應用于南極大口徑望遠鏡控制系統的故障診斷方法技術方案

應用于南極大口徑望遠鏡控制系統的故障診斷方法：(1).根據望遠鏡控制系統的參數利用Matlab中的Simulink仿真工具建立簡化數學模型；(2).對控制系統分別注入不同類型的故障，為后期訓練神經網絡提供充足的不同類型故障的數據；(3).在控制系統不同故障狀態下分別采集上述的執行器輸出和傳感器輸出的數據；(4).根據輸入的樣本特征和輸出的樣本特征選取輸入層，隱含層，輸出層的個數；對BP神經網絡進行訓練，并通過檢驗樣本數據驗證神經網絡的檢驗結果。本發明專利技術能夠準確診斷出南極望遠鏡的故障，為后期的故障解決的方案提供充足的依據，提高系統的穩定性，本方法實現簡單，有較好的應用價值。

Fault diagnosis method for large scale telescope control system of Antarctic

The fault diagnosis method is applied to the large aperture telescope control system: (1). According to the parameters of the telescope control system using Simulink simulation tools in Matlab to establish a simplified mathematical model; (2). The control system were injected into different types of failures, the network later training of different types of faults, God provided sufficient data; (3) were collected. The actuator and sensor output in different fault state control system data; (4). According to the characteristics of samples and sample characteristics of the input output of the selection of the input layer, the hidden layer, the number of output layer; the BP neural network is trained and verified by the neural network test the test results of the sample data. The invention can accurately diagnose the fault of the Antarctic telescope, provide sufficient basis for the solution of the later fault solution, and improve the stability of the system, and the method has simple realization and good application value.

