示：
[0134] 表3单元故障信息设置表
[0135]
[0136] 对模型进行故障注入，本案例以速度环调节器的故障传播做具体分析，其他单元 故障传播分析类似。速度环调节器故障，对信号的传递关系发生变化，其传递函数由
[0137]
[0138]
[0139]
[0140] 由于速度环是速度环调节器的上层单元，速度环传递函数由其组成单元的关系计 算所得，所以在速度环调节器故障的情况下，速度环传递函数由
[0141]
[0142]
[0143]
[0144] 保存故障设置，在故障源输入状态下，运行元胞机模型，得到故障状态元胞机最终 运行如图7中（a) (b)所示。
[0145] 其中模型中元胞状态以颜色进行标识，便于分析实时状态。其中空元胞以空白元 胞标识，正常元胞以白色背景，显示单元名称为标识，故障源以深灰色标识，故障元胞以浅 灰色标识。
[0146] 稳定时刻，元胞机故障程度矩阵S和状态矩阵A如下：
[0147]
[0148] 同理，对所有注入的故障进行传播仿真，得到故障传播结果列表如表4所示。
[0149] 表4故障信息与运行终止元胞状态对应表
[0150]
【主权项】
1. 一种基于元胞机的伺服系统故障传播分析方法，包括以下几个步骤： 步骤1 :根据伺服系统层次关系和各层次内组成单元之间的逻辑关系，对伺服系统进 行层次化分解，确定伺服系统的结构组成； 步骤2 :从产品的最高层次系统级开始，确定子系统的邻居关系，建立邻居关系矩阵， 并对系统级建立元胞机故障传播模型； 步骤3 :从每个子系统级开始，对整个系统的功能模块级以上单元建立相应的元胞机 模型，生成系统的多层级元胞机模型； 步骤4 :确定组成单元对故障信号的传递函数G(S) 底层单元对故障信号的传递函数G(S)通过检测实验中的输入信号r(t)和输出信号 c(t)，并经过普拉斯变换计算得到；高一层模块的故障信号的传递函数G(S)通过底层单元 对故障信号的传递函数组合得到； 步骤5 :在步骤3建好的多层级元胞机模型基础上，获取胞机模型的演化规则； 步骤6 :输入故障源，通过步骤4中的传递函数确定故障传递函数，迭代得到稳定时刻 元胞机故障程度矩阵和状态矩阵，稳定时刻，即令C (t) = C (t-1)，输入初始的故障程度矩 阵和状态矩阵，通过迭代得到结果，并得到整个伺服系统的故障传播结果和故障传播路径。2. 根据权利要求1所述的一种基于元胞机的伺服系统故障传播分析方法，所述的步骤 1具体为： 1) 确定伺服系统的结构组成； 2) 根据产品的结构组成，将产品自上而下划分为若干个约定层次，其中独立的功能单 元为一个约定层次，最低约定层次为功能模块。3. 根据权利要求1所述的一种基于元胞机的伺服系统故障传播分析方法，所述的步骤 2具体为： 对系统级建立元胞机故障传播模型： 首先确定系统级中的子系统的邻居关系矩阵；元胞邻居规则根据邻居关系确定，邻居 关系由邻居方向和耦合系数e表示；根据组件中信号流的方向，将邻居分为入邻居和出邻 居； 邻居定义如下：设信号由A输出流向B，则A是B的入邻居，B是A的出邻居； 耦合系数e即元胞的传递函数在邻居间的作用系数，取值0、1和-1，O表示两元胞无直 接作用关系，1表示正作用关系，-1表示负作用关系，即用矩阵的形式表达系统级元胞机故障传播模型中子系统的邻居关系，称为邻居关系矩 阵； 设M为nXn子模型中邻居关系矩阵；第i行表示非空元胞代表的组成单元，用Ii1表示， 同时将组成单元作为列标列出；对于每i行，依次分析第j列单元是否为其入邻居，若不是， 则Hiu=O ;若是其入邻居，判断两元胞作用关系，正作用关系，则Hl1,= 1 ;负作用关系，则Hl1, =-1 ;由此推得M矩阵表达式：邻居关系矩阵中全零行为信号输入单元，由邻居关系矩阵M生成生成元胞机模型，生 成步骤如下： (1) 查找邻居关系矩阵中全零行对应的单元作为中心元胞，放入元胞机中任意位置，此 时元胞机中只有该中心元胞； (2) 查找M中以此单元ID所在的列的非零元素对应的行，行对应的单元与该单元直接 相联，为以上中心元胞的邻居，放入元胞机中中心元胞的空邻居中； (3) 根据M，判断中心元胞的其他邻居元胞与（2)中置入元胞是否存在邻居关系；若存 在，则须放置在既是中心元胞的邻居又是邻居元胞的邻居的位置；若不存在邻居关系，则须 放在中心元胞邻居范围内，与另外邻居非相邻位置； (4) 当关系矩阵中中心元胞对应单元所在列的非零元素均转化为元胞机中元胞，该中 心元胞的邻居生成完成；否则重复步骤（2)、步骤（3); (5) 依次以中心元胞的邻居元胞作为中心元胞，重复以上（2)、（3)、（4)，直至邻居关系 矩阵中所有行对应的单元均在元胞机模型中生成对应的元胞。