CN107544466B - 一种单框架控制力矩陀螺低速框架故障诊断方法 - Google Patents

一种单框架控制力矩陀螺低速框架故障诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种单框架控制力矩陀螺低速框架故障诊断方法，属于航天器姿态确定与控制技术领域，特别涉及一种应用于航天器上的单框架控制力矩陀螺作为航天器姿态控制执行机构的故障诊断方法，适用于采用单框架控制力矩陀螺(SGCMG)作为执行机构的航天器。本发明的方法利用SGCMG低速框架理论运动角度和实际低速框架运行的角度偏差进行故障检测，并在故障判定阈值设计上与SGCMG运动状态结合起来，根据SGCMG指令角速度大小自主动态调整故障诊断阈值，提高了SGCMG低速框架运动速度变化较大应用场合的故障诊断可靠性和准确性。

Description

一种单框架控制力矩陀螺低速框架故障诊断方法
技术领域
本发明涉及一种单框架控制力矩陀螺低速框架故障诊断方法，属于航天器姿态确定与控制技术领域，特别涉及一种应用于航天器上的单框架控制力矩陀螺作为航天器姿态控制执行机构的故障诊断方法，适用于采用单框架控制力矩陀螺(SGCMG)作为执行机构的航天器。
背景技术
单框架控制力矩陀螺(SGCMG)通过控制低速框架转动引起高速转子进动产生陀螺力矩进而获得较大的控制力矩输出，是目前对控制力矩有较大需求航天器首选控制执行机构。从SGCMG的控制原理可以看出，控制力矩输出与低速框架转速直接相关，因此如果在控制过程中低速框架转动出现故障会导致输出较大干扰力矩直接作用于航天器上，如果不能获得及时处理则可能危及整星安全。因此对于配置SGCMG作为执行机构的航天器，需要提出一种低速框架的故障诊断方法，及时识别低速框架故障并及时处理，以提高该类航天器执行机构在轨使用的安全性以及可靠性。
发明内容
本发明的目的是为了提出一种单框架控制力矩陀螺低速框架故障诊断方法，该方法采用一致性比对原则，对故障检测时间内指令角速度积分值与SGCMG单机测量输出的实际转角进行比对进行SGCMG低速框架故障检测，并在故障判定阈值设计上与SGCMG运动状态结合起来，根据SGCMG指令角速度大小自主动态调整故障诊断阈值，提高了SGCMG低速框架运动速度变化较大应用场合的故障诊断可靠性和准确性，提高执行机构在轨使用的安全性和可靠性。
本发明的技术解决方案是：
一种单框架控制力矩陀螺低速框架故障诊断方法，该单框架控制力矩陀螺应用于航天器上，并作为航天器的执行机构，且航天器上还包括姿态与轨道控制计算机(AOCC)，姿态与轨道控制计算机(AOCC)用于对执行机构发送控制指令并接收执行机构返回的测量数据；
该方法包括如下步骤：
(1)确定单框架控制力矩陀螺低速框架故障检测时间间隔ΔtFDcmg＝tk+1-tk，其中tk+1为终点时刻，tk为起点时刻，tk+1>tk；0<ΔtFDcmg<20s；
(2)计算故障检测时间间隔内AOCC发送给单框架控制力矩陀螺的低速框架角速度指令的积分，得到积分值，以该积分值作为低速框架的理论转角值Δδr；
(3)计算单框架控制力矩陀螺的低速框架在终点时刻tk+1和起点时刻tk返回给AOCC的转角变化值，以该转角变化值作为低速框架的实际转角值Δδm；
(4)计算故障检测时间间隔内，单框架控制力矩陀螺的低速框架的理论转角值与实际转角值的偏差值εCMG：
(5)在故障检测终点时刻tk+1时，根据偏差值εCMG确定单框架控制力矩陀螺的低速框架故障分值FCMG；
(6)根据步骤(5)得到的故障分值FCMG对单框架控制力矩陀螺低速框架是否故障进行判断，如果故障分值FCMG小于设定阈值mFCMG1，则判定该单框架控制力矩陀螺低速框架故障，如果故障分值FCMG不小于设定阈值mFCMG1，则判定该单框架控制力矩陀螺低速框架无故障，即单框架控制力矩陀螺低速框架运行正常。
所述的步骤(2)中，理论转角值Δδr计算方法如下：将AOCC发送给单框架控制力矩陀螺的指令角速度在故障检测时间区间[tk,tk+1]内进行积分计算，即
所述的步骤(3)中，实际转角值Δδm的计算方法如下：
其中为起始时刻tk时低速框架的转角实测值，为终点时刻tk+1时低速框架的转角实测值；
