一种基于微扰激励的气动回路故障定位系统及方法与流程

本发明涉及气动系统状态监测与故障诊断，具体涉及一种利用比例阀主动施加微扰激励、采集气动回路各分段压力响应并定位故障位置的系统及方法。

背景技术：

1、气动系统通常包括气源及气源处理单元、控制与驱动单元、比例阀、管路与容腔、气动执行器及负载等部分；系统长期运行后，可能出现供气不足、过滤器堵塞、比例阀流量能力衰减、管路泄漏、管路堵塞、容腔泄漏、执行器密封失效和负载卡滞等故障。

2、现有气动回路诊断大多仅根据单点压力是否超限报警，或者在发生明显故障后拆卸元件进行排查，这类方法无法准确判断故障发生在气源、比例阀、管路、容腔还是执行器；特别是在供气压力、实际负载和工作节拍变化时，单点压力变化难以反映真实故障位置。

3、因此，现有技术气动回路故障的定位还有提升的地方。

技术实现思路

1、针对上述缺陷，本发明的目的是提供一种利用系统原有比例阀作为主动激励源，在不影响正常作业的条件下，分析不同气路分段压力响应先后关系、幅值关系和衰减特征，实现气动回路故障定位的系统及方法，以解决现有的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明采用了以下的技术方案：

3、一种基于微扰激励的气动回路故障定位系统，所述气动回路故障定位系统包括气动回路主链路、控制与诊断模块和多个检测组件，其中，所述气动回路主链路包括气源、气源处理、比例阀、管路与容腔、执行器、负载；所述多个检测组件包括四个压力检测组件用于获得气源侧压力、比例阀阀后压力、管路与容腔末端压力和执行器工作腔压力、执行器状态检测组件用于检测执行器和负载、比例阀电压电流检测组件用于检测比例阀的电流、电压；所述控制与诊断模块向所述比例阀的正常驱动指令叠加微扰激励信号，所述微扰激励信号为正负阶跃脉冲、短时脉冲序列、伪随机序列、小幅正弦扫描信号的其中一种，所述微扰激励信号的幅值小于所述比例阀额定驱动范围的预设比例。

4、依照本技术实施例所述的基于微扰激励的气动回路故障定位系统，所述微扰激励信号的幅值为所述比例阀额定驱动幅值的 2% 至 10%。

5、依照本技术实施例所述的基于微扰激励的气动回路故障定位系统，所述执行器状态检测组件包括位移传感器、行程开关、速度传感器、负载传感器。

6、依照本技术实施例所述的基于微扰激励的气动回路故障定位系统，所述控制与诊断模块将所述气动回路主链路区分为气源及气源处理分段、比例阀分段、管路与容腔分段、执行器与负载分段；所述压力检测组件包括压力传感器，所述压力传感器检测的压力建立健康状态下的基准响应模型；所述执行器状态检测组件建立执行器健康状态下的基准响应模型。

7、依照本技术实施例所述的基于微扰激励的气动回路故障定位系统，所述控制与诊断模块包括压力采集模块、微扰生成模块、特征分析模块、故障定位输出模块，所述故障定位输出模块包括通信模块用于发送故障定位结果。

8、依照本技术实施例所述的基于微扰激励的气动回路故障定位系统，所述控制与诊断模块依据故障分段残差、比例阀电参数和执行器状态生成故障定位结果。

9、依照本技术实施例所述的基于微扰激励的气动回路故障定位系统，所述控制与诊断模块还包括传感器一致性校验模块。

10、本技术还提供一种基于微扰激励的气动回路故障定位方法，所述方法包括：

11、步骤1、系统建立：

12、控制与诊断模块将气动回路的主链路区分为气源及气源处理分段、比例阀分段、管路与容腔分段、执行器与负载分段；压力检测组件包括压力传感器，每个分段各设置一个所述压力检测组件；所述比例阀分段设置一个比例阀电压电流检测组件；所述执行器与负载分段设置一个执行器状态检测组件；建立所述压力传感器在健康状态下的检测压力的基准响应模型；建立所述执行器状态检测组件在健康状态下的执行器的基准响应模型；

