一种数字阀组多故障检测装置及其诊断方法与流程

1.本发明涉及数字液压元件故障诊断技术领域，具体涉及一种数字阀组多故障检测装置及其诊断方法。


背景技术：

2.数字液压以节能、容错性好、互换性强、性价比高以及抗污染能力强等优点成为现代流体传动技术研究的前沿和热点。采用多个小流量增益的数字阀并联构建数字阀组可以通过数字开关组合近似实现连续控制，提高了系统的冗余度、可靠性，并且能够保持原有的频率特性。此外，相较于传统液压阀，数字阀组具有冗余特性。数字阀组由于组成环节和影响因素增加，发生故障和功能失效的几率逐渐增大，对故障的敏感性也越来越高，数字阀故障时精度、稳定性等都会对整个液压系统产生消极影响。单阀故障诊断方法因需较多的传感器，数据处理复杂，局限性较大，现有数字阀组的诊断故障模式单一，且无法判断多阀的多种故障的复杂情况，诊断准确率不高，缺少简单、有效且准确的故障诊断方法，尤其是少传感的故障诊断。


技术实现要素：

3.针对上述的不足，本发明目的解决现有基于单阀的故障诊断方法不适用于的数字阀组复杂故障在线诊断，并且避免了依赖较多传感器的问题；针对现有的数字阀组故障诊断方法存在诊断故障单一，无法兼顾多阀同时出现不同故障的情况，且准确率不高等问题。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.一种数字阀组多故障检测装置，包括：数字阀组(1)、控制系统模块(7)、压力传感器(3)、流量传感器(4)、压力源(5)、出油口(6)通过控制电路(2)并联；
6.数字阀组(1)主要有四个相同流量等级的开关阀、控制器、流量传感器和压力传感器并联组成；
7.压力源(5)主要有液压泵和油箱相连；
8.出油口(6)端电连执行器；
9.控制系统模块(7)主要有采集卡、上位机、可调直流电源、小流量电磁开关阀、压力传感器(3)、流量传感器(4)组成，可调直流电源的第一端电连采集卡的控制端，可调直流电源的第二端电连小流量电磁开关阀线圈的电源端，流量传感器(4)串联数字阀组(1)出口，压力传感器(3)电连数字阀组(1)的出口和进口，采集卡的采集端与流量传感器(4)和压力传感器(3)的输出端电连，采集卡的输出端用过线缆电连上位机。
10.一种数字阀组多故障诊断方法，包括：信号输入，信号编码、故障模型库比较、偏差累加与最小值判断；
11.信号输入：输入的信号主要有控制信号u和数字阀组(1)组前后的压力传感器(3)采集得到的压差信号
△
p；其中，u
i
是一个四维列向量，代表在第i时刻四个数字阀的控制信号；
12.信号编码：控制信号向量u
i
中的二进制信号转化为十进制的数值即为此刻控制向量的信号编码ui，信号编码的变化用于做差以及累加的触发条件；
13.故障模型库比较：由每个阀单独发生打不开、关不上、不能完全打开、不能完全关闭和卡死五种故障状态，任意数量的阀发生任意故障的组合状态及所有阀都正常的状态；信号编码每变化一次，数字阀组实际流量q就与当前控制信号u
i
与压差
△
p下的1296种模型流量q1(u
i
)，
…
，q
21
(u
i
)分别做差取绝对值得到偏差e
1n
,
…
,e
1296n
；
14.偏差累加：当信号编码变化一次就将当前条件下各个流量模型的偏差累加一次，得到偏差和e1，
…
，e
1296
，表示实际流量与1296个流量模型的偏离程度；
15.最小值判断：比较一段时间内e1，
…
，e
1296
的大小，得到最小值e
x
，说明当前状态与第x种状态最为接近，即可判断故障阀的位置、数量以及故障类型。
16.本发明技术方案的进一步改进在于：通过对所有数字阀会发生的所有故障进行建模，通过比较一段时间内实际流量与模型流量的差值和来判断故障类型。
17.本发明技术方案的进一步改进在于：对控制信号没有要求，而且信号之间也没有联系，除此之外，该诊断方法对压力也没有要求，即适合于各种工况。
18.本发明技术方案的进一步改进在于：通过比较一段时间内阀组实际流量与模型流量差异可以判断出任何一个阀或者多个阀阀芯打不开、关不上、卡在中间、不能完全打开、不能完全关上和正常共六种状态。
19.本发明技术方案的进一步改进在于：可应对多个阀同时发生故障的情况，可以判断出故障阀的位置、数量和故障类型。
20.与现有技术相比，本发明提供的一种数字阀组多故障检测装置及其诊断方法有益效果如下：
21.1.本发明基于数字阀组故障流量模型，通过数字阀组实际流量输出与各种流量模型作差运算并累加逐渐放大偏差，可有效提高故障诊断的准确率。
22.2.本发明克服了现有在线诊断方法依靠统计数据和分位数回归等方法的复杂过程，流程更加简单。
23.3.本发明相较于一些基于单阀的故障诊断方法，只需依靠液压系统系统本身就有的流量和压力传感器，无需借助额外的电流、振动传感器等，避免了大量数据的处理过程，并使得阀组体积更小，重量更轻。
24.4.本发明可诊断的多种故障模式，准确度和快速性不受阀数量的影响，在控制信号变化频繁的场合，更能实现快速且准确的故障诊断。
25.5.本发明不局限于单个阀故障，可以诊断多阀不同故障的情况，适用于各种复杂工况环境下。
26.6.本发明不受开关阀流量编码方式的限制，适用于等编码、二进制编码、斐波契那编码等。
