一种天线座健康状态监测系统及健康评估方法与流程

本发明涉及健康监测，尤其涉及一种天线座健康状态监测系统及健康评估方法。

背景技术：

1、天线座（或转台）作为关键机电液支撑与指向执行机构，在雷达、深空探测、精密机床等领域应用广泛，其运行可靠性直接影响系统整体性能。结构健康监测技术（structurehealth monitoring）是一种通过集成传感器网络、数据采集与分析系统，实时评估结构安全状态并提供预警的技术，其正成为保障天线座长期稳定运行的重要手段。

2、近年来，天线座健康监测技术取得显著进展，呈现出智能化、集成化、网络化的发展趋势，不断将状态监测与故障诊断技术应用于精密系统。尤其在大型雷达与测控天线领域长期重视结构安全与运行可靠性，近年来逐步引入状态监测与故障诊断技术，如通过集成振动、扭矩、温度、电流、编码器等多类传感器，实现对天线座俯仰轴系轴承、齿轮、减速机、伺服电机等关键部件的运行数据采集、监测与阈值预警。

3、然而，当前天线座健康监测技术发展仍存在若干问题，如：监测系统集成度不高，多数系统仍为“孤岛式”部署，难以全面反映设备整体健康状态；故障诊断智能化水平不足，现有算法对复杂工况适应性差，易受干扰，误报、漏报率较高；缺乏统一的数据标准和评价体系等。

技术实现思路

1、为解决现有的技术问题，本发明提供了一种天线座健康状态监测系统及健康评估方法。

2、本发明的具体内容如下：一种天线座健康评估方法，包括如下步骤：

3、s0，通过传感系统采集天线座光纤波长信号、振动信号、温度信号、压力信号、液位信号和漏油信号；

4、s1，将传感系统检测的信号进行采集、传输、管理和边缘计算，获得个光纤应变传感器的应力值（）、个振动传感器的峭度和均方根值（）、个温度传感器的温度值（）、个压力传感器的压力值（）、液位传感器的液位值om和个漏油检测传感器的触发值（）；

5、s2，通过建立天线座有限元模型和数字孪生模型实现有限离散应力信号到全局应力信号的映射关系，获得天线座全局应力结果（），解决有限应变传感器布局的“孤岛”问题，全面反映承力结构应力状态，其中代表天线座有限元模型的节点个数，采用如下数字孪生模型：

6、

7、其中，为响应矩阵；为基向量矩阵；为系数矩阵；

8、s3，根据故障诊断模型获得被监测成员故障状态指数和性能退化指数；

9、s4，评估及处置系统基于成员故障状态指数和性能退化指数，通过健康等级和健康指数对天线座健康状态进行评估，并给出处置建议。

10、进一步的，s1中，应力的计算公式如下：

11、

12、

13、

14、其中，、为光纤应变传感器实时波长和初始波长；、为光纤温补传感器实时波长和初始波长；为温补系数，由温度标定试验获得；为三向应变传感器中0°、45°和90°应变值；为被检测材料弹性模量。

15、进一步的，s1中，振动峭度和均方根值的计算公式如下：

16、

17、

18、其中，为样本数量、为第个样本值，为样本均值。

19、进一步的，s2实现流程为：采用仿真软件workbench建立天线座结构有限元模型，并参数化载荷输入和全局应力输出；利用天线座有限元模型进行参数化计算，输入随机载荷谱，载荷边界由工作极限载荷限定，得到输入和输出的参数化集合；提取参数集合所有的响应矩阵并进行分解得到基向量矩阵，再根据对所有参数下的响应矩阵进行换算得到系数矩阵，最后对参数矩阵和系数矩阵进行训练获得训练后的降阶模型；根据不同输入得到对应系数矩阵，再由求得响应矩阵结果。

20、进一步的，s3中故障诊断模型的诊断方法包括：

21、s31，承力结构应力诊断：根据数字孪生方法获得的天线座全局应力中取结构最大应力，与基于力学试验获得的门限值进行比较，按以下诊断模型获得承力结构故障状态指数和性能退化指数：

22、

23、其中，为所有成员初始性能指数，取值1；为结构应力值健康评估安全裕度系数，由试验获得；

24、s32，传动机构振动诊断：采用振动峭度最大值和均方根值最大值分别与故障模拟试验获得的峭度门限值和均方根值门限值进行比较并组合判断；同时结合基于横向对比方法评估天线座传动机构的健康状态，避免因峭度为冲击敏感型指标造成的外部载荷冲击下引起的虚警误报，具体为：在监测到峭度值出现异常，即时，将所有振动信号峭度值进行横向对比，进行敏感性指标的二次确认，即：