13、步骤2、输入微扰激励信号：

14、所述控制与诊断模块向所述比例阀的正常驱动指令叠加微扰激励信号；

15、步骤3、残差采集计算：

16、所述控制与诊断模块同步采集各测点压力、比例阀电压电流以及执行器状态数据，并提取各分段的压力响应幅值、响应起始时间、峰值时间、稳定时间和压力衰减率；所述控制与诊断模块进行计算得到各分段残差；

17、步骤4、故障定位和输出：

18、所述控制与诊断模块依据各分段残差输出故障的种类和故障的位置。

19、依照本技术实施例所述的基于微扰激励的气动回路故障定位方法，所述步骤4包括步骤4-1、进行故障的判定：

20、测点po：气源及气源处理分段侧压力响应整体幅值不足，且所述比例阀出口至所述执行器各测点的相对传递关系基本正常，判定为气源压力不足、过滤器堵塞或气源处理单元异常；

21、测点p1：所述比例阀线圈电流、电压或等效电阻异常，且所述比例阀出口压力对微扰激励的响应幅值降低或响应延迟增大时，判定所述比例阀线圈老化、驱动异常、阀芯卡滞或比例阀流通能力下降；

22、测点p2：所述比例阀出口压力响应正常，而所述管路与容腔分段的管路末端压力响应幅值明显减小、传播时延明显增大，判定所述比例阀与管路末端之间存在管路堵塞、接头节流异常或局部流阻增大；所述比例阀出口压力正常建立，但所述管路与容腔分段的管路末端或容腔压力在激励结束后快速衰减，判定所述管路与容腔分段存在管路泄漏、接头泄漏或容腔泄漏；

23、测点p3：所述管路与容腔分段的管路末端压力响应正常、所述执行器工作腔压力异常，或者所述执行器工作腔压力升高但位移响应不足、运动延迟增大，判定所述执行器与负载分段的执行器密封失效、活塞卡滞、外部负载过大或机械机构阻塞；通过压力响应和所述执行器状态响应的组合分析，可区分气路供气不足与机械负载异常。

24、依照本技术实施例所述的基于微扰激励的气动回路故障定位方法，所述方法还包括：

25、校验步骤、校验传感器：为避免所述压力传感器故障造成误判，所述控制与诊断模块执行传感器一致性的校验。

26、本技术的目的是在解决现有技术的气动回路故障诊断依赖单点报警、故障位置难以确定、需要停机排查的问题，通过比例阀施加小幅、短时、可控的微扰激励，使气动回路各分段产生可观测压力响应；根据压力响应的传播时延、响应幅值、衰减速率及与基准状态的偏差，实现气源、比例阀、管路、容腔、执行器及负载侧故障的分段定位。

27、由于采用了以上的技术特征，使得本发明相比于现有技术，具有如下的优点和积极效果：

28、第一、本技术利用比例阀自身作为主动微扰激励源，无需额外设置专用激励器或拆卸气动元件，能够在设备现场完成气动回路检测；

29、第二、本技术不依赖单点压力阈值，而是利用多个分段之间的压力传播时延、幅值衰减和动态响应关系进行定位，因此能够区分气源异常、比例阀异常、管路异常、容腔异常和执行器负载异常；

30、第三、本技术通过小幅、短时微扰信号完成诊断，可在待机或非关键运行窗口自动执行，对设备正常工艺过程影响较小；

31、第四、本技术结合比例阀电流电压信息、分段压力信息及执行器状态信息，可避免将比例阀电气故障、管路泄漏和机械卡滞混淆，提高故障定位准确性。

32、当然，实施本 技术实现要素： 的任何一个具体实施例，并不一定同时具有以上全部的技术效果。