基于仿真的故障特征提取系统、方法、存储介质及设备技术方案

本发明专利技术涉及一种基于仿真的故障特征提取系统、方法、存储介质及设备，以解决目前发动机故障诊断依赖于大量的故障数据，实时性相对不足，且难以满足故障发展动态检测和诊断的问题。该系统包括发动机系统仿真模型生成模块、提取条件设置模块、模型仿真求解模块、仿真后结果处理模块、特征提取模块和故障特征库。该方法包括：1、获取发动机系统正常仿真模型和故障仿真模型并仿真求解；2、进行仿真中实时数据或仿真后结果数据提取；3、对步骤2中的提取的数据进行动态特征数据提取或稳态特征数据提取；4、对步骤3中提取的数据进行处理得动态特征提取结果和稳态特征提取结果；5、对提取结果处理并存储。处理并存储。处理并存储。

【技术实现步骤摘要】
基于仿真的故障特征提取系统、方法、存储介质及设备


[0001]本专利技术涉及液体火箭发动机故障的仿真研究，具体涉及一种基于仿真的液体火箭发动机故障特征提取系统、方法、存储介质及设备。

技术介绍

[0002]液体火箭发动机工作在高温、高压、强腐蚀的极致环境条件下，一方面其故障发生发展过程持续时间很短，但影响后果严重；另一方面不仅发动机类型不同，其结构、工况、故障表现形式各异，而且即使是同一类型或同一台发动机，故障模式也完全不同，从而难以通过物理模拟和试验的方法实现发动机故障的复制和再现。因此，与发动机试车和飞行数据规模庞大的样本数据相比，故障样本的规模和所占比例却很小，这也导致了在缺少充分样本数据、缺少足够的故障模式及其特征描述的情况下，很难获得适应于不同型号发动机故障检测与诊断的判断准则。
[0003]近年来，随着计算机仿真技术的迅速发展，基于模型的发动机工作过程故障仿真研究，已成为对发动机故障机理及其过渡过程特性进行分析，获得发动机故障模式特征、诊断知识和故障样本数据的有效途径。
[0004]液体火箭发动机是一个结构复杂的时变系统，主要体现在系统工作模式的时变性(正常工作模式间的差异以及正常与故障工作模式之间转换)，观测参数值的范围随运行时间以及工作模式的改变而变化，因此预先确定系统时变故障诊断判据存在着较大困难，目前特征提取常用的方法有主元特征方法，BP神经网络方法，基于模糊信息优化处理的方法，基于互信息熵的方法以及基于小波分析的方法等，这些方法在一定程度上都依赖于大量的故障数据，实时性相对不足，并且针对故障过渡过程特性的关注相对较少，因此难以满足故障发生的初期尤其是动态过程故障检测和诊断。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于解决目前针对液体火箭发动机故障诊断依赖于大量的故障数据，实时性相对不足，且难以满足故障发展动态过程中检测和诊断的问题，提出一种基于仿真的液体火箭发动机故障特征提取系统、方法、存储介质及设备。
[0006]本专利技术提供的技术方案为：
[0007]一种基于仿真的故障特征提取系统，其特殊之处在于：
[0008]包括发动机系统仿真模型生成模块、提取条件设置模块、模型仿真求解模块、仿真后结果处理模块、特征提取模块和故障特征库；
[0009]所述发动机系统仿真模型生成模块用于构建发动机系统正常仿真模型和发动机系统故障仿真模型，并输出给模型仿真求解模块；
[0010]提取条件设置模块用于设置特征提取条件，与模型仿真求解模块及特征提取模块分别连接；
[0011]所述模型仿真求解模块的一个输出与特征提取模块的一个输入连接，另一个输出
与仿真后结果处理模块的输入连接，仿真后结果处理模块的输出与特征提取模块的另一输入连接；所述模型仿真求解模块用于对所述的发动机系统正常仿真模型和发动机系统故障仿真模型进行编译和求解，并根据特征提取条件，将仿真中实时数据或经仿真后结果处理模块处理后的仿真后结果数据输出给特征提取模块；
[0012]特征提取模块包括仿真中实时数据接收模块，仿真后结果数据读取模块，动态特征数据处理模块，稳态特征数据处理模块和提取结果处理模块；
[0013]所述仿真中实时数据接收模块的输入与模型仿真求解模块的一个输出连接，用于接收所述仿真中实时数据并保存；
