基于Bang-Bang电子减压器落压特性的流量故障判定方法及系统与流程

本发明涉及一种基于bang-bang电子减压器落压特性的流量故障判定方法及系统，属于航天器流量故障诊断。

背景技术：

1、随着航天技术的发展，由于电推力器具有高比冲的优点，大量卫星使用电推进系统执行全寿命期间的在轨位置保持、动量轮卸载等任务。贮供子系统是为电推力器提供稳定的mg/s级微流量的重要产品。若贮供子系统的输出流量异常，偏离电推力器的正常工作范围，将直接影响电推力器的工作性能，甚至导致任务失败。

2、目前国内外应用最广泛的电推进贮供子系统技术方案是通过控制节流器的压力和温度来实现mg/s微流量输出，主要由bang-bang电子减压器和迷宫型流量控制器组成，其工作原理是bang-bang电子减压器周期性开启阀门给缓冲气瓶充气，达到控制压力上限后，关闭阀门，缓冲气瓶放气，压力逐渐下降，低于控制压力下限后开启阀门，如此反复，将缓冲气瓶的压力始终控制在目标压力的允许误差范围内，下游通过迷宫型流量控制器实现mg/s微流量输出。该技术具有一定的流量调节能力，且硬件配置和软件控制都简单可靠，适用于大部分电推进系统。

3、为了保证在轨贮供子系统稳定可靠工作，对压力控制和温度控制采用了多项故障检测方法，包括对压力传感器故障的检测、压力闭环控制故障的检测、温度闭环控制故障的检测、安全压力超限故障保护、充气超时的故障保护等，但是这些诊断方法只能判断贮供子系统工作是否异常，保证贮供子系统产品安全，无法得到在轨实际输出流量值。

4、为了确定贮供子系统的在轨实际输出流量，一般先通过地面流量标定系统，得到其输出流量与bang-bang电子减压器压力和流量控制器温度的函数关系，然后通过在轨压力和温度遥测值，结合地面标定的函数关系得到实际在轨输出流量。该方法为了保证拟合函数关系能够覆盖在轨压力和温度范围，需要足够多的地面流量标定试验的压力、温度点，这极大地增加了地面流量标定的工作量。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：提供一种基于bang-bang电子减压器落压特性的流量故障判定方法及系统，旨在解决贮供子系统已有故障检测方法无法给出具体流量值，预判其输出流量变化趋势的问题，在不增加额外硬件资源的前提下，仅利用在轨压力和温度遥测数据，提供一种简单有效的流量评估和故障判定方法。

2、本发明采用的技术方法如下：

3、基于bang-bang电子减压器落压特性的流量故障判定方法，包括：

4、s1、取第

i个bang-bang充放气周期内，bang-bang阀门的阀门动作后第1个温度分层值发生变化的初始时刻作为落压起点，记录该时刻缓冲气瓶的压力和温度值，并记录落压起点时刻t1；

5、s2、取第

i个bang-bang充放气周期内，bang-bang阀门的阀门动作后最后1个温度分层值发生变化的初始时刻作为落压终点，记录该时刻缓冲气瓶的压力和温度值，并记录落压终点时刻t2；

6、s3、计算所述落压起点时刻t1对应的缓冲气瓶内气体工质密度

ρ1和所述落压终点时刻t2对应的缓冲气瓶内工质密度

ρ2；

7、s4、根据时刻t1、t2，气体工质密度ρ1、ρ2和缓冲气瓶容积v，计算第

i个bang-bang充放气周期内落压过程中缓冲气瓶输出的平均质量流量；

8、s5、重复步骤s1~s4，计算各bang-bang充放气周期的平均质量流量，以各bang-bang充放气周期计算得到的平均质量流量为样本，当样本数量≥n时，采用3σ方法对平均质量流量进行评价，判断是否存在流量异常的情况;

9、其中，n为正整数。

10、在上述基于bang-bang电子减压器落压特性的流量故障判定方法中，所述落压起点时刻t1和落压终点时刻t2通过如下方法确定：

11、bang-bang充放气周期内所对应的缓冲气瓶的温度值呈阶梯状变化，包括若干个在一定区间内温度恒定的温度平台，假设第

i个bang-bang充放气周期为a-b-c，其中a点、c点为谷底值，b点为峰值，取b点对应的温度平台的下一个温度平台的起始时刻为落压起点时刻t1，取c点对应的温度平台的起始时刻为落压起点时刻t2。

