一种液体火箭发动机测试性分析与状态评估方法及装置

本发明涉及液体火箭发动机故障检测与诊断，具体涉及一种液体火箭发动机测试性分析与状态评估方法及装置。

背景技术：

1、近年来，为了满足未来载人登月以及空间站建设计划等航天发射任务的需求，我国正在加紧研制新一代大推力液体火箭发动机。相对于我国现役的运载火箭动力系统而言，新一代大推力液体火箭发动机具有流量大、推力大、涡轮泵转速更高、燃烧室压力更高、混合比可调节、工况可变化以及可多次重复使用等特点。因此，针对新一代大推力液体火箭发动机开展测试性分析和研究、以及后续的健康监控等，已成为提高我国未来航天发射任务可靠性与安全性的重要任务。

2、目前，由于液体火箭发动机工作环境恶劣，全面获取发动机状态信息尤其是故障信息存在一定难度，导致现有故障诊断算法难以覆盖全部故障模式，极大地影响了发动机故障检测与诊断的可靠性。测试性分析技术通过相关性模型、多信号流图模型等方式表示测点与系统故障间的逻辑关系，可以有效解决发动机参数信息选取与可测性能力评估的问题，适用于大规模的实时在线故障诊断，在复杂装备的故障检测与诊断方面应用广泛。

3、因此，如何设计一种液体火箭发动机测试性分析与状态评估方法用于液体火箭发动机故障检测与诊断，提高发动机故障检测与诊断的可靠性，成为亟待解决的问题。

技术实现思路

1、为此，本发明提供一种液体火箭发动机测试性分析与状态评估方法及装置，该方法基于多信号流图建模思想，构建液体火箭发动机测试性模型；开展发动机测试性定性分析，评估测试性指标并优化测点分布。该方法可以直观、明确的表述故障与测点之间的映射关系，有效提高发动机故障检测与诊断的可靠性。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种液体火箭发动机测试性分析与状态评估方法，包括：

3、根据多信号流图建模策略，构建液体火箭发动机测试性模型；

4、对所述液体火箭发动机测试性模型进行静态故障分析，获取不可测故障、故障模糊组和冗余测试信息数据；

5、通过所述不可测故障、故障模糊组及冗余测试信息数据计算故障检测率、故障隔离率和故障覆盖率测试性指标；根据所述测试性指标评估发动机故障检测与诊断能力；

6、根据所述测试性指标分析优化测点分布，更新所述液体火箭发动机测试性模型，通过更新后的所述液体火箭发动机测试性模型重新计算所述测试性指标。

7、作为一种液体火箭发动机测试性分析与状态评估方法的优选方案，所述多信号流图建模策略的建模步骤为:

8、根据设定软件工具，通过vhdl结构模型或edif连线表生成或通过图形用户界面直接输入结构模型、原理图模型或概念方框图，构建多信号模型；

9、对所述多信号模型中的模块和测试点加载信号；

10、根据设定情况，对所述多信号模型进行修正；

11、根据测试数据及物理模型对所述多信号模型进行检验。

12、作为一种液体火箭发动机测试性分析与状态评估方法的优选方案，在对所述液体火箭发动机测试性模型进行静态故障分析的过程中，以测试集fs(fi)来描述故障fi的故障特征，fs(fi)记为：

13、

14、式中，tj为测试；f为故障特征集；tij为tj对故障fi的测试；

15、所述不可测故障的满足条件为：

16、

17、式中，表示空集；

18、所述故障模糊组的满足条件为：

19、fs(fx)＝fs(fy),(x≠y)

20、式中，fx和fy为故障；

21、所述故障模糊组构成的集合记为ag(f)：

22、

23、式中，ak为模糊度，即模糊组中故障个数；f为系统中全部故障；fs(fx)为故障fx的故障特征；fs(fy)为故障fy的故障特征；

24、所述冗余测试的满足条件为：

25、ts(ti)＝ts(tj)

26、测试ti和tj互为冗余，若选择测试ti，则tj为ti的冗余测试。

27、作为一种液体火箭发动机测试性分析与状态评估方法的优选方案，所述故障检测率的数学模型表达式为：

28、

29、式中，fdr为故障检测率；λd为被检测出的故障模式的总故障率；λ为所有故障模式的总故障率；λi为第i个故障模式的故障率；λdi为第i个被检测出故障模式的故障率；

