基于定量結(jié)構(gòu)模型的故障診斷系統(tǒng)傳感器優(yōu)化配置方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于定量結(jié)構(gòu)模型的故障診斷系統(tǒng)傳感 器優(yōu)化配置方法，特別是面向基于解析冗余關(guān)系的故障診斷系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中如果出現(xiàn)故障，有可能會在經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)品質(zhì)量和安全上造成災(zāi) 難性的后果，造成嚴(yán)重的損失。為了監(jiān)測、隔離出這些不正常的系統(tǒng)狀態(tài)，故障診斷系統(tǒng)變 得越來越重要?；谀Ｐ偷墓收显\斷系統(tǒng)通常需要傳感器測量系統(tǒng)的重要參數(shù)來提取有用 的故障信息。因此，故障診斷系統(tǒng)的性能很大程度上依賴于傳感器的配置情況。
[0003] 傳感器優(yōu)化配置問題是故障診斷系統(tǒng)的基礎(chǔ)，對故障診斷系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重 要。傳感器的優(yōu)化配置主要考慮如何在滿足故障診斷系統(tǒng)性能需求的前提下選擇出最優(yōu)的 傳感器配置方案。本發(fā)明提出的傳感器優(yōu)化配置方法是面向基于解析冗余關(guān)系故障診斷系 統(tǒng)的。基于解析冗余關(guān)系故障診斷方法的基本思想是根據(jù)解析冗余關(guān)系殘差值建立觀測特 征，通過觀測特征與故障特征的比較進(jìn)行故障檢測和隔離。這種故障診斷系統(tǒng)由于其優(yōu)良 的故障檢測、分離與辨識性能已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注。
[0004] "Optimal sensor placement for model-based fault detection and isolation"（Proceedings of the IEEE Conference on Decision and Control,2008: 2584-2589.)-文的傳感器優(yōu)化配置方法研究針對的是基于解析冗余關(guān)系的故障診斷系 統(tǒng)。雖然此公開文獻(xiàn)給出了一種采用結(jié)構(gòu)模型對故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行傳感器優(yōu)化配置的方 法，但這種方法只是定性地分析系統(tǒng)模型所含公式和變量之間的邏輯關(guān)系，假設(shè)傳感器能 夠以100%的概率檢測到相應(yīng)被測量。實(shí)際上，傳感器自身的故障率以及系統(tǒng)檢測故障的能 力會影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，由這種方法建立的故障診斷系統(tǒng)模型是一種不考慮檢 測不確定性的數(shù)學(xué)模型，在一定程度上偏離工程實(shí)際。雖然《考慮傳感器故障檢測能力的 PHM系統(tǒng)傳感器優(yōu)化配置方法》(宇航學(xué)報(bào)，2013,34(09): 1253-1258.)-文給出了一種基于 定量結(jié)構(gòu)模型的故障診斷系統(tǒng)傳感器優(yōu)化配置方法。但這篇文獻(xiàn)針對的并不是基于解析冗 余關(guān)系的故障診斷系統(tǒng)。目前，在基于解析冗余關(guān)系故障診斷系統(tǒng)領(lǐng)域尚未出現(xiàn)考慮檢測 不確定性的傳感器優(yōu)化配置方法的發(fā)明報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 要解決的技術(shù)問題
[0006] 為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種基于定量結(jié)構(gòu)模型的故障診斷系 統(tǒng)傳感器優(yōu)化配置方法，對故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行性能評估時(shí)將傳感器故障率和故障檢測能力 考慮在內(nèi)，并根據(jù)評估值得到更加準(zhǔn)確和可靠的傳感器優(yōu)化配置結(jié)果。
[0007] 技術(shù)方案
[0008] -種基于定量結(jié)構(gòu)模型的故障診斷系統(tǒng)傳感器優(yōu)化配置方法，其特征在于步驟如 下：
[0009] 步驟一建立由解析冗余關(guān)系矩陣B和故障特征矩陣Μ描述的故障診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 模型。