25、，且

26、其中，为横向对比度，由传动机构故障模拟试验获得；

27、如连续3次采样的结果均如此，表明系统未出现预警虚报，则进一步根据下述模型获得传动机构故障状态指数和性能退化指数：

28、当时，

29、当时，

30、当，时，、

31、其中，—峭度与均方根值联合健康评估时的权重，满足，由故障模拟试验获得；、、和取值模型如下：

32、

33、

34、其中，、为峭度和均方根值健康评估安全裕度系数，由故障模拟试验获得；

35、s33，液压系统温度诊断：由数据采集与管理系统采集获得的液压系统油液最高温度，与性能试验获得的温度门限值进行比较，按以下模型获得液压系统故障状态指数和性能退化指数：

36、

37、其中，为温度健康评估安全裕度系数，由试验获得；

38、s34，液压系统压力诊断：由数据采集与管理系统采集获得的液压系统油液最大压力，与性能试验获得的压力门限值进行比较，按以下模型获得液压系统故障状态指数和性能退化指数：

39、

40、其中，为压力健康评估故障裕度系数，由试验获得；

41、s35，液压系统液位诊断：由数据采集与管理系统采集获得的液压油源油量，与油量门限值进行比较，按以下模型获得液压系统故障状态指数和性能退化指数：

42、

43、s36，液压系统漏油诊断：由数据采集与管理系统采集获得的液压系统漏油检测开关状态，其值为0或1，1代表无漏油、0代表有漏油，即故障状态指数和性能退化指数：

44、

45、进一步的，s4中健康等级包括完好、良好、可用和不可用4个等级，对应健康指数取值范围为[0,1]：

46、完好：所有设备均处于能正常工作状态，没有出现性能退化或性能退化不显著，健康指数取值1；

47、良好：设备出现了潜在故障，或者个别设备故障，性能出现部分降级，但仍能正常使用，健康指数取值为区间[0.8,1)；

48、可用：设备性能已经接近功能性失效，需要尽快维修，健康指数取值为区间[0.5,0.8)；

49、不可用：设备已经发生功能性失效，丧失完成任务的能力，健康指数取值为区间[0,0.5)；

50、进一步的，天线座基于成员故障状态的评估模型如下：

51、

52、其中，—天线座故障状态；—成员故障状态指数，其值只能为0或1，1代表无故障、0代表有故障，基于成员故障状态评估将所有成员故障状态指数求逻辑与，因此只要任意一个成员有故障得到，所有成员均无故障时.

53、天线座基于成员性能退化的评估模型如下：

54、

55、

56、其中，为天线座性能退化状态；为成员性能退化指数，取值范围为[0,1]；基于成员性能退化评估将各成员性能退化指数按权重求和，为各成员权重，因此得出为一个0～1之间的数；

57、最后，将和取小值得到天线座健康评估结果，即健康指数：及健康等级：完好、良好、可用和不可用。

58、本发明还公开了一种天线座健康状态监测系统，用于实现上述任一天线座健康评估方法，包括：

59、传感系统：包括光纤应变传感器、振动传感器、温度传感器、压力传感器、液位传感器和漏油检测传感器，作为天线座的组成部分与天线座集成安装，检测天线座成员物理信号，包括承力结构应变信号、传动机构振动信号、液压油温度信号、液压油压力信号、油源液位信号和液压系统漏油信号，并转化为电信号或数字信号；

60、数据采集与管理系统：与传感系统相连，对传感系统检测的信号数据进行采集、传输、管理和边缘计算；所述边缘计算包括对光纤波长信号到应变和应力值的转换与计算，对振动时域信号到频域信号的傅里叶变换，并提取振动峭度和均方根值；

61、健康管理模型：内嵌在评估及处置系统中，包括有限元模型、数字孪生模型和故障诊断模型；通过有限元模型和数字孪生模型建立天线座有限离散应力值到全局应力值的映射关系；故障诊断模型用于诊断并获取天线座健康状态，包括成员故障状态指数和成员性能退化指数；

62、评估及处置系统：与数据采集与管理系统相连，用于故障诊断、云图计算和数据库管理，并根据天线座当前的成员故障状态指数和成员性能退化指数通过加权算法计算获得天线座健康状态，并生成对应的预警信息及处置建议。

63、进一步的，还包括显示终端和数据库；显示终端与评估及处置系统相连，集中显示天线座信号及分析结果、健康状态评估结果、故障诊断结果、系统连接状态和环境参数等；同时与数据库相连，可查看历史发生的故障及数据；数据库存储天线座历史运行数据、健康状态历史评估结果和历史故障及处置结果。

64、本发明通过多物理量传感器在天线座上的集成布置与信号检测，经健康评估模型现了结构有限测点应力到全局应力的映射，解决了应力传感器“孤岛式”布置带来的不能全面反馈天线座结构健康状态的问题；提出一种基于成员故障状态指数和性能退化指数相结合的天线座健康状态评估方法，并结合振动信号特征值的横向对比法消除了外部冲击、扰动等瞬时载荷造成的传动机构故障误报、虚警等问题。