故障模型樹，可提取系統(tǒng)故障元件信息到統(tǒng)一的界面，最后針對(duì)參數(shù)類型故障和變量類型故障，分別采用統(tǒng)一的故障注入方式，實(shí)現(xiàn)基于Modelica模型的故障管理。

本發(fā)明是一種基于Modelica模型的故障管理方法，該方法具體步驟(見圖1)如下：

步驟一：故障分析

針對(duì)具體的機(jī)電系統(tǒng)Modelica模型，分析其常見故障，及其產(chǎn)生故障的原因，得出機(jī)電系統(tǒng)的可能故障項(xiàng)，其作法如下：

a)將Modelica模型按照“系統(tǒng)模型——子系統(tǒng)模型——部件模型”逐級(jí)分解；

b)各級(jí)部件模塊的輸入均為機(jī)電系統(tǒng)的可能故障原因；

c)根據(jù)實(shí)際需求，從可能故障原因中，選取其為機(jī)電系統(tǒng)故障項(xiàng)。

步驟二：故障分類

通過(guò)歸納故障類型和Modelica數(shù)據(jù)類型，建立Modelica標(biāo)準(zhǔn)化故障管理包；其中Modelica標(biāo)準(zhǔn)化故障管理包，由故障類型和Modelica數(shù)據(jù)類型定義而成；

步驟三：故障建模

針對(duì)故障分析得到的可能故障項(xiàng)，根據(jù)故障分析、故障分類，利用Modelica標(biāo)準(zhǔn)化故障管理包，建立相應(yīng)故障元件；為便于故障元件柔性化建模，可靈活采用文本式建模和圖形式建模兩種方式；

步驟四：故障提取

分析Modelica元件故障模型樹(見圖2)，帶閃電圖為故障元件)，檢索元件中是否包含Modelica標(biāo)準(zhǔn)化故障管理包(步驟二)定義的數(shù)據(jù)，提取機(jī)電系統(tǒng)的故障元件信息到統(tǒng)一界面；

步驟五：故障注入

實(shí)現(xiàn)更改Modelica模型中故障元件的參數(shù)，包括有參數(shù)類型故障注入和變量類型故障注入。

其中，在步驟二中所述的“故障類型”，分為參數(shù)類型故障和變量類型故障；

參數(shù)類型故障，是指相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的仿真時(shí)間而言，期間參數(shù)數(shù)值不變或變化很小(可忽略不計(jì))的故障類型；參數(shù)類型故障，在仿真開始前指定，整個(gè)仿真過(guò)程中，參數(shù)值不發(fā)生變化；常見的參數(shù)類型故障有：1)齒輪副間隙；2)電阻或電容值；3)傳動(dòng)系統(tǒng)中的滑油粘度；由于參數(shù)類型故障具有的固有物理屬性，在整個(gè)仿真過(guò)程中幾乎不發(fā)生變化，故無(wú)需仿真參數(shù)類型故障的動(dòng)態(tài)屬性；

變量類型故障，是指在整個(gè)系統(tǒng)的仿真過(guò)程中，變量值發(fā)生明顯變化的故障類型，在仿真過(guò)程中這些量發(fā)生變化，反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)屬性(是工程師比較關(guān)注的問(wèn)題)；常見的變量類型故障有：1)半導(dǎo)體元件的短路電流；2)液壓油管路的泄露；3)齒箱齒輪的磨損；由于變量類型故障，在仿真過(guò)程中發(fā)生變化，反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)屬性，故需仿真變量類型故障的動(dòng)態(tài)屬性。