所述的步骤(4)中，偏差值计算方法为：εCMG＝mod(Δδr-Δδm,180°)，
函数εCMG＝mod(Δδr-Δδm,180°)的含义如下：
εCMG＝(Δδr-Δδm)+2k×180°，k为整数使得|εCMG|≤180°
所述的步骤(5)中，计算低速框架故障分值FCMG的方法为：
设初始时刻t0时，低速框架为无故障状态，FCMG的初值为mFCMG2；
当|εCMG|≤mL1时，低速框架故障分值FCMG在前一时刻的基础上加1；
当(mL2+mΔδ·|Δδr|)≤|εCMG|<mL3时，低速框架故障分值FCMG在前一时刻的基础上减1；
当|εCMG|≥mL3时，低速框架故障分值FCMG在前一时刻的基础上减2；
当当前FCMG≥mFCMG2时，令FCMG＝mFCMG2；
当当前FCMG≤mFCMG1时，令FCMG＝mFCMG1；
即：
其中，mFCMG1为设定的故障记分阈值，mFCMG2为设定的故障记分阈值，一般取10≤mFCMG1≤30，10<mFCMG2≤40，mFCMG1<mFCMG2；
mL1、mL2、mL3为故障检测区间设定的角度阈值，一般取0°<mL1<10°，0°<mL2<20°，0°<mL3<50°，mL1<mL2<mL3；
mΔδ为故障检测区间设定的角度阈值随低速框架角速度指令积分值大小自主调整系数，取值根据低速框架角速度指令积分值大小确定，一般取0<mΔδ<10。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)对于配置单框架控制力矩陀螺(SGCMG)作为姿态控制执行机构的航天器，由于SGCMG输出控制力矩大，当SGCMG低速框架出现故障后若未能及时处理时则有可能影响整星的安全。为了及时识别SGCMG故障并及时处理，本发明提出了一种单框架控制力矩陀螺低速框架故障诊断方法。
(2)本发明所提方法基于一致性原理利用SGCMG低速框架理论运动角度和实际低速框架运行的角度偏差进行故障检测。传统的一致性比对方法通常选取固定的判定阈值，由于SGCMG低速框架转速随航天器的快速机动速度不同而变化较大，采用固定阈值方法存在阈值难以确定且选取不当容易导致误检漏检的情况。针对这一问题，本发明创造性的提出了一种故障判定阈值自主动态调整的方法，根据SGCMG指令角速度大小自主动态调整故障诊断阈值，提高了SGCMG低速框架运动速度变化较大应用场合的故障诊断可靠性和准确性，解决了采用单一阈值对小角速度运动时故障判定不敏感而大角度运动故障判定过于敏感的问题。为配置SGCMG部件的航天器控制***提供了有效的诊断手段，极大的提升了采用SGCMG作为执行机构的航天器在轨使用的安全性以及可靠性。
附图说明
图1为本发明方法的流程框图；
图2为SGCMG低速框架指令角速度曲线(0～10s)；
图3为SGCMG低速框架转角实际值曲线(0～10s)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的介绍。
如图1所示，为本发明提出的一种单框架控制力矩陀螺(SGCMG)低速框架故障诊断方法，具体实施步骤如下：
(1)确定SGCMG低速框架故障检测时间间隔ΔtFDcmg＝tk+1-tk，其中tk+1为终点时刻，tk为起点时刻，tk+1>tk；0<ΔtFDcmg<20s
(2)计算故障检测时间间隔内SGCMG低速框架理论转角值Δδr，将AOCC发送给单框架控制力矩陀螺的低速框架角速度指令的积分，得到积分值，以该积分值作为低速框架的理论转角值Δδr，即：
(3)计算故障检测时间间隔内SGCMG低速框架实际转角值Δδm，依据故障检测时间起点tk和终点时刻tk+1的SGCMG单机输出的实际框架角度计算该期间实际转角变化值Δδm，计算方法如下：
其中为起始时刻转角tk实测值，为终止时刻tk+1转角实测值
(4)计算故障检测时间内SGCMG理论转角和实际转角的偏差值εCMG：εCMG＝mod(Δδr-Δδm,π)
其中，函数εCMG＝mod(Δδr-Δδm,180°)的含义如下：
εCMG＝(Δδr-Δδm)+2k×180°，k为整数使得|εCMG|≤180°