4.根据权利要求1所述的一种基于元胞机的伺服系统故障传播分析方法，所述的步骤 5具体包括： 元胞自动机中元胞的t时刻输出信号与元胞自身的表征函数和其入邻居元胞t-Ι时刻 的输出信号有关，BP式中：Ci^⑴为t时刻r(i, j)元胞的信号输出；Gi^为r(i, j)元胞的传递函数；η为入 邻居的个数；Rk(t_l)为t-Ι时刻r (i, j)元胞入邻居的信号输出；(i, j)元胞与其 第k个入邻居的耦合系数，耦合系数即元胞的表征函数在邻居间的作用系数，取值1和-1， 1表示正作用关系，-1表示负作用关系； 对于某一元胞而言，其输入信号等于邻居元胞上一时刻的输出，即 Rk(t-1) = Ck(t-1) 式中：Ck(t-l)为元胞t-1时刻的输入； 在一个元胞机子模型中，每个元胞的输出实质是电路系统中每个单元节点的输出； 将输入信号源也作为一个单元处理，由于信号源为系统提供输入，在原理框图中表现 为只有输出，而没有输入；对于信号源 Cllj (t) = R1, 因此假设元胞传递函数为I ; 公式（1)是元胞机中单个元胞的演化规则，设元胞机共有η个非空元胞，即该子模型共 有η个组成单元，第k个单元为输入信号源；将元胞序号代入（1)式，并元胞机中所有元胞 输出演化规则联立得：由于方程组中元胞均为非空元胞，代表有效组成单元，采用1，2,…，η作为下标表示对 应单元的相应参数； 将方程组（2)展开得：将方程组中等号左右同除以相应的G，得：按照单元对应ID号，令每个元胞t时刻的输出构成输出矩阵C(t)， c(t) = [C1(t)，C2(t)，...，Cn(t)]T t-1时刻元胞输出值构成矩阵c(t-l): C(t_l) = [C1(^t-I), C2(t-1)，."，Cn(t_l)]T 进一步将式（4)转化为矩阵形式：记作G传递函数矩阵； 由邻居关系可知，耦合关系与矩阵关系矩阵M中元素在数值上是相等的 ei.i= m i.i 式中：Hll j为矩阵M中的元素； 因此，为nXn矩阵，矩阵中只有一个非零取值1，其元素按式（6)取值：为B中第i行第j列的元素； 综上所述，元胞机演化规则式（5)简记为： GC (t) = (M+B)C(t-l) (7) 进一步得到t时刻元胞机输出为： C(t) = G YM+BKU-l) (8) 则由元胞机模型中单个元胞的输出演化规则推导出元胞机的演化规则。5.根据权利要求1所述的一种基于元胞机的伺服系统故障传播分析方法，所述的步骤 6中： 故障程度矩阵中的元素为该模块信号输出运行值偏离标称值的程度，即元胞故障程度 值，在[0, 1]上取值，为O代表单元正常无故障，为1代表单元完全故障，0、1之间的数值代 表单元有一定程度的故障，介于正常和完全故障之间，数值越大代表故障程度越大；状态矩 阵中元素为元胞状态，在_1、〇、1中取值，其中-1表示元胞输出处于故障状态，0表示空元 胞，1表示元胞输出处于正常状态；故障传播结果为稳定时刻各层次单元是否故障； 统计当元胞机输出随时间变化趋于稳定，即c(t) =c(t-l)时，元胞机的故障程度矩阵 和状态矩阵，由此得到整个伺服系统的故障传播结果，进而得出故障信号在元胞机模型中 的传播路径。
【专利摘要】本发明公开了一种基于元胞机的伺服系统故障传播分析方法，将伺服系统划分为多个元胞，根据各元胞间的相互作用关系，在一些局部的规则作用下不断演化，来处理伺服系统的仿真和预测的方法，即基于元胞机的伺服系统故障传播分析方法，本发明是通过研究现有故障传播建模方法和定性推理理论，详细分析方法中的关键技术以及实施过程中可能存在的问题；在此基础上，建立基于元胞机的、适用于伺服系统的能够实现故障传播的模型。
【IPC分类】G06F11/22
【公开号】CN105426279
【申请号】CN201510818208
【发明人】赵广燕, 郭树扬, 孙宇锋, 胡薇薇, 李营花
【申请人】北京航空航天大学
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2015年11月23日