一种基于多模型的液压作动器故障诊断方法

摘要

本发明公开了一种基于多模型的液压作动器故障诊断方法，属于机械设备故障诊断领域。所述方法包括建立液压作动器的状态空间模型和多故障模型，将实际输出与各个模型输出作差，得到残差；利用积分型性能指标判定液压作动器状态。本发明建立的状态空间模型能够描述液压作动器内部信息的传递，由于液压作动器的状态空间模型中的参数都具有实际意义，因而参数矩阵的变化能够代表液压作动器的状态变化情况，不同的参数能够代表液压作动器处于不同的工况，从而实现液压作动器的故障诊断。

主权项

一种基于多模型的液压作动器故障诊断方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：建立液压作动器的状态空间模型；液压作动器的输入为伺服阀输入电压u，液压缸活塞杆位移x_p，则液压作动器的状态方程为：或矩阵A如下：$A=\left[\begin{array}{cccc}\frac{1}{\tau }& 0& 0& 0\\ 0& -\frac{B_p}{m_t}& \frac{A_p}{m_t}& -\frac{A_p}{m_t}\\ \frac{{\beta }_e{C}_{d}W}{V_1}\sqrt{\frac{2}{\rho }(p_s-x_3)}& -\frac{{\beta }_e{A}_p}{V_1}& -\frac{{\beta }_e}{V_1}{C}_{ip}& \frac{{\beta }_e}{V_1}{C}_{ip}\\ -\frac{{\beta }_e{C}_{d}W}{V_2}\sqrt{\frac{2}{\rho }(x_4-p_0)}& \frac{{\beta }_e}{V_2}{A}_p& \frac{{\beta }_e}{V_2}{C}_{ip}& -\frac{{\beta }_e}{V_2}{C}_{ip}\end{array}\right]---\left(16\right)$f(x,u)定义如下：$\left\{\begin{array}{c}f(x_1,u)=\frac{k_p}{\tau }u\\ f(x_2,u)=0\\ \left\{\begin{array}{cc}f(x_3,u)=\frac{{\beta }_e}{V_1}{C}_d{\mathrm{Wx}}_p\sqrt{\frac{2}{\rho }(x_3-p_0)};& x_p\ge 0\\ f(x_3,u)=\frac{{\beta }_e}{V_1}{C}_d{\mathrm{Wx}}_p\sqrt{\frac{2}{\rho }(p_0-x_3)};& x_p\le 0\end{array}\right.\\ \left\{\begin{array}{cc}f(x_4,u)=-\frac{{\beta }_e}{V_2}{C}_d{\mathrm{Wx}}_1\sqrt{\frac{2}{\rho }(p_s-x_4)};& x_p\ge 0\\ f(x_4,u)=-\frac{{\beta }_e}{V_2}{C}_d{\mathrm{Wx}}_1\sqrt{\frac{2}{\rho }(x_4-p_s)};& x_p\le 0\end{array}\right.\end{array}\right.---\left(17\right)$则液压作动器的状态方程变换为：$\stackrel{·}{x}=\left[\begin{array}{cccc}-\frac{1}{\tau }& 0& 0& 0\\ 0& -\frac{B_p}{m_t}& \frac{A_p}{m_t}& -\frac{A_p}{m_t}\\ \frac{{\beta }_e{C}_{d}W}{V_1}\sqrt{\frac{2}{\rho }(p_s-x_3)}& -\frac{{\beta }_e{A}_p}{V_1}& -\frac{{\beta }_e}{V_1}{C}_{ip}& \frac{{\beta }_e}{V_1}{C}_{ip}\\ -\frac{{\beta }_e{C}_{d}W}{V_2}\sqrt{\frac{2}{\rho }(x_4-p_0)}& \frac{{\beta }_e}{V_2}{A}_p& \frac{{\beta }_e}{V_2}{C}_{ip}& -\frac{{\beta }_e}{V_2}{C}_{ip}\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\\ x_3\\ x_4\end{array}\right\}\left[\begin{array}{c}\frac{k_p}{\tau }\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right]u---\left(18\right)$x＝(x₁ x₂ x₃ x₄)^T；步骤二：液压作动器的多模型确定；已有的液压作动器参数包括活塞、活塞杆、油液及负载总质量m_t、活塞有效作用面积A_p、阀口面积梯度W和孔口流量系数C_d，对状态变量的变化影响很小，将这些参数作为常数，并带入矩阵A，同时将k_p放入矩阵A的第一行第二列，当液压作动器正常运行时，得到液压作动器系统矩阵A₁：$\begin{array}{c}{A}_1=\\ \left[\begin{array}{cccc}-20& 0.00162& 0& 0\\ 0& -800& 1.62\times {10}^{-4}& -1.62\times {10}^{-4}\\ \frac{4.15\times {10}^7\sqrt{{10}^3-x_3}}{V_1}& -\frac{282.75}{V_1}& -\frac{5.45\times {10}^{-5}}{V_1}& \frac{5.45\times {10}^{-5}}{V_1}\\ -\frac{4.15\times {10}^7\sqrt{x_4}}{V_2}& \frac{282.75}{V_2}& \frac{5.45\times {10}^{-5}}{V_2}& -\frac{5.45\times {10}^{-5}}{V_2}\end{array}\right]\end{array}---\left(20\right)$当液压缸存在内泄露时，设置活塞与缸筒间隙为1mm，通过仿真得知内泄露会使计算得到的B_p变小，B_p＝12000，此时液压作动器系统矩阵A₂为：$\begin{array}{c}{A}_2=\\ \left[\begin{array}{cccc}-20& 0.00162& 0& 0\\ 0& -600& 1.62\times {10}^{-4}& -1.62\times {10}^{-4}\\ \frac{4.15\times {10}^7\sqrt{{10}^3-x_3}}{V_1}& -\frac{282.75}{V_1}& -\frac{6.4\times {10}^{-2}}{V_1}& \frac{6.4\times {10}^{-2}}{V_1}\\ -\frac{4.15\times {10}^7\sqrt{x_4}}{V_2}& \frac{282.75}{V_2}& \frac{6.4\times {10}^{-2}}{V_2}& -\frac{6.4\times {10}^{-2}}{V_2}\end{array}\right]\end{array}---\left(21\right)$当液压缸运行阻力大时，设置负载及活塞的粘性摩擦系数为20000N/(m/s)，此时液压作动器系统矩阵A₃为：$\begin{array}{c}{A}_3=\\ \left[\begin{array}{cccc}-20& 0.00162& 0& 0\\ 0& -1000& 1.62\times {10}^{-4}& -1.62\times {10}^{-4}\\ \frac{4.15\times {10}^7\sqrt{{10}^3-x_3}}{V_1}& -\frac{282.75}{V_1}& -\frac{6.05\times {10}^{-6}}{V_1}& \frac{6.05\times {10}^{-6}}{V_1}\\ -\frac{4.15\times {10}^7\sqrt{x_4}}{V_2}& \frac{282.75}{V_2}& \frac{6.05\times {10}^{-6}}{V_2}& -\frac{6.05\times {10}^{-6}}{V_2}\end{array}\right]\end{array}---\left(22\right)$当油液混入空气时，油液混入空气会使油液体积弹性模量变小，设置β_e＝5×10⁸Pa，此时液压作动器系统矩阵A₄为：$\begin{array}{c}{A}_4=\\ \left[\begin{array}{cccc}-20& 0.00162& 0& 0\\ 0& -800& 1.62\times {10}^{-4}& -1.62\times {10}^{-4}\\ \frac{4.15\times {10}^6\sqrt{{10}^3-x_3}}{V_1}& -\frac{28.275}{V_1}& -\frac{5.45\times {10}^{-6}}{V_1}& \frac{5.45\times {10}^{-6}}{V_1}\\ -\frac{4.15\times {10}^6\sqrt{x_4}}{V_2}& \frac{28.275}{V_2}& \frac{5.45\times {10}^{-6}}{V_2}& -\frac{5.45\times {10}^{-6}}{V_2}\end{array}\right]\end{array}---\left(23\right)$当伺服阀泄露时，伺服阀增益k_p会减小，此时液压作动器系统矩阵A₅为：$\begin{array}{c}{A}_5=\\ \left[\begin{array}{cccc}-20& 0.013& 0& 0\\ 0& -800& 1.62\times {10}^{-4}& -1.62\times {10}^{-4}\\ \frac{4.15\times {10}^7\sqrt{{10}^3-x_3}}{V_1}& -\frac{2827.5}{V_1}& -\frac{5.45\times {10}^{-4}}{V_1}& \frac{5.45\times {10}^{-4}}{V_1}\\ -\frac{4.15\times {10}^7\sqrt{x_4}}{V_2}& \frac{2827.5}{V_2}& \frac{5.45\times {10}^{-4}}{V_2}& -\frac{5.45\times {10}^{-4}}{V_2}\end{array}\right]\end{array}---\left(24\right)$当伺服阀堵塞时，伺服阀的时间常数τ会增大，此时液压作动器系统矩阵A₆为，$\begin{array}{c}{A}_6=\\ \left[\begin{array}{cccc}-10& 0.00162& 0& 0\\ 0& -800& 1.62\times {10}^{-4}& -1.62\times {10}^{-4}\\ \frac{4.15\times {10}^7\sqrt{{10}^3-x_3}}{V_1}& -\frac{282.75}{V_1}& -\frac{5.45\times {10}^{-5}}{V_1}& \frac{5.45\times {10}^{-5}}{V_1}\\ -\frac{4.15\times {10}^7\sqrt{x_4}}{V_2}& \frac{282.75}{V_2}& \frac{5.45\times {10}^{-5}}{V_2}& -\frac{5.45\times {10}^{-5}}{V_2}\end{array}\right]\end{array}---\left(25\right);$步骤三：计算实际输出和模型输出的残差；将实际输入代入各个模型，得到相应的模型输出，并将实际输出与相应的各个模型输出作差，得到残差；步骤四：利用积分型性能指标判定液压作动器状态；将残差代入积分型性能指标公式中，结果最小的一项所对应的情况即为液压作动器当前的状态。