[0014]所述仿真后结果数据读取模块的输入与仿真后结果处理模块的输出连接，用于读取所述仿真后结果数据并保存；
[0015]动态特征数据处理模块用于根据特征提取条件，接收仿真中实时数据接收模块或仿真后结果数据读取模块中的动态特征数据，对所述动态特征数据进行动态幅值评估和导数评估，评估结果用于判断动态特征数据是否已达到稳态；动态特征数据处理模块的一个输出与提取结果处理模块的一个输入相接，另一个输出与稳态特征数据处理模块的一个输入相接；
[0016]稳态特征数据处理模块的一个输入接收动态特征数据处理模块输出的达到稳态的动态特征数据；另一个输入根据特征提取条件，接收仿真中实时数据接收模块或仿真后结果数据读取模块的稳态特征数据，且对所述稳态特征数据和达到稳态的动态特征数据进行稳态幅值评估，稳态特征数据处理模块的输出与提取结果处理模块的另一个输入相接；
[0017]提取结果处理模块用于将获取的动态特征提取结果和稳态特征提取结果生成故障特征表，并输出给故障特征库；
[0018]故障特征库用于存储特征提取模块生成的故障特征表。
[0019]进一步地，所述发动机系统仿真模型生成模块包括故障模型库、模型编辑模块、故障模式库、故障模式管理模块和参数注入模块；
[0020]故障模型库用于存储发动机系统组件故障模型，所述故障模型库的输出与模型编辑模块的一个输入相接；
[0021]所述模型编辑模块用于发动机系统正常仿真模型和发动机系统故障仿真模型的构建，模型编辑模块的一个输出与故障模式管理模块的一个输入相接；
[0022]所述故障模式管理模块的另一个输入与故障模式库相接，用于读取故障模式库中的信息，编辑故障参数的取值和注入条件，并输出给参数注入模块；
[0023]所述故障模式库用于存储故障模式；
[0024]所述参数注入模块用于将故障模式管理模块读取的故障模式库中的故障参数值写入到发动机系统仿真模型中，输出给模型编辑模块生成发动机系统故障仿真模型。
[0025]进一步地，所述故障模型按照发动机系统的物理拓扑结构分为子系统、组件及元器件三个层次，每个组件或元器件包含有能描述该组件或元器件行为的参数、变量和数学方程，并且添加了与组件或元器件故障特性相关的参数，以支持后续的故障参数注入；
[0026]所述故障模式包含标准的故障模式信息及故障模式与模型映射关系的信息；
[0027]所述标准的故障模式信息包括故障模式名、故障原因、故障后果、故障影响性分析、故障严酷度和故障发生概率；
[0028]所述故障模式与模型映射关系的信息包括故障参数名和故障模式触发条件。
[0029]进一步地，所述特征提取条件包括提取特征变量、提取开始时刻表、提取频率、提取数目及提取方式；
[0030]所述提取特征变量条件为提取动态特征数据或提取稳态特征数据；
[0031]所述提取方式条件为仿真中实时数据提取或仿真后结果数据提取。
[0032]本专利技术还提供了一种基于仿真的故障特征提取方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0033]步骤1、加载故障模型库，并基于该模型库，通过模型编辑模块构建发动机系统正常仿真模型；
[0034]步骤2、加载故障模式库，使用故障模式管理模块读取故障模式库中的信息，并编辑故障参数的取值和注入条件，使用参数注入模块对仿真发动机系统正常模型进行故障参数注入；
[0035]步骤3、根据步骤2注入的参数，使用模型编辑模块生成对应发动机系统故障仿真模型，使用模型仿真求解模块分别对发动机系统正常仿真模型和发动机系统故障仿真模型进行仿真求解；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于仿真的故障特征提取系统，其特征在于：包括发动机系统仿真模型生成模块、提取条件设置模块、模型仿真求解模块、仿真后结果处理模块、特征提取模块和故障特征库；所述发动机系统仿真模型生成模块用于构建发动机系统正常仿真模型和发动机系统故障仿真模型，