(5)在故障检测终点时刻t＝tk+1，根据偏差值εCMG确定单框架控制力矩陀螺的低速框架故障分值FCMG，规则如下：
设初始时刻t0时，低速框架为无故障状态，FCMG的初值为mFCMG2；
当|εCMG|≤mL1时，低速框架故障分值FCMG在前一时刻的基础上加1；
当(mL2+mΔδ·|Δδr|)≤|εCMG|<mL3时，低速框架故障分值FCMG在前一时刻的基础上减1；
当|εCMG|≥mL3时，低速框架故障分值FCMG在前一时刻的基础上减2；
当当前FCMG≥mFCMG2时，令FCMG＝mFCMG2；
当当前FCMG≤mFCMG1时，令FCMG＝mFCMG1；
其中：mFCMG1为设定的故障记分阈值，mFCMG2为设定的故障记分阈值，一般取10≤mFCMG1≤30，10<mFCMG2≤40，mFCMG1<mFCMG2；
mL1、mL2、mL3为故障检测区间设定的角度阈值，一般取0°<mL1<10°，0°<mL2<20°，0°<mL3<50°，mL1<mL2<mL3；
mΔδ为故障检测区间设定的角度阈值随低速框架角速度指令积分值大小自主调整系数，取值根据低速框架角速度指令积分值大小确定，一般取0<mΔδ<10。
(6)根据步骤(5)得到的故障分值FCMG对单框架控制力矩陀螺低速框架是否故障进行判断，如果故障分值FCMG小于设定阈值mFCMG1，则判定该单框架控制力矩陀螺低速框架故障，如果故障分值FCMG不小于设定阈值mFCMG1，则判定该单框架控制力矩陀螺低速框架无故障，即单框架控制力矩陀螺低速框架运行正常。
实施例
一种单框架控制力矩陀螺低速框架故障诊断方法，该单框架控制力矩陀螺应用于卫星上，并作为卫星的执行机构，且卫星上还包括姿态与轨道控制计算机(AOCC)，姿态与轨道控制计算机(AOCC)用于对执行机构发送控制指令并接收执行机构返回的测量数据；
设定mFCMG1＝10，mFCMG2＝13，mL1＝0.5°，mL2＝1°，mL3＝10°，mΔδ＝0.1。
该方法包括如下步骤：
(1)确定单框架控制力矩陀螺低速框架故障检测时间间隔ΔtFDcmg＝tk+1-tk＝3s，以t0＝0作为初始时刻同时也作为起点时刻，t1为终点时刻，即终点时刻为3s时刻；
(2)计算故障检测时间间隔内即时间从0s到3s时间范围内，AOCC发送给单框架控制力矩陀螺的低速框架角速度指令的积分，得到积分值，以该积分值作为低速框架的理论转角值Δδr，在0s到3s时间范围内，低速框架角速度指令曲线如图2所示，利用公式进行积分，得到Δδr＝13.7°；
(3)单框架控制力矩陀螺的低速框架在终点时刻3s时刻的转角为-15°，起点时刻0s时刻的转角为0°，转角变化值＝15°，如图3所示，以该转角变化值作为低速框架的实际转角值Δδm＝-15°；
(4)计算故障检测时间间隔内即时间从0s到3s时间范围内，单框架控制力矩陀螺的低速框架的理论转角值与实际转角值的偏差值εCMG：
εCMG＝mod(Δδr-Δδm,π)＝28.7°
(5)在初始时刻0s时，低速框架为无故障状态，设FCMG的初值为13；在故障检测终点时刻3s时刻，由于|εCMG|>10°；则FCMG＝13-2＝11；
(6)根据步骤(5)得到的故障分值FCMG＝11>10，则判定该单框架控制力矩陀螺低速框架无故障，即单框架控制力矩陀螺低速框架运行正常。
依次判定下一个故障检测区间单框架控制力矩陀螺低速框架故障分值。
(7)确定单框架控制力矩陀螺低速框架故障检测时间间隔ΔtFDcmg＝tk+1-tk＝3s，以t1＝3作为起点时刻，t2为终点时刻，即终点时刻为6s时刻；
(8)计算故障检测时间间隔内即时间从3s到6s时间范围内，AOCC发送给单框架控制力矩陀螺的低速框架角速度指令的积分，得到积分值，以该积分值作为低速框架的理论转角值Δδr，在3s到6s时间范围内，低速框架角速度曲线如图2所示，利用公式进行积分，得到Δδr＝47.5°；
(9)单框架控制力矩陀螺的低速框架在终点时刻6s时刻的转角为-30°，起点时刻3s时刻的转角为-15°，转角变化值＝-15°，如图3所示，以该转角变化值作为低速框架的实际转角值Δδm＝-15°；
(10)计算故障检测时间间隔内即时间从3s到6s时间范围内，单框架控制力矩陀螺的低速框架的理论转角值与实际转角值的偏差值εCMG：