【技術實現步驟摘要】
應用于南極大口徑望遠鏡控制系統的故障診斷方法
本專利技術涉及一種天文望遠鏡控制系統的故障診斷方法，具體涉及一種應用于南極大口徑望遠鏡控制系統的故障診斷方法，該方法可以準確診斷出南極天文望遠鏡的故障，有利于后期解決方案的實施。本專利技術是國家自然科學基金面上項目“南極大口徑望遠鏡潛隱故障預警及無縫智能自愈策略的研究”的成果。
技術介紹
天文望遠鏡控制系統的故障診斷，其核心功能是實現故障的分類，有利于后期故障解決方案的實施。傳統望遠鏡通常采用頻譜分析的方法來實現控制系統的故障診斷，有效地提取信號的頻率特征，但適用于頻率較高的場合。近年來，南極內陸正在成為開展天文科學研究的重要臺址。其中海拔高達4093米的南極冰穹A(DomeA)是地球上進行天文觀測的最佳站址之一。首先，南極的極夜現象提供了連續數月不間斷觀測的可能。其次，該地區大氣稀薄，風速極低，視寧度極佳，有效降低了大氣湍流造成的望遠鏡成像模糊、抖動等。此外，該地區幾乎不受人工光源的影響，觀測質量較高。中國在2011～2012年第28次南極科考期間，成功安裝第一臺全自動的南極巡天望遠鏡(AST3-1)，在2016～2017年第33次南極科考期間，完成了第二臺南極巡天望遠鏡(AST3-2)和能源支撐平臺PLATO-A的維護，更新了AST3運控數據系統和天文臺址監測自動氣象站。雖然南極擁有極佳的觀測條件，但在高寒、低氣壓的條件下，對電子元件、系統和器件的正常使用都是一種嚴峻的考驗，導致南極望遠鏡會出現不同程度和不同類型的故障，如執行器故障、控制器故障、傳感器故障等，導致望遠鏡不能正常工作。能夠準確診斷出南極天文望遠鏡的故障，有利于后期解決方案的實施。
技術實現思路
本專利技術的目的是針對頻譜分析法診斷故障的不足，提供一種應用于南極大口徑望遠鏡控制系統故障診斷的方法，該方法能夠準確診斷出某類故障，有利于后期故障解決方案的實施，提高系統的可靠性。完成上述專利技術任務的技術方案是：一種應用于南極大口徑望遠鏡控制系統的故障診斷方法，其特征在于，步驟如下：(1).根據望遠鏡控制系統的參數，利用Matlab中的Simulink仿真工具建立簡化數學模型；(2).由于是仿真實驗，因此需對控制系統分別注入不同類型的故障，為后期訓練神經網絡提供充足的不同類型故障的數據；(3).在控制系統不同故障狀態下，分別采集上述的執行器輸出和傳感器輸出的數據；(4).根據輸入的樣本特征和輸出的樣本特征選取輸入層，隱含層，輸出層的個數。對BP神經網絡進行訓練，并通過檢驗樣本數據驗證神經網絡的檢驗結果。其中，所述步驟(2)中給控制系統注入不同類型的故障。其中包括望遠鏡執行器恒偏差故障：即望遠鏡執行器的輸出值與正常情況下的輸出值存在固定的偏差。執行器恒偏差的表達式為：uiout(t)＝uiin(t)+△i(1)其中，△i為常數，i＝1,2,3…,m。望遠鏡執行器恒增益故障：即望遠鏡執行器的輸出以一定的速率偏離其正常的輸出值。執行器恒增益的表達式為：uiout(t)＝△iuiin(t)(2)其中，△i為恒增益變化的系數。望遠鏡執行器卡死故障：即執行器輸出一直處于一個固定值。執行器卡死表達式為：uiout(t)＝γi(3)其中，γi為常數。望遠鏡傳感器恒偏差故障：即望遠鏡傳感器的輸出信號與正常情況下的輸出信號存在固定的偏差。傳感器恒偏差的表達式為：yiout(t)＝yiin(t)+△i(4)其中△i為常數，i＝1,2,3…,n望遠鏡傳感器恒增益故障：即望遠鏡傳感器的輸出信號以一定的速率偏離其正常的輸出值。傳感器恒增益的表達式為：yiout(t)＝△iyiin(t)(5)其中，△i為恒增益變化的系數。望遠鏡傳感器卡死故障：即望遠鏡傳感器的輸出信號一直處于一個固定值。傳感器卡死的表達式為：yiout(t)＝γi(6)其中，γi為常值。所述步驟(3)中，在控制系統不同故障狀態下，分別采集上述的執行器輸出和傳感器輸出的數據，由于神經元激勵函數的飽和特性，因此輸入樣本值應保留在[0,1]之間，則對樣本的輸入、輸出均進行最大值歸一化處理，采用如下方法進行歸一化處理。輸入樣本Xk，設原始訓練樣本的最大值為ximax，得到歸一化處理后的樣本數據為：輸出樣本Yk，設原始輸出樣本的最大值為ymax，則歸一化處理后的樣本數據表達式為：所述步驟(4)中，根據輸入的樣本特征和輸出的樣本特征選取輸入層，隱含層，輸出層的個數。對BP神經網絡進行訓練，并通過檢驗樣本數據驗證神經網絡的檢驗結果。本專利技術是國家自然科學基金面上項目“南極大口徑望遠鏡潛隱故障預警及無縫智能自愈策略的研究”的成果。現有技術中研究望遠鏡故障診斷的方法主要是頻譜分析的方法，而本專利技術中是基于神經網絡的診斷方法。其優點是不受高低頻率的限制，能夠準確診斷出南極望遠鏡的故障，為后期的故障解決的方案提供充足的依據，提高系統的穩定性，本方法實現簡單，對南極大口徑望遠鏡控制系統的故障診斷有較好的應用價值。附圖說明圖1望遠鏡控制系統Simulink仿真圖；圖2望遠鏡執行器恒偏差設置仿真圖；圖3望遠鏡執行器恒增益設置仿真圖；圖4望遠鏡執行器卡死設置仿真圖；圖5望遠鏡傳感器恒偏差設置仿真圖；圖6望遠鏡傳感器恒增益設置仿真圖；圖7望遠鏡傳感器卡死設置仿真圖；圖8訓練網絡層圖；圖9BP網絡訓練結果圖；圖10測試樣本的結果值和誤差值的對比圖。具體實施方式實施例1，南極大口徑望遠鏡控制系統的故障診斷方法。下面將結合附圖和具體實施例對本專利技術做進一步的說明。根據望遠鏡控制系統的參數，利用Simulink仿真工具建立數學模型，如圖1所示。對控制系統注入望遠鏡執行器恒偏差故障、恒增益故障、卡死故障，分別如圖2、圖3、圖4所示。也對控制系統注入望遠鏡傳感器恒偏差故障、恒增益故障、卡死故障，分別如圖5、圖6、圖7所示。在數據采集過程中，人為地在t＝150s時刻給南極望遠鏡控制系統分別增加執行器故障和傳感器故障，并在t＝150s,155s,160s,170s,180s,190s,200s時采集執行輸出和傳感器輸出，得到如下表1、表2、表3、表4、表5、表6的數據，對數據進行歸一化處理，得到如下表7、表8、表9、表10、表11、表12的數據。同時采集測試樣本的數據，如表13所示，對其進行歸一化處理，得到表14的數據。表1在t＝150s,155s,160s,170s,180s,190s,200s時刻采集的執行器恒偏差故障數據表2在t＝150s,155s,160s,170s,180s,190s,200s時刻采集的執行器恒增益故障數據表3在t＝150s,155s,160s,170s,180s,190s,200s時刻采集的執行器恒卡死故障數據表4在t＝150s,155s,160s,170s,180s,190s,200s時刻采集的傳感器恒偏差故障數據表5在t＝150s,155s,160s,170s,180s,190s,200s時刻采集的傳感器恒增益故障數據表6在t＝150s,155s,160s,170s,180s,190s,200s時刻采集的傳感器卡死故障數據表7在t＝150s,155s,160s,170s,180s,190s,200s時刻采集的執行器恒偏差歸一化數據表8在t＝150s,155s,160s,170s,180本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種應用于南極大口徑望遠鏡控制系統的故障診斷方法，其特征在于，步驟如下：(1).根據望遠鏡控制系統的參數，利用Matlab中的Simulink仿真工具建立簡化數學模型；(2).由于是仿真實驗，因此需對控制系統分別注入不同類型的故障，為后期訓練神經網絡提供充足的不同類型故障的數據；(3).在控制系統不同故障狀態下，分別采集上述的執行器輸出和傳感器輸出的數據；(4).根據輸入的樣本特征和輸出的樣本特征選取輸入層，隱含層，輸出層的個數；對BP神經網絡進行訓練，并通過檢驗樣本數據驗證神經網絡的檢驗結果。