并输出给模型仿真求解模块；提取条件设置模块用于设置特征提取条件，与模型仿真求解模块及特征提取模块分别连接；所述模型仿真求解模块的一个输出与特征提取模块的一个输入连接，另一个输出与仿真后结果处理模块的输入连接，仿真后结果处理模块的输出与特征提取模块的另一输入连接；所述模型仿真求解模块用于对所述的发动机系统正常仿真模型和发动机系统故障仿真模型进行编译和求解，并根据特征提取条件，将仿真中实时数据或经仿真后结果处理模块处理后的仿真后结果数据输出给特征提取模块；所述特征提取模块包括仿真中实时数据接收模块，仿真后结果数据读取模块，动态特征数据处理模块，稳态特征数据处理模块和提取结果处理模块；所述仿真中实时数据接收模块的输入与模型仿真求解模块的一个输出连接，用于接收所述仿真中实时数据并保存；所述仿真后结果数据读取模块的输入与仿真后结果处理模块的输出连接，用于读取所述仿真后结果数据并保存；所述动态特征数据处理模块用于根据特征提取条件，接收仿真中实时数据接收模块或仿真后结果数据读取模块中的动态特征数据，对所述动态特征数据进行动态幅值评估和导数评估，评估结果用于判断动态特征数据是否已达到稳态；动态特征数据处理模块的一个输出与提取结果处理模块的一个输入相接，另一个输出与稳态特征数据处理模块的一个输入相接；所述稳态特征数据处理模块一个输入接收动态特征数据处理模块输出的达到稳态的动态特征数据，另一个输入根据特征提取条件接收仿真中实时数据接收模块或仿真后结果数据读取模块的稳态特征数据，且对所述稳态特征数据和达到稳态的动态特征数据进行稳态幅值评估，稳态特征数据处理模块的输出与提取结果处理模块的另一个输入相接；提取结果处理模块用于将获取的动态特征提取结果和稳态特征提取结果生成故障特征表，并输出给故障特征库；故障特征库用于存储特征提取模块生成的故障特征表。2.根据权利要求1所述的基于仿真的故障特征提取系统，其特征在于：所述发动机系统仿真模型生成模块包括故障模型库、模型编辑模块、故障模式库、故障模式管理模块和参数注入模块；故障模型库用于存储发动机系统组件故障模型，所述故障模型库的输出与模型编辑模块的一个输入相接；所述模型编辑模块用于发动机系统正常仿真模型和发动机系统故障仿真模型的构建，模型编辑模块的一个输出与故障模式管理模块的一个输入相接；所述故障模式管理模块的另一个输入与故障模式库相接，用于读取故障模式库中的信息，编辑故障参数的取值和注入条件，并输出给参数注入模块；
所述故障模式库用于存储故障模式；所述参数注入模块用于将故障模式管理模块读取的故障模式库中的故障参数值写入到发动机系统仿真模型中，输出给模型编辑模块生成发动机系统故障仿真模型。3.根据权利要求2所述的基于仿真的故障特征提取系统，其特征在于：所述故障模型按照发动机系统的物理拓扑结构分为子系统、组件及元器件三个层次，每个组件或元器件包含有能描述该组件或元器件行为的参数、变量和数学方程，并且添加了与组件或元器件故障特性相关的参数，以支持后续的故障参数注入；所述故障模式包含标准的故障模式信息及故障模式与模型映射关系的信息；所述标准的故障模式信息包括故障模式名、故障原因、故障后果、故障影响性分析、故障严酷度和故障发生概率；所述故障模式与模型映射关系的信息包括故障参数名和故障模式触发条件。4.根据权利要求3所述的基于仿真的故障特征提取系统，其特征在于：所述特征提取条件包括提取特征变量、提取开始时刻表、提取频率、提取数目及提取方式；所述提取特征变量条件为提取动态特征数据或提取稳态特征数据；所述提取方式条件为仿真中实时数据提取或仿真后结果数据提取。5.一种基于仿真的故障特征提取方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、加载故障...

【专利技术属性】
技术研发人员：李斌，张海明，陈宏玉，周晨初，杨尚荣，王丹，李舒欣，李晨沛，刘占一，何院，
申请(专利权)人：苏州同元软控信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：