30、所述故障覆盖率的计算公式为：

31、

32、所述故障隔离率的数学模型表达式为：

33、

34、式中，fir为故障隔离率；λd为被检测出的所有故障模式的总故障率；λl为可隔离到小于等于l个可更换单元的故障模式的故障率之和；λli为可隔离到小于等于l个可更换单元的故障中第i个故障模式的故障率；l为隔离组内的可更换单元数。

35、作为一种液体火箭发动机测试性分析与状态评估方法的优选方案，在根据所述测试性指标分析优化测点分布的过程中，若所述故障覆盖率不满足可测性要求或存在若干所述故障模糊组，则对不可测故障和所述故障模糊组增加传感器测点；若存在所述冗余测试，则剔除多余测点。

36、本发明还提供一种液体火箭发动机测试性分析与状态评估装置，基于以上一种液体火箭发动机测试性分析与状态评估方法，包括：

37、液体火箭发动机测试性模型构建模块，用于根据多信号流图建模策略，构建液体火箭发动机测试性模型；

38、模型静态故障分析模块，用于对所述液体火箭发动机测试性模型进行静态故障分析，获取不可测故障、故障模糊组和冗余测试信息数据；

39、测试性指标计算模块，用于通过所述不可测故障、故障模糊组及冗余测试信息数据计算故障检测率、故障隔离率和故障覆盖率测试性指标；根据所述测试性指标评估发动机故障检测与诊断能力；

40、指标分析优化模块，用于根据所述测试性指标分析优化测点分布，更新所述液体火箭发动机测试性模型，通过更新后的所述液体火箭发动机测试性模型重新计算所述测试性指标。

41、作为一种液体火箭发动机测试性分析与状态评估装置的优选方案，所述液体火箭发动机测试性模型构建模块中，所述多信号流图建模策略的建模步骤为:

42、根据设定软件工具，通过vhdl结构模型或edif连线表生成或通过图形用户界面直接输入结构模型、原理图模型或概念方框图，构建多信号模型；

43、对所述多信号模型中的模块和测试点加载信号；

44、根据设定情况，对所述多信号模型进行修正；

45、根据测试数据及物理模型对所述多信号模型进行检验。

46、作为一种液体火箭发动机测试性分析与状态评估装置的优选方案，所述模型静态故障分析模块中，在对所述液体火箭发动机测试性模型进行静态故障分析的过程中，以测试集fs(fi)来描述故障fi的故障特征，fs(fi)记为：

47、

48、式中，tj为测试；f为故障特征集；tij为tj对故障fi的测试；

49、所述不可测故障的满足条件为：

50、

51、式中，表示空集；

52、所述故障模糊组的满足条件为：

53、fs(fx)＝fs(fy),(x≠y)

54、式中，fx和fy为故障；

55、所述故障模糊组构成的集合记为ag(f)：

56、

57、式中，ak为模糊度，即模糊组中故障个数；f为系统中全部故障；fs(fx)为故障fx的故障特征；fs(fy)为故障fy的故障特征；

58、所述冗余测试的满足条件为：

59、ts(ti)＝ts(tj)

60、测试ti和tj互为冗余，若选择测试ti，则tj为ti的冗余测试。

61、作为一种液体火箭发动机测试性分析与状态评估装置的优选方案，所述测试性指标计算模块中，所述故障检测率的数学模型表达式为：

62、

63、式中，fdr为故障检测率；λd为被检测出的故障模式的总故障率；λ为所有故障模式的总故障率；λi为第i个故障模式的故障率；λdi为第i个被检测出故障模式的故障率；

64、所述故障覆盖率的计算公式为：

65、

66、所述故障隔离率的数学模型表达式为：

67、

68、式中，fir为故障隔离率；λd为被检测出的所有故障模式的总故障率；λl为可隔离到小于等于l个可更换单元的故障模式的故障率之和；λli为可隔离到小于等于l个可更换单元的故障中第i个故障模式的故障率；l为隔离组内的可更换单元数。

69、作为一种液体火箭发动机测试性分析与状态评估装置的优选方案，所述指标分析优化模块中，在根据所述测试性指标分析优化测点分布的过程中，若所述故障覆盖率不满足可测性要求或存在若干所述故障模糊组，则对不可测故障和所述故障模糊组增加传感器测点；若存在所述冗余测试，则剔除多余测点。