其中，在步驟二中所述的“Modelica數(shù)據(jù)類型”分為：1)布爾型(Boolean)數(shù)據(jù)，可用來(lái)表示布爾型的Modelica故障，該類型故障只有兩種離散的故障狀態(tài)，如電纜的斷開故障；2)整數(shù)型(Integer)數(shù)據(jù)，可用來(lái)表示整數(shù)型的Modelica故障，該類型故障有多種并聯(lián)的故障狀態(tài)，如半導(dǎo)體元件的可能工作狀態(tài)：(a)正常運(yùn)行；(b)短路狀態(tài)；(c)開路狀態(tài)；3)實(shí)數(shù)型(Real)數(shù)據(jù)，可用來(lái)表示實(shí)數(shù)型的Modelica故障，該類型故障采用連續(xù)變化的不同實(shí)數(shù)值來(lái)表示，如，(a)滑油粘度；(b)軸承摩擦力；(c)電容容量等。

其中，在步驟二中所述的“Modelica標(biāo)準(zhǔn)化故障管理包”由故障類型和Modelica數(shù)據(jù)類型定義而成，其故障數(shù)據(jù)類型共有六種，如圖3所示；Modelica標(biāo)準(zhǔn)化故障管理包中的故障數(shù)據(jù)類型采取統(tǒng)一的命名方式，便于后續(xù)的故障提取(見步驟四)提供方便；如參數(shù)型_實(shí)數(shù)_故障命名為Parameter_Fault_Real；變量型_實(shí)數(shù)_故障命名為Variable_Fault_Real，依次類推，定義其余故障；

參數(shù)型_實(shí)數(shù)_故障(Parameter_Fault_Real)的Modelica代碼，定義如下：

type Parameter_Fault_Real＝Real"Value of the Real Fault"；

變量型_實(shí)數(shù)_故障(Variable_Fault_Real)的Modelica代碼，定義如下：

record Variable_Fault_Real"External Fault Triggering parameters"

Boolean externalFaultOn＝false"External fault controlling(true＝global)"；

Integer faultIndex＝1"External fault index"；

Integer faultMode＝1"Optional fault mode for model reconfiguration"；

end Variable_Fault_Real；

變量類型故障相對(duì)于參數(shù)類型故障，采用了額外參數(shù)進(jìn)行故障定義，如下：

1)externalFaultOn，用來(lái)設(shè)置該變量類型故障，是采用內(nèi)部的默認(rèn)變量還是采用外部的全局變量為其故障注入(見步驟五)方式；

2)faultIndex，為全局外部變量編號(hào)，明確該變量類型故障屬于第幾個(gè)全局外部變量(見步驟三)；

3)faultMode，用來(lái)設(shè)置該變量類型故障的不同故障狀態(tài)。

其中，在步驟三中所述的“文本式建模方式”，是根據(jù)元件的建模需求，直接繼承(extends)Modelica代碼到元件當(dāng)中，形成故障元件；以參數(shù)型_實(shí)數(shù)_故障(Parameter_Fault_Real)為例，文本式建模方式的Modelica代碼如下：

block InternalConstantRealFault

"Generate constant Fault of type Real"

extends FaultTriggering.Utilities.Icons.RealFault；

parameter FaultTriggering.Utilities.Types.Parameter_Fault_Real

constRealFault＝1"Constant output value"；

end InternalConstantRealFault。

其中，在步驟三中所述的“圖形式建模方式”，首先分別繼承文本式建模方式的Modelica代碼(extends FaultTriggering.FaultOutput.Internal.InternalConstantRealFault)和Modelica標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)輸出(extends Modelica.Blocks.Interfaces.SO)；然后根據(jù)元件的故障輸入，在Modelica圖形式建模界面，直接拖拽圖形式故障圖標(biāo)作為輸入和元件連接，兩者連接組成故障元件；以參數(shù)型_實(shí)數(shù)_故障(Parameter_Fault_Real)為例，圖形式建模方式的Modelica代碼如下：

其中，在步驟三中所述的“文本式建模方式和圖形式建模方式”，不僅適用于參數(shù)類型故障建模，而且適用于變量類型故障建模；變量類型故障元件建模，涉及到全局變量的選取問(wèn)題；