[0010] 1.確定系統(tǒng)的解析冗余關(guān)系集合A= {ai，a2，. . . am}、完備傳感器(可測變量)集合S ={si，S2, . . .，sn}和故障集合F= {fi，f2, . . .，fp}，ai表示第i個(gè)解析冗余關(guān)系，Sj表示第j個(gè) 傳感器配置位置，fk表示第k類故障。
[0011] 2.建立解析冗余關(guān)系矩陣Β=[1^]ωΧη，矩陣的列表示可測變量或傳感器，行表示 系統(tǒng)的解析冗余關(guān)系，b^ = l表示解析冗余關(guān)系式&1中含有可測變量~，Μ = 0則表示解析 冗余關(guān)系式ai中不包含可測變量建立故障特征矩陣M=[mjk] mXp表示任一故障fk的故障 特征，mik= 1表示故障fk的出現(xiàn)會影響到解析冗余關(guān)系ai，此時(shí)ai不是滿足的，mik = 0表示故 障fk的出現(xiàn)不會影響到解析冗余關(guān)系m。
[0012]步驟二求解考慮檢測不確定性的故障診斷系統(tǒng)關(guān)鍵性能指標(biāo) 故障檢測率FDR 和故障隔離率FIR。
[0013] 1.確定故障診斷系統(tǒng)的可檢測故障集合Fd和可隔離故障集合F:。故障診斷系統(tǒng)性 能指標(biāo)--故障檢測率FDR和故障隔離率FIR的計(jì)算公式：
[0014]
[0015] Ik/
[0016] 其中，λ為故障率，g卩單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的故障數(shù);Qk為故障fk總的可檢測率，計(jì)算公 式為：
[0017] …
[0018] 其中，心表示第i個(gè)解析冗余關(guān)系的檢測可靠性;dlk為解析冗余關(guān)系&1對故障f k的 可測性;m是解析冗余關(guān)系的個(gè)數(shù)。
[0019] 2.解析冗余關(guān)系檢測可靠性心和故障可測性dlk是兩個(gè)用于描述故障檢測的不確 定性的參數(shù)，其取值可以通過計(jì)算得到。這兩個(gè)參數(shù)可以定量地描述故障診斷系統(tǒng)。
[0020] 解析冗會關(guān)系檢測可靠性Ri的計(jì)算公式如下：
[0021]
[0022] 其中，心表示第i個(gè)解析冗余關(guān)系的檢測可靠性;^表示第j個(gè)傳感器的失效率; 是第j個(gè)傳感器的配置個(gè)數(shù);η是可測變量的個(gè)數(shù);是解析冗余關(guān)系矩陣中的元素。根據(jù)計(jì) 算公式，可以得到與解析冗余關(guān)系集合A= {ai，a2, . . .am}相對應(yīng)的檢測可靠性矢量DR = [Ri,R2 ,. ..Rm]
[0023] 故障可測性dik的計(jì)算公式如下：
[0024]
[0025] 其中，dlk為解析冗余關(guān)系&1對故障fk的可測性;TTD lk為故障fk初始時(shí)刻到解析冗 余關(guān)系ai檢測到該故障的時(shí)間跨度；SyDlk為解析冗余關(guān)系&1檢測到故障f k的持續(xù)時(shí)間； TTFlk為故障fk初始時(shí)刻到系統(tǒng)失效時(shí)的時(shí)間跨度；
=兩個(gè)比值描述了解析冗余 關(guān)系ai對故障fk的故障檢測時(shí)效性和故障可跟蹤性;D=[djk]mxP為計(jì)算得到故障可測性矩 陣。
[0026] 3.綜上所述，故障診斷系統(tǒng)的定量結(jié)構(gòu)模型分成兩部分表達(dá)，第一部分是結(jié)構(gòu)模 型表達(dá)，即解析冗余關(guān)系矩陣B和故障特征矩陣M。第二部分是定量表達(dá)，由結(jié)構(gòu)模型和相關(guān) 數(shù)據(jù)得到檢測可靠性矢量DR和故障可測性矩陣D定量地描述故障診斷系統(tǒng)。最終，通過這些 定量信息計(jì)算得到故障診斷系統(tǒng)性能指標(biāo)故障檢測率FDR和故障隔離率FIR。
[0027] 步驟三基于故障診斷系統(tǒng)的定量結(jié)構(gòu)模型，將故障檢測率FDR和故障隔離率FIR作 為約束條件，經(jīng)濟(jì)成本作為優(yōu)化目標(biāo)，建立考慮檢測不確定性時(shí)的傳感器優(yōu)化模型：
[0028]
[0029] 其中，S*為已配置傳感器集合JH〇bj(S*)是以S*為變量的目標(biāo)函數(shù);Q為加 權(quán)值;W為第j個(gè)傳感器的成本;FDR'，F(xiàn)Iir是故障診斷系統(tǒng)必須滿足的指標(biāo)要求；s為最優(yōu) 的傳感器配置集合;該模型的意義在于將故障檢測率FDR和故障隔離率FIR作為約束條件， 經(jīng)濟(jì)成本作為優(yōu)化目標(biāo)，得到約束條件下成本最低的傳感器布局方案，即目標(biāo)函數(shù)〇b j (S， 取最大值時(shí)的解?。
