上海交通大学学报 ›› 2021, Vol. 55 ›› Issue (6): 716-728.doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.254
所属专题: 《上海交通大学学报》2021年“航空航天科学技术”专题; 《上海交通大学学报》2021年12期专题汇总专辑
收稿日期:
2020-09-05
出版日期:
2021-06-28
发布日期:
2021-06-30
通讯作者:
蔡云泽
E-mail:yzcai@sjtu.edu.cn
作者简介:
何夏维(1991-),男,山东省临朐县人,工程师,现主要从事卫星姿态与轨道控制研究
基金资助:
HE Xiawei1,2, CAI Yunze1(), YAN Lingling2
Received:
2020-09-05
Online:
2021-06-28
Published:
2021-06-30
Contact:
CAI Yunze
E-mail:yzcai@sjtu.edu.cn
摘要:
为了在地面根据卫星遥测数据有效把握在轨卫星反作用轮的健康状态,设计了一种合成残差式的反作用轮故障检测方法.该方法针对在轨遥测数据的特点,根据实际可获得的闭环控制反作用轮遥测数据,利用极端梯度提升(XGBoost)回归模型进行转速预测生成残差,并结合黏性摩擦因数对摩擦力矩突变的敏感性进行故障检测.此外,还针对在轨遥测数据不完备的情况,对检测方法进行了验证.结果表明,该方法对于常见的在轨卫星反作用轮故障均有较好的检测效果.合成残差式故障检测方法不依赖于故障样本,对于数据样本的要求也较低,因此在实际地面故障检测系统中具有一定的应用价值.
中图分类号:
何夏维, 蔡云泽, 严玲玲. 一种合成残差式的反作用轮故障检测方法[J]. 上海交通大学学报, 2021, 55(6): 716-728.
HE Xiawei, CAI Yunze, YAN Lingling. A Combined Residual Detection Method of Reaction Wheel for Fault Detection[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2021, 55(6): 716-728.
表1
反作用轮主要参数
序号 | 参数 | 数值 |
---|---|---|
1 | 反作用轮惯量, J/(kg·m2) | 0.0229 |
2 | 电机电动势反馈常数,Ke/(V·rad-1·s) | 0.029 |
3 | 输入阻抗,Rin/Ω | 2 |
4 | 母线电压,Vbus/V | 28 |
5 | 偏置电压,Vbias/V | 6 |
6 | 电压反馈增益Kf | 0.5 |
7 | 驱动增益,Gd/(A·V-1) | 0.37 |
8 | 驱动频率,ωd/(rad·s-1) | 2000 |
9 | 电机转矩参数,Kt/(N·m·A-1) | 0.054 |
10 | 超速循环增益,Ks/(V·rad-1·s) | 95 |
11 | 限制转速,ωs/(r·min-1) | 5000 |
12 | 转矩噪声角偏差,θa/rad | 0.05 |
13 | 高通滤波器频率ωa/(rad·s-1) | 0.2 |
14 | 库伦摩擦因数τc | 0.00477 |
表2
常见反作用轮故障模式
代号 | 故障模式 | 故障表现 | 故障原因 |
---|---|---|---|
F1 | 卡死故障 | 输出力矩首先产生一个巨大的反向扰动,然后快速变为零 | 电子转子不启动、电机转子和定子抱死、转轴断裂、电路短路 |
F2 | 空转故障 | 无法正常响应控制指令,在摩擦力矩作用下转速减小,输出力矩几乎为零 | 电子线路、驱动电机或是电源供应故障 |
F3 | 摩擦故障 | 摩擦力矩增大导致反作用轮输出力矩小于控制力矩,影响控制效果 | 轴承温度增高、轴承润滑差、保持架不稳定、轮体真空密封失效、压力降低 |
F4 | 增益下降故障 | 输出力矩相对期望力矩比例减小 | 驱动电机故障、元器件老化失效 |
F5 | 缓变故障 | 摩擦力矩随时间缓慢增加 | 故障原因与F3摩擦故障一致 |
F6 | 跳变故障 | 转速波动,产生非预期力矩 | 母线电压故障或存在间歇性时变故障 |
表5
遥测频率不一致状态故障检测方法性能对比
故障 | 频率是否一致 | SP/% | Acc/% | 故障 | 频率是否一致 | SP/% | Acc/% |
---|---|---|---|---|---|---|---|
F1 | 是 | 100 | 100 | F4(K4=0.79) | 是 | 98.39 | 98.80 |
F1 | 否 | 98.59 | 99.30 | F4(K4=0.79) | 否 | 83.79 | 90.33 |
F2 | 是 | 99.17 | 99.59 | F5(β5=0.21×10-3) | 是 | 88.48 | 88.48 |
F2 | 否 | 99.17 | 99.59 | F5(β5=0.21×10-3) | 否 | 87.52 | 87.52 |
F3(K3=1.43) | 是 | 98.31 | 98.68 | F6 | 是 | 99.92 | 98.80 |
F3(K3=1.43) | 否 | 81.22 | 89.04 | F6 | 否 | 100 | 98.68 |
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