12、在上述基于bang-bang电子减压器落压特性的流量故障判定方法中，所述步骤s2中，地面计算时利用氙气的p-ρ-t模型，星上计算时基于压缩因子修正的真实气体状态方程，计算所述落压起点时刻t1对应的缓冲气瓶内工质密度ρ1和所述落压终点时刻t2对应的缓冲气瓶内工质密度ρ2。

13、在上述基于bang-bang电子减压器落压特性的流量故障判定方法中，所述落压起点时刻t1对应的缓冲气瓶内工质密度

ρ1和所述落压终点时刻t2对应的缓冲气瓶内工质密度

ρ2的计算公式如下：

14、

15、其中，j取值为1或2，p为绝对压力pa，m为氙摩尔质量，r0为通用气体常数，t为绝对温度k，z为气态工质压缩因子。

16、在上述基于bang-bang电子减压器落压特性的流量故障判定方法中，所述步骤s4中，根据时刻t1、t2，气体工质密度ρ1、ρ2和缓冲气瓶容积v，计算第

i个bang-bang充放气周期内落压过程中缓冲气瓶输出的平均质量流量，包括：

17、。

18、在上述基于bang-bang电子减压器落压特性的流量故障判定方法中，n取值为100。

19、基于bang-bang电子减压器落压特性的流量故障判定系统，包括：

20、落压起点时刻计算模块，取第

i个bang-bang充放气周期内，bang-bang阀门的阀门动作后第1个温度分层值发生变化的初始时刻作为落压起点，记录该时刻缓冲气瓶的压力和温度值，并记录落压起点时刻t1；

21、落压终点时刻计算模块，取第

i个bang-bang充放气周期内，bang-bang阀门的阀门动作后最后1个温度分层值发生变化的初始时刻作为落压终点，记录该时刻缓冲气瓶的压力和温度值，并记录落压终点时刻t2；

22、密度计算模块，计算所述落压起点时刻t1对应的缓冲气瓶内工质密度

ρ1和所述落压终点时刻t2对应的缓冲气瓶内工质密度

ρ2；

23、质量流量计算模块，根据时刻t1、t2，氙气密度ρ1、ρ2和缓冲气瓶容积v，计算第

i个bang-bang充放气周期内落压过程中缓冲气瓶输出的平均质量流量；

24、评价判断模块，以各bang-bang充放气周期计算得到的平均质量流量为样本，当样本数量≥n时，采用3σ方法对平均质量流量进行评价，判断是否存在流量异常的情况；其中，n为正整数。

25、一种计算机装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以实现上述方法的步骤。

26、一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时实现如上述方法的步骤。

27、本发明与现有技术相比至少包含如下如下有益效果：

28、（1）、本发明提供一种基于bang-bang电子减压器落压特性的流量故障判定方法，解决了贮供子系统已有故障检测方法无法给出具体流量值，预判其输出流量变化趋势的问题，在不增加额外硬件资源的前提下，仅利用在轨压力和温度遥测数据，提供一种简单有效的流量评估和故障判定方法。

29、（2）、本发明提供一种基于bang-bang电子减压器落压特性的流量故障判定方法，能够直接得到贮供子系统在轨实际输出流量，一方面能够判断其工作是否正常，另一方面可以提前识别贮供子系统输出流量变化的趋势，通过及时调整贮供工作参数，避免造成推力器工作异常。

30、（3）、本发明提供一种基于bang-bang电子减压器落压特性的流量故障判定方法，具有监测性能更优，适用场景更广的特点，通过利用气体工质的p-ρ-t关系，仅在轨压力、温度遥测数据即可直接换算输出流量，消除温度波动对压力判定曲线的干扰，适配各类在轨温度环境；采用缓冲气容参数运算，测温更接近流体真实温度，故障判定理论精度更高。

31、（4）、本发明提供一种基于bang-bang电子减压器落压特性的流量故障判定方法，具有轻量化易实现，不增加硬件成本的特点，无需新增卫星硬件设备，仅复用现有卫星的缓冲气瓶压力、温度遥测数据即可完成运算，算法计算量小，能够直接嵌入现有电推进系统完成流量异常故障诊断。

32、（5）、本发明提供一种基于bang-bang电子减压器落压特性的流量故障判定方法，具有提升卫星在轨可靠性，便于批量推广的特点，可实时在轨检测电推进贮供子系统健康状态，及时识别流量异常故障，大幅提升卫星电推进系统运行可靠性；依托现有星上遥测体系即可部署，能在现役、新型卫星中大范围推广应用。