[0030] 步驟四根據(jù)遺傳算法求解上述傳感器優(yōu)化模型，得到最優(yōu)傳感器配置集合，具體 過程如下：
[0031 ] 1.參數(shù)初始化，隨機(jī)產(chǎn)生初始種群；
[0032] 2.根據(jù)傳感器優(yōu)化模型，建立適應(yīng)度函數(shù)：
[0033]
[0034] 其中，Cost (i )為第i個(gè)傳感器配置方案的成本;max (0，F(xiàn)DIT -FDR(i ))和max (0， Flf-FIRG))為懲罰函數(shù)，即當(dāng)?shù)趇個(gè)傳感器配置方案的故障檢測率H)R(i)和故障隔離率 FIR( i)小于指標(biāo)要求FDf和FIIT時(shí)，該方案的適應(yīng)度值會減少;&、C2、C3為常數(shù)；
[0035] 3.計(jì)算每個(gè)染色體所對應(yīng)的傳感器集合的適應(yīng)度值；
[0036] 4.根據(jù)適應(yīng)度采用輪盤賭方法選擇個(gè)體，并進(jìn)行交叉操作，得到當(dāng)前種群Pop ' ；
[0037] 對當(dāng)前種群Pop'中的個(gè)體進(jìn)行變異操作，得到下一代種群Pop"，判斷算法是否到 達(dá)最大迭代次數(shù)，是則結(jié)束，運(yùn)算結(jié)果即為最優(yōu)傳感器配置方案，否則返回步驟3。
[0038] 有益效果
[0039] 本發(fā)明提出的一種基于定量結(jié)構(gòu)模型的故障診斷系統(tǒng)傳感器優(yōu)化配置方法，第一 步，運(yùn)用結(jié)構(gòu)分析方法建立故障診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型。該結(jié)構(gòu)模型的表現(xiàn)形式為兩個(gè)矩陣： 解析冗余關(guān)系矩陣和故障特征矩陣。該結(jié)構(gòu)模型能夠定性地描述故障診斷系統(tǒng)。第二步，結(jié) 合故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型和傳感器檢測不確定性，得到故障診斷系統(tǒng)的定量描述，達(dá)到定 量分析故障診斷系統(tǒng)的目的，進(jìn)而建立考慮檢測不確定性的故障診斷系統(tǒng)關(guān)鍵性能指標(biāo)的 計(jì)算公式。第三步建立故障診斷系統(tǒng)的傳感器優(yōu)化模型。最后一步，采用遺傳算法對優(yōu)化模 型進(jìn)行求解。本發(fā)明提出的面向故障診斷系統(tǒng)的傳感器優(yōu)化配置方法可以有效節(jié)約故障診 斷系統(tǒng)的傳感器成本且配置結(jié)果更加符合工程實(shí)際情況。
【附圖說明】
[0040] 圖1為本發(fā)明基于定量結(jié)構(gòu)模型的故障診斷系統(tǒng)傳感器優(yōu)化配置方法流程圖；
[0041] 圖2為本發(fā)明采用的遺傳算法各代故障檢測率平均值；
[0042] 圖3為本發(fā)明采用的遺傳算法各代故障隔離率平均值；
[0043] 圖4為本發(fā)明采用的遺傳算法各代總成本平均值。
[0044] 圖5為本發(fā)明采用的遺傳算法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0045] 現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述：
[0046] 下面將某型號機(jī)電作動器故障診斷系統(tǒng)作為實(shí)例并結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步說 明。
[0047] 步驟一建立由解析冗余關(guān)系矩陣B和故障特征矩陣Μ描述的故障診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 模型。
[0048] 1.確定解析冗余關(guān)系集合A={ai，a2, . . .am}和系統(tǒng)的完備傳感器(可測變量)集合 S= {si，S2, . . .，sn}，傳感器信息如表1所示;確定系統(tǒng)中的P個(gè)故障的集合F= {fl，f2,...， fp}，故障信息如表2所示；
[0049] 2.建立解析冗余關(guān)系矩陣B=[bu]mXn，矩陣的列表示可測變量或傳感器，行表示 系統(tǒng)的解析冗余關(guān)系，b^ = l表示解析冗余關(guān)系式&1中含有可測變量~，Μ = 0則表示解析 冗余關(guān)系式ai中不包含可測變量建立故障特征矩陣M=[mjk] mXp表示任一故障fk的故障 特征，mik= 1表示故障fk的出現(xiàn)會影響到解析冗余關(guān)系ai，此時(shí)ai不是滿足的，mik = 0表示故 障fk的出現(xiàn)不會影響到解析冗余關(guān)系m，故障特征矩陣如表3所示。
[0050]步驟二求