[发明专利]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xp，则液压作动器的状态方程为：或矩阵A如下：A=-1τ0000-BpmtApmt-ApmtβeCdWV12ρ(ps-x3)-βeApV1-βeV1CipβeV1Cip-βeCdWV22ρ(x4-p0)βeV2ApβeV2Cip-βeV2Cip---(16)]]>式中：t—时间；τ‑‑伺服阀时间常数；Bp‑‑活塞及负载的粘性阻尼系数，单位N/(m/s)；Ap‑‑活塞有效作用面积，单位m2；mt‑‑活塞、活塞杆、油液及负载总质量，单位kg；βe‑‑油液体积弹性模量，单位Pa；Cd‑‑孔口流量系数；W‑‑阀口面积梯度，单位m；ps‑‑供油压力，单位Pa；ρ‑‑油液密度，单位kg/m3；p0‑‑回油压力，单位Pa；Cip‑‑液压缸内泄露系数，单位m3/s.Pa‑1；V1‑‑液压缸左腔容积，单位m3；V2‑‑液压缸右腔容积，单位m3；其中，液压缸左腔容积V1包括阀口至液压缸左腔油管和左腔的容积；液压缸右腔容积V2包括阀口至液压缸右腔油管和右腔的容积:V1＝VL1+V01+Apxp                                  (9)V2＝VL2+V02‑Apxp                                  (10)式中：VL1‑‑阀口至液压缸左腔的油管容积，单位m3；VL2‑‑阀口至液压缸右腔的油管容积，单位m3；V01‑‑液压缸左腔的初始容积，单位m3；V02‑‑液压缸右腔的初始容积，单位m3；f(x,u)定义如下：f(x1,u)=kpτuf(x2,u)=0f(x3,u)=βeV1CdWxp2ρ(x3-p0);xp≥0f(x3,u)=βeV1CdWxp2ρ(p0-x3);xp≤0f(x4,u)=-βeV2CdWx12ρ(ps-x4);xp≥0f(x4,u)=-βeV2CdWx12ρ(x4-ps);xp≤0---(17)]]>则液压作动器的状态方程变换为：x·=-1τ0000-BpmtApmt-ApmtβeCdWV12ρ(ps-x3)-βeApV1-βeV1CipβeV1Cip-βeCdWV22ρ(x4-p0)βeV2ApβeV2Cip-βeV2Cipx1x2x3x4+kpτ000u---(18)]]>x＝[x1 x2 x3 x4]T＝[xv vp p1 p2]T，xv‑‑阀芯位移，xp‑‑液压缸活塞杆的位移，单位m,p1‑‑液压缸左腔压力，p2‑‑液压缸右腔压力；kp‑‑伺服阀增益，单位V/m；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mt、活塞有效作用面积Ap、阀口面积梯度W和孔口流量系数Cd，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kp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：A1=-200.00162000-8001.62×10-4-1.62×10-44.15×107103-x3V1-282.75V1-5.45×10-5V15.45×10-5V1-4.15×107x4V2282.75V25.45×10-5V2-5.45×10-5V2---(20)]]>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Bp变小，Bp＝12000，此时液压作动器系统矩阵A2为：A2=-200.00162000-6001.62×10-4-1.62×10-44.15×107103-x3V1-282.75V1-6.4×10-2V16.4×10-2V1-4.15×107x4V2282.75V26.4×10-2V2-6.4×10-2V2---(21)]]>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：A3=-200.00162000-10001.62×10-4-1.61×10-44.15×107103-x3V1-282.75V1-6.05×10-6V16.05×10-6V1-4.15×107x4V2282.75V26.05×10-6V2-6.05×10-6V2---(22)]]>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βe＝5×108Pa，此时液压作动器系统矩阵A4为：A4=-20-0.00162000-8001.61×10-4-1.62×10-44.15×106103-x3V1-28.275V1-5.45×10-6V15.45×10-6V1-4.15×106x4V228.275V25.45×10-6V2-5.45×10-6V2---(23)]]>当伺服阀泄露时，伺服阀增益kp会减小，此时液压作动器系统矩阵A5为：A5=-200.00013000-8001.62×10-4-1.61×10-44.15×107103-x3V1-2827.5V1-5.45×10-4V15.45×104V1-4.15×107x4V22827.5V25.45×10-4V2-5.45×10-4V2---(24)]]>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，A6=-100.00162000-8001.62×10-4-1.62×10-44.15×107103-x3V1-282.75V1-5.45×10-5V15.45×10-5V1-4.15×107x4V2282.75V25.45×10-5V2-5.45×10-5V2---(25);]]>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。