27.7.本发明在可以实现在线的实时诊断，而且相较于其他的在线诊断方法数据量较少，减少了控制器运算压力。
28.8.本发明最大的优点就是适用于各种工况，不受应用场景(任意速度、压力)的影响，应用场合十分广泛。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为本发明的数字阀组液压原理示意图。
31.图2为本发明的数字阀组多故障检测装置的诊断方法示意图。
32.图中标号：1
‑
数字阀组；2
‑
控制电路；3
‑
压力传感器；4
‑
流量传感器；5
‑
压力源；6
‑
出油口；7
‑
控制系统模块。
具体实施方式
33.下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.本发明结合附图进行详细说明：
35.图1所示，数字阀组多故障检测装置，数字阀组(1)、控制系统模块(7)、压力传感器(3)、流量传感器(4)、压力源(5)、出油口(6)通过控制电路(2)并联，压力源(5)连接油源，出油口(6)连接执行器；本实施例，以四个阀并联的数字阀组(1)为例，每个阀都可能出现打不开、关不上、不能完全打开、不能完全关上、卡死的5种阀芯故障；单个阀故障的情况下，有种故障流量模型；在两个阀故障情况下，有种故障流量模型；在三个阀出现故障的情况下，有种故障流量模型；在四个阀出现故障情况下，有种故障流量模型以及所有阀均正常流量数学模型。因此，四个阀会出现1296种流量模型每个阀均采用pcm控制信号(即0
‑
关、1
‑
开)，所有四个阀的开关信号共有16种组合，将4个阀的控制信号的所有组合进行编码(0
‑
15)，其中编码信号与四个阀的二进制控制信号一一对应；每当编码信号切换一次时，比较四个阀实际输出流量之和与当前控制信号下上述1296个数学模型的输出流量，运算得到偏差，将偏差取绝对值储存累加器中，随控制信号变化在原来的偏差上多次累加。通过比较累加偏差值，得到最小值对应的故障模型，即可诊断故障阀类型、数量以及位置。
36.本实施例中，如图2所示，数字阀组多故障诊断方法，包括：控制信号编码、故障模型库比较、偏差累加、最小值判断；具体的步骤如下：
37.信号输入：输入的信号包括控制信号u和由阀组前后的压力传感器采集得到的压差信号
△
p。其中，u
i
是一个四维列向量，代表在第i时刻四个数字阀的控制信号；
38.信号编码：控制信号向量u
i
中的二进制信号转化为十进制的数值即为此刻控制向量的信号编码u
i
，信号编码的变化用于做差以及累加的触发条件；
39.其中，二进制转换为十进制的信号编码过程即可表达为(0
‑
16)；
40.故障模型库比较：首先数学模型库中包含1296种流量模型，有每个阀单独发生打不开、关不上、不能完全打开、不能完全关闭和卡死五种故障状态和任意数量的阀发生任意故障的组合状态及所有阀都正常的状态；在这1296种模型下，正常的阀组流量为q1(u
i
)，1阀打不开时阀组流量为q2(u
i
)，2阀打不开时阀组流量为q3(u
i
)，3阀打不开时阀组流量为q4(u
i
)，4阀打不开时阀组流量为q5(u
i
)；1阀关不上时阀组流量为q6(u
i
)，2阀关不上时阀组流量为q7(u
i
)，3阀关不上时阀组流量为q8(u
i
)，4阀关不上时阀组流量为q9(u
i
)；1阀不能完全打开时阀组流量为q
10
(u
i
)，2阀不能完全打开时阀组流量为q
11
(u
i
)，3阀不能完全打开时阀组流量为q
12
(u
i
)，4阀不能完全打开时阀组流量为q
13
(u
i
)；1阀不能完全关闭时阀组流量为q
14
(u
i
)，2阀不能完全关闭时阀组流量为q
15
(u
i
)，3阀不能完全关闭时阀组流量为q
16
(u
i
)，4阀不能完全关闭时阀组流量为q
17
(u
i
)；1阀卡死时阀组流量为q
18
(u
i
)，2阀卡死时阀组流量为q
19
(u
i
)，3阀卡死时阀组流量为q
20
(u
i
)，4阀卡死时阀组流量为q
21
(u
i
)；1阀打不开且2阀打不开的流量为q
22
(u
i
)，1阀打不开且2阀关不上的流量为q
23
(u
i
)，
……
，3阀卡死且4阀卡死的流量为q
171
(u
i
)；1阀、2阀、3阀打不开的流量为q
172
(u
i
)，
……
，2阀3阀4阀卡死的流量为q
671
(u
i
)；1阀、2阀、3阀、4阀打不开的流量为q
672
(u
i
)，
……
，1阀、2阀、3阀、4阀卡死的流量为q
1296
(u
i
)；
41.信号编码每变化一次，数字阀组实际流量q就与当控制信号u
i
与压差
△
p下的1296种模型流量q1(u
i
)，
…
，q
1296
(u
i
)分别做差取绝对值得到偏差e
1n
,
…
,e
1296n
；
42.偏差累加：每当信号编码变化一次就将当前条件下各个流量模型的偏差累加一次，得到偏差和e1，
…
，e
1296
，表示实际流量与1296个流量模型的偏离程度；
43.最小值判断：比较一段时间内e1，
…
，e
1296
的大小，得到最小值e
x
，说明当前状态与第x种状态最为接近，即可判断故障阀类型、数量以及位置。
44.以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明装置权利要求书确定的保护范围内。