基于模型的空間電源故障診斷淺析

苗 狄

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東深圳,518055）

基于模型的空間電源故障診斷淺析

苗 狄

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東深圳,518055）

空間電源故障輕則影響航天器的工作壽命，重則導(dǎo)致航天災(zāi)難，空間電源是航天器的心臟，目前對(duì)于航天器的故障診斷主要是依靠人機(jī)結(jié)合的地面診斷系統(tǒng)，但其實(shí)時(shí)性難以保證，且當(dāng)航天器通信系統(tǒng)故障時(shí)，地面診斷系統(tǒng)將毫無作用，因此，在空間電源的設(shè)計(jì)過程中，一方面通過采用軟硬件冗余的方式提高其可靠性，另一方面，需要研究開發(fā)空間電源的智能故障診斷技術(shù)，能保證航天器在軌可靠運(yùn)行。

失效機(jī)理;基于模型;空間電源;失效模式;故障診斷

0 引言

航天器作為一類由電子、機(jī)械、控制、能源、通訊、材料及計(jì)算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科尖端成果協(xié)同工作的大型多功能復(fù)雜系統(tǒng)，在深空探測(cè)、國防軍事、通信、氣象、地質(zhì)勘探、生態(tài)研究等各個(gè)領(lǐng)域起著不可替代的作用。由于航天器造價(jià)昂貴，并且大部分具有唯一性，因此，高可靠性是對(duì)航天器運(yùn)行的重要要求，目前，航天器的可靠性主要通過硬件的可靠性及軟硬件冗余來保證，仍然會(huì)出現(xiàn)航天器運(yùn)行異?；蛳到y(tǒng)故障問題，而空間電源系統(tǒng)作為航天器的重要組成部分，主要負(fù)責(zé)航天器上的全部負(fù)載的供電，該系統(tǒng)性能的好壞直接關(guān)系到其它系統(tǒng)的工作狀態(tài)，決定著航天器的壽命，因此，研究空間電源的智能故障診斷技術(shù)將大大提高航天器的可靠性。目前，航天器故障診斷主要依靠人機(jī)結(jié)合的地面診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，由地面系統(tǒng)接收航天器的遙測(cè)數(shù)據(jù)，通過對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷航天器的運(yùn)行狀態(tài)，制定對(duì)策，發(fā)出控制指令，但在航天器飛行過程中，地面診斷系統(tǒng)處理故障的實(shí)時(shí)性和控制能力是非常有限的，且當(dāng)航天器的通信系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，地面系統(tǒng)無法完成對(duì)航天器的故障診斷任務(wù)，因此，研究航天器的自主故障診斷技術(shù)是十分必要的。

圖1 空間電源架構(gòu)圖

1 空間電源系統(tǒng)基本組成

空間電源系統(tǒng)多采用太陽電池陣—蓄電池結(jié)構(gòu)，是目前應(yīng)用最為廣泛的航天器電源系統(tǒng)。太陽電池陣—蓄電池電源系統(tǒng)主要由太陽電池陣、蓄電池組和電源控制裝置組成，其中電源控制裝置可以分為兩類，一類由分流調(diào)節(jié)器（SR—Shunt Regulator）、充電調(diào)節(jié)器（BCR—Battery Charge Regulator）、放電調(diào)節(jié)器（BDR—Battery Discharge Regulator）組成，為傳統(tǒng)S3R架構(gòu)，如圖1所示；另一類由串聯(lián)開關(guān)調(diào)節(jié)器和峰值功率跟隨器（PPT）組成。它的主要作用是處理太陽電池陣的輸出功率、實(shí)施母線調(diào)節(jié)、對(duì)蓄電池組進(jìn)行充放電控制、故障診斷與隔離、系統(tǒng)重構(gòu)和測(cè)控管理，保證電源系統(tǒng)可靠地工作。在光照期間，太陽電池陣給負(fù)載提供能量，同時(shí)給蓄電池充電；在地影期間，蓄電池組通過放電調(diào)節(jié)器給負(fù)載供電。整個(gè)能源的配置和調(diào)度由主誤差控制單元負(fù)責(zé)。

2 空間電源故障影響分析

在對(duì)空間電源架構(gòu)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，分析總結(jié)空間電源系統(tǒng)的各分模塊的故障影響，以及故障模式、故障機(jī)理等，有利于對(duì)空間電源故障診斷算法的設(shè)計(jì)，表1給出了空間電源主要模塊的故障模式、故障原因及檢測(cè)方式。

基于上述對(duì)空間電源故障模式及檢測(cè)方法的分析，一般對(duì)于開路或者短路失效的，可直接通過閾值對(duì)比簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)，而需要對(duì)數(shù)值進(jìn)行分析評(píng)估部分，則需要采用解析模型分析結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行殘差發(fā)生，再對(duì)殘差進(jìn)行評(píng)估分析，如BCR輸入電流值錯(cuò)誤、BDR輸出電流值錯(cuò)誤等。