為全局外部變量編號(hào)，解決全局變量的選取問(wèn)題，將全局變量集中定義在FaultTrigger模型(由Partial_Fault Trigger模型擴(kuò)展而來(lái))中，Partial_Fault Tirgger模型的Modelica代碼如下：

在Partial_Fault Tirgger模型，針對(duì)變量類型故障的選取問(wèn)題：以變量型_實(shí)數(shù)_故障(Variable_Fault_Real)為例，通過(guò)定義參數(shù)realFaultSize和定義實(shí)數(shù)型變量數(shù)組realFault[realFaultSize]實(shí)現(xiàn)；整型(integer)和布爾型(Boolean)采用類似的方式實(shí)現(xiàn)。

其中，在步驟四中所述的“Modelica元件故障模型樹(見圖2)”，是當(dāng)有故障元件出現(xiàn)時(shí)，由于Modelica模型的層級(jí)組織方式形成的；所有的故障元件都以故障模型樹的形式存在于Modelica模型庫(kù)當(dāng)中；該Modelica元件故障模型樹生成步驟：

a)獲取機(jī)電系統(tǒng)Modelica模型的元件總個(gè)數(shù)；

b)判斷每個(gè)元件中是否包含Modelica標(biāo)準(zhǔn)化故障管理包中定義的數(shù)據(jù)(如果有，該元件則為故障元件)；

c)獲取故障元件的名稱、參數(shù)變量、所屬M(fèi)odelica系統(tǒng)中的路徑、前后元件結(jié)點(diǎn)等信息；

d)依據(jù)Modelica模型的層級(jí)組織方式，生成系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的Modelica元件故障模型樹。

其中，在步驟四中所述的“統(tǒng)一界面”，參數(shù)類型故障，是將故障元件信息直接推送到，圖4所示框圖；變量類型故障，是將故障元件信息統(tǒng)一收集在FaultTrigger模型中，在圖形化編輯界面展開FaultTrigger模型，即顯示故障元件信息的統(tǒng)一界面(見圖5)。

其中，在步驟五中所述的“參數(shù)類型故障注入”，是指每個(gè)參數(shù)類型故障，都由模型中的一個(gè)參數(shù)定義，參數(shù)類型的故障元件信息可在統(tǒng)一界面(圖4)管理，通過(guò)修改參數(shù)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)類型故障注入。

其中，在步驟五中所述的“變量類型故障注入”，首先在Modelica故障元件中采用Inner-Outter結(jié)構(gòu)，然后設(shè)置externalFaultOn與FaultTrigger模型進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，如下Modelica代碼段，最后在步驟四故障元件信息統(tǒng)一界面(圖5)進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)變量類型故障注入；

通過(guò)以上步驟，實(shí)現(xiàn)了基于Modelica模型的故障管理，具有故障元件柔性化建模，統(tǒng)一的故障管理界面，采用了統(tǒng)一的故障注入方式，便于后續(xù)故障管理相關(guān)搜尋方法的應(yīng)用。

(三)優(yōu)點(diǎn)及有益效果

本發(fā)明采用Modelica建模技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)的故障管理，憑借Modelica語(yǔ)言建模簡(jiǎn)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)電液耦合性較強(qiáng)的復(fù)雜系統(tǒng)?？筛鶕?jù)實(shí)際要求，柔性建立故障元件，并采用統(tǒng)一的界面實(shí)施故障管理，自動(dòng)提取系統(tǒng)中的故障元件，縮短了新品測(cè)試仿真的開發(fā)時(shí)間；并為后續(xù)的故障診斷，提供了統(tǒng)一、可靠的故障管理方法，縮短了后續(xù)故障診斷平臺(tái)的建設(shè)周期。