【技術特征摘要】
2017.03.21 CN 20171016968601.一種應用于南極大口徑望遠鏡控制系統的故障診斷方法，其特征在于，步驟如下：(1).根據望遠鏡控制系統的參數，利用Matlab中的Simulink仿真工具建立簡化數學模型；(2).由于是仿真實驗，因此需對控制系統分別注入不同類型的故障，為后期訓練神經網絡提供充足的不同類型故障的數據；(3).在控制系統不同故障狀態下，分別采集上述的執行器輸出和傳感器輸出的數據；(4).根據輸入的樣本特征和輸出的樣本特征選取輸入層，隱含層，輸出層的個數；對BP神經網絡進行訓練，并通過檢驗樣本數據驗證神經網絡的檢驗結果。2.根據權利要求1所述的應用于南極大口徑望遠鏡控制系統的故障診斷方法，其特征在于，所述步驟(2)中給控制系統注入不同類型的故障，其中包括望遠鏡執行器恒偏差故障：即望遠鏡執行器的輸出值與正常情況下的輸出值存在固定的偏差；執行器恒偏差的表達式為：uiout(t)＝uiin(t)+△i(1)其中，△i為常數，i＝1,2,3…,m；望遠鏡執行器恒增益故障：即望遠鏡執行器的輸出以一定的速率偏離其正常的輸出值；執行器恒增益的表達式為：uiout(t)＝△iuiin(t)(2)其中，△i為恒增益變化的系數；望遠鏡執行器卡死故障：即執行器輸出一直處于一個固定值；執行器卡死表達式為：uiout(t)＝γi(3)其中，γi為常數；望遠鏡傳感器恒偏差故障：即望遠鏡傳感器的輸出信號與正常情況下的輸出信號存在固定的偏差；傳感器恒偏差的表達式為：yiout(t)＝yiin(t)+△i(4)其中△i為常數，i＝1,2,3…,n；望遠鏡傳感器恒增益故障：即望遠鏡傳感器的輸出信號以一定的速率偏離其正常的輸出值；傳感器恒增益的表達式為：yiout(t)＝△iyiin(t)(5)其中，△i為恒增益變化的系數；望遠鏡傳感器卡死故障：即望遠鏡傳感器的輸出信號一直處于一個固定值。傳感器卡死的表達式為：yiout(t)＝γi(6)其中，γi為常值。3.根據權利要求1所述的應用于南極大口徑望遠鏡控制系統的故障診斷方法，其特征在于，所述步驟(3)中，在控制系統不同故障狀態下，分別采集上述的執行器輸出和傳感器輸出的數據，由于神經元激勵函數的飽和特性，因此輸入樣本值應保留在[0,1]之間，則對樣本的輸入、輸出均進行最大值歸一化處理，采用如下方法進行歸一化處理；輸入樣本Xk，設原始訓練樣本的最大值為ximax，得到歸一化處理后的樣本數據為：輸出樣本Yk，設原始輸出樣本的最大值為ymax，則歸一化處理后的樣本數據表達式為：4.根據權利要求1所述的應用于南極大口徑望遠鏡控制系統的故障診斷方法，其特征在于，所述步驟(4)中，根據輸入的樣本特征和輸出的樣...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊世海，許丹丹，李運，
申請(專利權)人：中國科學院國家天文臺南京天文光學技術研究所，
類型：發明
國別省市：江蘇,32