3 基于模型的故障診斷

基于模型的故障診斷技術(shù)的基本出發(fā)點(diǎn)是早期的硬件冗余思想，為了使得航天器具有較高的可靠性，一般在航天器的關(guān)鍵部分設(shè)計(jì)相同的硬件結(jié)構(gòu)來保證在一路損壞的情況下不影響航天器的正常工作，但由于硬件冗余的方法成本高，不靈活等缺點(diǎn)，后期發(fā)展起來的基于模型的故障診斷技術(shù)是基于解析冗余思想，它是將原有的冗余硬件通過軟件的方式取代，可以方便靈活地實(shí)現(xiàn)不同的診斷算法。NASA已經(jīng)成功地開發(fā)了故障診斷引擎Livingstone，并將其應(yīng)用于Earth Observing One中，取得了良好的效果，同時(shí)將它用到快速推進(jìn)劑加載系統(tǒng)中。圖2為基于模型的故障診斷原理圖，基于模型的故障診斷方法首先建立被診斷系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)造不同類型的觀測(cè)器，通過觀測(cè)器的在線監(jiān)控系統(tǒng)輸出，同時(shí)采用數(shù)學(xué)模型對(duì)輸出進(jìn)行估計(jì)，將輸出估計(jì)值與輸出實(shí)測(cè)值進(jìn)行適當(dāng)轉(zhuǎn)換生成殘差，然后對(duì)殘差進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)和診斷。

圖2 基于模型的故障診斷原理圖

目前，分別采用兩套系統(tǒng)對(duì)空間電源故障診斷進(jìn)行分析，一套是基于虛擬平臺(tái)的空間電源故障診斷系統(tǒng)，是通過Simulink搭建空間電源內(nèi)部電路的模型進(jìn)行仿真分析，得到的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)與基于解析模型的預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比生成殘差信號(hào)，可通過在Simulink模型中制造不同的故障類型，分析不同的診斷算法對(duì)故障診斷的準(zhǔn)確性；另一套是基于實(shí)際物理平臺(tái)的故障診斷系統(tǒng)，與虛擬平臺(tái)相類似，采用實(shí)際物理平臺(tái)的測(cè)量值與解析模型的預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比生成殘差，在物理平臺(tái)中注入故障，并分析殘差信號(hào)最終得到電源系統(tǒng)的故障診斷結(jié)果。基于虛擬平臺(tái)主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)診斷算法的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢測(cè)，在保證算法準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，將算法嵌入到實(shí)際物理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)診斷算法及時(shí)性、魯棒性等相關(guān)性能的評(píng)估。如圖3所示，為基于模型的空間電源故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖，給出了基于虛擬平臺(tái)和實(shí)際物理平臺(tái)的故障診斷過程。

表1 空間電源主要模塊故障模式及檢測(cè)方式

4 結(jié)論

采用基于模型的故障診斷技術(shù)可有效地避免知識(shí)缺乏而導(dǎo)致的故障漏檢問題，克服了專家系統(tǒng)的知識(shí)獲取瓶頸，同時(shí)，它也克服了航天器故障診斷的歷史數(shù)據(jù)積累不足問題，基于模型的故障診斷方法是通過對(duì)模型預(yù)估值與系統(tǒng)檢測(cè)輸出值的殘差進(jìn)行評(píng)估，最終獲得被診斷系統(tǒng)的故障模式及類型，可方便直接地應(yīng)用到空間電源故障診斷中，有效地實(shí)現(xiàn)故障的檢測(cè)、診斷及隔離。

圖3 基于模型的空間電源故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖

[1] 黃文虎,夏松波,劉瑞巖等.設(shè)備故障診斷原理、技術(shù)及應(yīng)用.科學(xué)出版社,1996:1-7龍兵，宋立輝，荊武興，姜興渭.航天器故障診斷技術(shù)回顧與展望.導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù). 2003, 263(3):31~37

[2] 徐世昌，榮吉利，紀(jì)常偉等.國外航天飛行器故障診斷技術(shù)[J] .航天情報(bào)研究報(bào)告，1997，（2）：1-29

[3] 龍兵,孫振明,姜興渭.航天器集成健康管理系統(tǒng)研究.航天控制,2003,21(2):56~61 Capel A,Perol P．Comparative performance evaluation between the S4R and the S3R regulated bus topologies．IEEE，2001，(4)：1963-1969

[4] Cheng Yu，Wang Wu，Cui Fujun.Model—Based Fault Diagnosis Methods：A Survey,Proceedings of the 27th Chinese Control Conference，Kunming，2008：17-20

苗狄 (1980年)，男，黑龍江哈爾濱人，漢族，現(xiàn)職稱：講師，學(xué)歷：博士，研究方向：新能源功率變換，微電網(wǎng)等。

Fault diagnosis of space power supply based on Model

Miao Di
(Shenzhen Polytechnic,Shenzhen,Guangdong,518055)

Space power fault light will influence the working life of the spacecraft,in astronautics disaster,space power is the heart of the spacecraft,the spacecraft fault diagnosis mainly depends on the ground monitoring and fault diagnosis system of man-machine combination,but in fact is difficult to guarantee and when the spacecraft communication system fault,ground fault diagnosis system will have no effect.Therefore,in the process of design of space power,on the one hand,by using the software and hardware redundancy to improve the reliability,on the other hand,the research and development of space power intelligent fault diagnosis technology,can ensure the air is in orbit and reliable operation.

failure mechanism;Model based;Failure mode;Fault diagnosis