附圖說(shuō)明

圖1本發(fā)明所述方法流程圖。

圖2 Modelica元件故障模型樹。

圖3 Modelica故障數(shù)據(jù)類型。

圖4參數(shù)類型故障統(tǒng)一界面。

圖5變量類型故障統(tǒng)一界面。

圖6電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)Modelica模型。

圖7傳動(dòng)系統(tǒng)Modelica故障模型。

圖8電機(jī)系統(tǒng)Modelica故障模型。

圖中序號(hào)、符號(hào)、代號(hào)說(shuō)明如下：

圖5中，motorKtFailure為電機(jī)模塊傳感器失效故障；drivelineFriction為傳動(dòng)模塊剎車片摩擦力變化故障；motorSpeedSenor為電機(jī)模塊傳感器失效故障；drivelineBearing傳動(dòng)模塊軸承失效模式故障。

圖6中，driveline為傳動(dòng)系統(tǒng)Modelica故障模型，具體如圖7所示；motor為電機(jī)系統(tǒng)Modelica故障模型，具體如圖8所示。

圖7中，帶閃電圖標(biāo)元件為傳動(dòng)系統(tǒng)的故障項(xiàng)。

圖8中，帶閃電圖標(biāo)元件為電機(jī)系統(tǒng)的故障項(xiàng)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不限定本發(fā)明。

本實(shí)例為電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)Modelica模型(圖6)，在Dymola的操作平臺(tái)上實(shí)施。

本發(fā)明一種基于Modelica模型的故障管理方法，見圖1所示，其實(shí)施的具體步驟如下：

步驟一：故障分析。針對(duì)具體的機(jī)電系統(tǒng)Modelica模型，分析其常見故障，及其產(chǎn)生故障的原因，得出機(jī)電系統(tǒng)的可能故障項(xiàng)。實(shí)例中的可能故障項(xiàng)有：

1)傳動(dòng)模塊剎車片不接觸故障

2)傳動(dòng)模塊剎車片摩擦力變化故障

3)傳動(dòng)模塊軸承失效模式故障

4)傳動(dòng)模塊傳感器失效故障

5)電機(jī)模塊傳感器失效故障

6)電機(jī)模塊控制參數(shù)故障

步驟二：故障分類。利用定義好的Modelica標(biāo)準(zhǔn)化故障管理包，根據(jù)圖3對(duì)上述故障一一分類，如下：

1)傳動(dòng)模塊剎車片不接觸故障——參數(shù)型_布爾_故障

2)傳動(dòng)模塊剎車片摩擦力變化故障——變量型_實(shí)數(shù)_故障

3)傳動(dòng)模塊軸承失效模式故障——變量型_整型_故障

4)傳動(dòng)模塊傳感器失效故障——參數(shù)型_布爾_故障

5)電機(jī)模塊傳感器失效故障——變量型_布爾_故障

6)電機(jī)模塊控制參數(shù)故障——變量型_整型_故障

步驟三：故障建模。傳動(dòng)系統(tǒng)中的故障元件和機(jī)電系統(tǒng)的故障元件，分別為圖7、8中帶閃電圖標(biāo)的元件。其中，圖7 disconnect、friction元件和圖8 KtFault元件采用圖形式建模方式，與對(duì)應(yīng)的元件組合形成故障元件。其余帶閃電圖標(biāo)的元件，直接繼承(extends)Modelica代碼到元件當(dāng)中，形成故障元件。

步驟四：故障提取。機(jī)電系統(tǒng)的故障元件形成如圖2示意的故障模型樹，提取機(jī)電系統(tǒng)的故障元件信息到統(tǒng)一界面。其中，參數(shù)類型故障的故障元件信息統(tǒng)一界面，如圖4。變量類型故障的故障元件信息統(tǒng)一界面，如圖5。

步驟五：故障注入。實(shí)現(xiàn)更改Modelica模型元件的參數(shù)。

其中，參數(shù)類型故障的注入，在圖4參數(shù)類型統(tǒng)一界面修改實(shí)現(xiàn)；變量類型故障的注入，在圖5變量類型統(tǒng)一界面修改實(shí)現(xiàn)。