航天器推进系统基于定性模型的故障诊断方法研究

目录

摘要 (i)

Abstract (iii)

第一章绪 论 (1)

1.1 研究背景与内涵 (1)

1.2 航天器推进系统动力学建模与仿真研究进展 (3)

1.2.1 推进系统静动态过程的数值模拟方法 (3)

1.2.2 推进系统模块化建模与仿真 (5)

1.3 航天器推进系统故障诊断方法研究进展 (7)

1.3.1 故障可诊断性分析 (8)

1.3.2 故障诊断方法 (9)

1.3.3 故障诊断方法在航天领域的适用性分析 (20)

1.4 航天器推进系统故障诊断系统的应用研究进展 (21)

1.5 论文的研究内容和结构安排 (24)

第二章航天器推进系统故障模式与可诊断性分析 (26)

2.1 引 言 (26)

2.2 典型推进系统的构成及工作过程 (26)

2.2.1 DFH卫星推进系统构成及工作过程 (26)

2.2.2 SZ推进系统构成及工作过程 (28)

2.3 推进系统故障模式与效应分析 (32)

2.4 推进系统故障可诊断性分析 (36)

2.4.1 故障可诊断性评价方法 (37)

2.4.2 故障可诊断性的度量指标 (39)

2.4.3 推进系统可诊断性实例分析 (40)

2.5 小 结 (46)

第三章航天器推进系统动力学建模与仿真 (47)

3.1 引 言 (47)

3.2 推进系统模块化建模方法 (48)

3.2.1 推进系统的模块化分解 (49)

3.2.2 模块的动力学建模 (51)

3.2.3 系统仿真模型的构建 (52)

3.3 推进系统的模块化建模 (53)

3.3.1 气路子系统模块 (54)

3.3.2液路子系统模块 (58)

3.4 推进系统动力学仿真分析 (62)

3.4.1 推进系统动力学仿真模型及其验证 (62)

3.4.2 推进系统主供应管路的动态特性分析 (64)

3.4.3 推进系统姿控管网的动态特性分析 (67)

3.4.4 推进系统水击的抑制方法 (70)

3.5 推进系统故障仿真分析 (74)

3.5.1 推进系统稳态故障效应分析 (74)

3.5.2 推进系统故障过渡特性分析 (82)

3.6 小 结 (84)

第四章航天器推进系统基于符号有向图的诊断方法研究 (86)

4.1 引 言 (86)

4.2 推进系统的SDG建模 (87)

4.2.1 SDG模型及建模方法 (87)

4.2.2 推进系统的SDG模型 (92)

4.3 航天器推进系统基于SDG模型的诊断实例 (95)

4.3.1 基于SDG模型的诊断策略 (95)

4.3.2 DFH卫星推进系统的诊断结果与分析 (96)

4.3.3 SZ推进系统的诊断结果与分析 (98)

4.4 基于SDG模型的推进系统传感器配置 (101)

4.4.1 基于可检测性的传感器配置 (101)

4.4.2 基于可隔离性的传感器配置 (103)

4.4.3 传感器配置实例与分析 (104)

4.5 小 结 (107)

第五章航天器推进系统定性定量集成的故障诊断方法研究 (109)

5.1 引 言 (109)

5.2 推进系统基于SDG模型的动态故障诊断方法 (109)

5.2.1 系统的SDG动态模型描述 (109)

5.2.2 基于SDG模型的动态诊断算法 (110)

5.2.3 SZ推进系统诊断实例分析 (111)

5.3 集成定量信息的SDG模型动态故障诊断方法 (113)

5.3.1 推进系统定量信息的分析 (113)

5.3.2 集成定量信息的SDG模型 (116)

5.3.3 SZ推进系统诊断实例分析 (116)

5.4 小 结 (118)

第六章航天器推进系统故障诊断系统的设计与实现 (120)

6.1 引 言 (120)

6.2 系统总体分析与框架设计 (120)

6.2.1 系统总体分析 (120)

6.2.2 系统总体框架设计 (122)

6.3 系统硬件设计与实现 (123)

6.4 系统软件设计与实现 (126)

6.4.1 故障诊断子系统的实现 (126)

6.4.2 模拟仿真子系统的实现 (129)

6.5 系统集成与验证考核 (131)

6.6 小 结 (134)

结论与展望 (136)

致 谢 (140)

参考文献 (142)

作者简历及在学期间取得的学术成果 (157)

表目录

表1.1 故障诊断方法在航天领域的适用性 (20)