70、本发明具有如下优点：根据多信号流图建模策略，构建液体火箭发动机测试性模型；对所述液体火箭发动机测试性模型进行静态故障分析，获取不可测故障、故障模糊组和冗余测试信息数据；通过所述不可测故障、故障模糊组及冗余测试信息数据计算故障检测率、故障隔离率和故障覆盖率测试性指标；根据所述测试性指标评估发动机故障检测与诊断能力；根据所述测试性指标分析优化测点分布，更新所述液体火箭发动机测试性模型，通过更新后的所述液体火箭发动机测试性模型重新计算所述测试性指标。本发明考虑到现有故障诊断方法在难以有效覆盖发动机已有故障模式，提出一种液体火箭发动机测试性分析与状态评估方法，基于多信号流图建模思想建立液体火箭发动机测试性模型；开展发动机测试性定性分析，评估测试性指标并优化测点分布，实现发动机故障模式检测与诊断的有效覆盖。本发明可以直观、明确的表述故障与测点之间的映射关系，有效提高发动机故障检测与诊断的可靠性，保证发动机试车、飞行任务的圆满完成。

技术特征：

1.一种液体火箭发动机测试性分析与状态评估方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机测试性分析与状态评估方法，其特征在于，所述多信号流图建模策略的建模步骤为:

3.根据权利要求2所述的一种液体火箭发动机测试性分析与状态评估方法，其特征在于，在对所述液体火箭发动机测试性模型进行静态故障分析的过程中，以测试集fs(fi)来描述故障fi的故障特征，fs(fi)记为：

4.根据权利要求3所述的一种液体火箭发动机测试性分析与状态评估方法，其特征在于，所述故障检测率的数学模型表达式为：

5.根据权利要求4所述的一种液体火箭发动机测试性分析与状态评估方法，其特征在于，在根据所述测试性指标分析优化测点分布的过程中，若所述故障覆盖率不满足可测性要求或存在若干所述故障模糊组，则对不可测故障和所述故障模糊组增加传感器测点；若存在所述冗余测试，则剔除多余测点。

6.一种液体火箭发动机测试性分析与状态评估装置，采用权利要求1-5任一种液体火箭发动机测试性分析与状态评估方法，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的一种液体火箭发动机测试性分析与状态评估装置，其特征在于，所述液体火箭发动机测试性模型构建模块中，所述多信号流图建模策略的建模步骤为:

8.根据权利要求7所述的一种液体火箭发动机测试性分析与状态评估装置，其特征在于，所述模型静态故障分析模块中，在对所述液体火箭发动机测试性模型进行静态故障分析的过程中，以测试集fs(fi)来描述故障fi的故障特征，fs(fi)记为：

9.根据权利要求8所述的一种液体火箭发动机测试性分析与状态评估装置，其特征在于，所述测试性指标计算模块中，所述故障检测率的数学模型表达式为：

10.根据权利要求9所述的一种液体火箭发动机测试性分析与状态评估装置，其特征在于，所述指标分析优化模块中，在根据所述测试性指标分析优化测点分布的过程中，若所述故障覆盖率不满足可测性要求或存在若干所述故障模糊组，则对不可测故障和所述故障模糊组增加传感器测点；若存在所述冗余测试，则剔除多余测点。

技术总结
一种液体火箭发动机测试性分析与状态评估方法及装置，该方法根据多信号流图建模策略，构建液体火箭发动机测试性模型；对所述液体火箭发动机测试性模型进行静态故障分析，获取不可测故障、故障模糊组和冗余测试信息数据；通过所述不可测故障、故障模糊组及冗余测试信息数据计算故障检测率、故障隔离率和故障覆盖率测试性指标；根据所述测试性指标评估发动机故障检测与诊断能力；根据所述测试性指标分析优化测点分布，更新所述液体火箭发动机测试性模型，通过更新后的所述液体火箭发动机测试性模型重新计算所述测试性指标。本发明可以直观、明确的表述故障与测点之间的映射关系，有效提高发动机故障检测与诊断的可靠性。

技术研发人员：程玉强,谢昌霖,吴建军,杨述明,刘洪刚,张宇
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5