εCMG＝mod(Δδr-Δδm,π)＝62.5°
(11)在起始时刻3s时，FCMG的值为13，在故障检测终点时刻6s时刻，由于|εCMG|>10°；则FCMG＝11-2＝9；
(12)根据步骤(11)得到的故障分值FCMG＝9<10，则判定该单框架控制力矩陀螺低速框架故障。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种单框架控制力矩陀螺低速框架故障诊断方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
(1)确定单框架控制力矩陀螺低速框架故障检测时间间隔ΔtFDcmg＝tk+1-tk，其中tk+1为终点时刻，tk为起点时刻；
(2)计算故障检测时间间隔内姿态与轨道控制计算机AOCC发送给单框架控制力矩陀螺的低速框架角速度指令的积分，得到积分值，以该积分值作为低速框架的理论转角值Δδr；
(3)计算单框架控制力矩陀螺的低速框架在终点时刻tk+1和起点时刻tk返回给AOCC的转角变化值，以该转角变化值作为低速框架的实际转角值Δδm；
(4)计算故障检测时间间隔内，单框架控制力矩陀螺的低速框架的理论转角值与实际转角值的偏差值εCMG：
(5)在故障检测终点时刻tk+1时，根据偏差值εCMG确定单框架控制力矩陀螺的低速框架故障分值FCMG；
(6)根据步骤(5)得到的故障分值FCMG对单框架控制力矩陀螺低速框架是否故障进行判断，如果故障分值FCMG小于设定阈值mFCMG1，则判定该单框架控制力矩陀螺低速框架故障，如果故障分值FCMG不小于设定阈值mFCMG1，则判定该单框架控制力矩陀螺低速框架无故障；
所述的步骤(5)中，计算低速框架故障分值FCMG的方法为：
设初始时刻t0时，低速框架为无故障状态，FCMG的初值为mFCMG2；
当当前FCMG≥mFCMG2时，令FCMG＝mFCMG2；
当当前FCMG≤mFCMG1时，令FCMG＝mFCMG1；
当|εCMG|≤mL1时，低速框架故障分值FCMG在前一时刻的基础上加1；
当(mL2+mΔδ·|Δδr|)≤|εCMG|<mL3时，低速框架故障分值FCMG在前一时刻的基础上减1；
当|εCMG|≥mL3时，低速框架故障分值FCMG在前一时刻的基础上减2；
mFCMG1为设定的故障记分阈值，mFCMG2为设定的故障记分阈值，mL1、mL2、mL3为故障检测区间设定的角度阈值，mΔδ为一系数，mFCMG1<mFCMG2。
2.根据权利要求1所述的一种单框架控制力矩陀螺低速框架故障诊断方法，其特征在于：0<ΔtFDcmg<20s。
3.根据权利要求1所述的一种单框架控制力矩陀螺低速框架故障诊断方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，理论转角值Δδr计算方法如下：将AOCC发送给单框架控制力矩陀螺的指令角速度在故障检测时间区间[tk,tk+1]内进行积分计算，即
4.根据权利要求1所述的一种单框架控制力矩陀螺低速框架故障诊断方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，实际转角值Δδm的计算方法如下：
其中为起始时刻tk时低速框架的转角实测值，为终点时刻tk+1时低速框架的转角实测值。
5.根据权利要求1所述的一种单框架控制力矩陀螺低速框架故障诊断方法，其特征在于：所述的步骤(4)中，偏差值的计算方法为：εCMG＝mod(Δδr-Δδm,180°)。
6.根据权利要求5所述的一种单框架控制力矩陀螺低速框架故障诊断方法，其特征在于：εCMG＝(Δδr-Δδm)+2k×180°，k为整数使得|εCMG|≤180°。
7.根据权利要求6所述的一种单框架控制力矩陀螺低速框架故障诊断方法，其特征在于：10≤mFCMG1≤30，10<mFCMG2≤40，mFCMG1<mFCMG2；0°<mL1<10°，0°<mL2<20°，0°<mL3<50°，mL1<mL2<mL3；0<mΔδ<10。
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