表2.1 DFH卫星推进系统工作过程 (28)

表2.2 DFH卫星推进系统的飞行测量参数 (28)

表2.3 SZ推进系统工作过程 (30)

表2.4 SZ推进系统的飞行检测参数 (31)

表2.5 DFH卫星推进系统故障模式与效应 (33)

表2.6 SZ推进系统故障模式与效应 (35)

表2.7 航天器推进系统主要故障模式 (36)

表2.8 DFH卫星推进系统主要故障模式集 (41)

表2.9 DFH卫星推进系统故障可诊断性分析结果 (41)

表2.10 SZ推进系统主要故障模式集 (42)

表2.11 SZ推进系统故障可诊断性分析结果 (43)

表2.12 DFH卫星推进系统的组件故障可诊断性度量指标 (44)

表2.13 DFH卫星推进系统的故障可诊断性度量指标 (44)

表2.14 SZ推进系统组件的故障可诊断性度量指标 (45)

表2.15 SZ推进系统的故障可诊断性度量指标 (46)

表3.1 航天器推进系统的模块划分结果 (50)

表3.2 航天器推进系统气路子系统组件模块库 (57)

表3.3 推进剂物性参数 (58)

表3.4 航天器推进系统液路子系统组件模块库 (60)

表3.5 推进系统变轨过程仿真结果与设计参数的对比（数据已归一化） (62)

表3.6 推进系统充填和关机过程的水击峰值压力（MPa） (66)

表3.7 推进系统增加节流孔之后的水击峰值压力（MPa） (71)

表3.8 推进系统取消弯管后的水击峰值压力（MPa） (72)

表3.9 不同管路气枕压力下推进系统充填过程中的水击峰值压力（MPa） (73)

表4.1 简化航天器推进系统SDG模型的节点瞬时样本 (88)

表4.2 DFH卫星推进系统的SDG模型瞬时样本 (97)

表4.3 DFH卫星推进系统基于SDG模型的诊断结论 (98)

表4.4 SZ推进系统的SDG模型瞬时故障样本 (100)

表4.5 SZ推进系统基于SDG模型的诊断结论 (100)

表4.6 DFH卫星推进系统基于可检测性的传感器配置结果 (105)

表4.7 DFH卫星推进系统基于可隔离性的传感器配置结果 (105)

表4.8 DFH卫星推进系统传感器配置后的故障可诊断性分析结果 (106)

表4.9 DFH卫星推进系统传感器配置后的系统故障可诊断性度量指标 (106)

表4.10 DFH卫星推进系统传感器配置后的组件故障可诊断性度量指标 (107)

表5.1 SZ推进系统的SDG模型动态诊断结论一 (112)

表5.2 SZ推进系统的SDG模型动态诊断结论二 (112)

表5.3 SZ推进系统集成定量信息的SDG模型动态诊断结论 (118)

表6.1 实验室演示验证系统所选用的硬件 (125)

表6.2 实时故障检测参数 (131)

表6.3 故障诊断原型系统的实验室考核结果 (134)

图目录

图1.1 故障诊断方法分类示意图 (10)

图1.2 Livingstone的结构示意图 (22)

图2.1 DFH卫星推进系统构成图 (27)

图2.2 SZ推进系统构成图 (29)

图3.1 推进系统模块化建模的基本思想 (49)

图3.2 基本组件的模块示意图 (51)

图3.3 反向卸荷式气路减压阀原理图与仿真模型 (55)

图3.4 DFH卫星推进系统动力学仿真模型 (63)

图3.5 推进系统变轨过程的气瓶温度和压力曲线 (64)

图3.6 推进系统启动过程的参数响应 (65)

图3.7 主发动机充填过程中的水击现象 (67)

图3.8 主发动机关机过程中的水击现象 (67)

图3.9 推进系统管网的启动动态特性 (68)

图3.10 推进系统管网的关机动态特性 (69)

图3.11 不同节流孔孔径对推进系统充填水击的影响 (70)

图3.12 节流孔对推进系统充填水击的抑制作用 (71)

图3.13 弯管对推进系统充填水击的抑制作用 (72)

图3.14 增压气路泄漏的故障效应 (75)

图3.15 增压气路堵塞的故障效应 (76)

图3.16 MMH主供应管路泄漏的故障效应 (78)

图3.17 MON主供应管路过滤器堵塞的故障效应 (79)

图3.18 主发动机MMH阀门打开不到位的故障效应 (80)

图3.19 主发动机喉部烧蚀的故障效应 (81)

图3.20 MON主供应管路泄漏的故障过渡特性 (82)

图3.21 MON主供应管路堵塞的故障过渡特性 (83)

图4.1 简化航天器推进系统示意图 (88)

图4.2 简化航天器推进系统的SDG模型 (89)

图4.3 管路组件的SDG模型 (93)

图4.4 双组元推力器的SDG模型 (93)

图4.5 三通管的SDG模型 (93)

图4.6 DFH卫星推进系统的SDG模型 (94)

图4.7 SZ推进系统的SDG模型 (99)

图4.8 简化航天器推进系统SDG模型的二分图 (102)

图4.9 基于可检测性的传感器配置算法 (103)

图4.10 基于可隔离性的传感器配置算法 (104)

图5.1 SDG模型的5级符号阈值 (110)

图5.2 基于SDG的动态故障诊断算法 (111)

图5.3 管路集成定量信息的SDG模型 (114)

图5.4 燃烧室集成定量信息的SDG模型 (114)

图5.5 SZ推进系统集成定量信息的SDG模型 (117)

图6.1 航天器推进系统故障诊断系统总体框架图 (122)

图6.2 故障诊断系统的硬件框架图 (124)

图6.3 实验室验证与演示系统实物图 (126)

图6.4 故障诊断系统的软件功能结构图 (127)

图6.5 卫星推进系统故障诊断系统界面 (128)

图6.6 数据模拟输出流程图 (129)

图6.7 数据回放系统主界面 (130)

图6.8 推进系统回放数据库 (130)

图6.9 数据回放系统界面 (132)

图6.10 正常工况SPS-1下的检测结果 (133)

图6.11 故障工况F1的检测结果 (133)

摘要

论文以我国典型的航天器推进系统（DFH卫星推进系统和SZ推进舱推进子系统）为研究对象，系统、深入地研究了推进系统故障诊断涉及的动力学建模与仿真、故障模式分析与故障效应仿真、集成定性定量的故障诊断、故障可诊断性分析与传感器优化配置等内容，设计实现了航天器推进系统故障诊断系统。

针对航天器推进系统复杂供应管网的动力学特性，建立了推进系统的模块化组件模型库，以此为基础构建了DFH卫星推进系统的动力学仿真模型。针对该推进系统进行了启动和关机过程的动态仿真，结果表明：①在主发动机充填和关机过程中，系统不同位置均出现了显著的水击现象，关机过程的水击频率和峰值压力均显著高于充填过程；②由于姿控供应管网的分流，主供应管路充填过程中水击峰值压力和衰减时间均比其独立工作时显著减小；③在供应管路中增加节流孔，可有效削弱充填、关机过程中的水击效应；利用充填惰性气体或合理采用弯管，也可有效削弱充填过程中的水击效应。

针对航天器推进系统故障样本数据、模式特征和诊断知识难以获取的问题，深入开展了航天器推进系统变轨过程和姿控过程的故障模式与效应分析。针对泄漏与堵塞两大类典型故障模式，分别数值模拟了6种典型故障效应及2种典型故障过渡特性，研究结果可为掌握特定故障对推进系统的影响，并评价特定故障状态下各性能参数的变化和敏感性提供支撑。

针对航天器星上资源有限、推进系统在轨测量参数少的特点，研究并发展了航天器推进系统基于SDG模型的定性诊断方法。研究结果表明，定性SDG模型用于诊断分析时完备性较好，针对DFH卫星推进系统的实例最终得到5个潜在故障集，以及针对SZ推进舱推进子系统的实例最终得到4个潜在故障集，上述故障集均能够覆盖所有可能的故障源。然而，基于定性SDG模型的诊断方法存在分辨率不高、故障难以准确定位的缺点，因此需要结合定量信息对方法进行进一步的改进。

针对基于定性SDG模型方法故障分辨率不高的问题，论文从两个方面研究并发展了集成定量信息的SDG动态故障诊断方法。一是建立了附带时间信息的SDG 模型，发展了相应的故障诊断策略；二是从组件的数学模型分析节点间的影响关系，并集成到SDG模型中。SZ推进系统的诊断实例表明，该方法较好地利用了SDG动态模型所包含的初始响应和历史信息，以及推进系统各组件数学模型包含的变量间定量约束关系，能够有效地提高故障诊断分辨率，3个诊断实例的研究结果都能够准确定位到唯一故障源。

针对故障可诊断性这一重要性能指标，研究并发展了航天器推进系统的故障