表面活性剂系统容错与致动器的缺点

文摘

该射电望远镜(QTT)将配备主动表面调整系统(研究)正确的主反射镜变形引起的环境负荷。为了保证稳定性和表面活性剂的性能系统在故障情况下,有必要采取执行器发生故障时的容错方法。摘要错误控制方法提出了基于执行机构故障权重来解决主动地表断层控制的问题。根据可调的坐标点的面板对应错误的致动器,安装一个新的抛物面的加权矩阵,健康和配合面作为目标来调整曲面的形状。

1。介绍

该射电望远镜(QTT)是一个通用的、高精度的射电望远镜观测频率150 MHz∼115 GHz和观测波长最短的是3毫米。为了确保有效的观察在3毫米的波长,所需的主反射器的精度非常高。一个面板的主要反射器的精度必须小于0.08毫米rms(均方根)[1]。地表变形的主要反射器必须小于0.2毫米rms长期校正后主动表面调整系统(研究)2]。

当最佳表面作为研究的参考面,可以减少变形的主要反射器。许多学者做了大量的工作在最佳的设计。华提出一个最优的最佳表面最初设计基于最小二乘方法(3),但有一个问题,配合面并非最优表面当主反射器的仰角45度。经过进一步研究基于华的研究,陈发现算法与轴向误差最小拟合量是最好的(4]。愣使用原来的算法优化,强调了轴向误差最小拟合量,最后,一个更合理的调整金额可以给5]。在两个工作条件下验证了算法0到90度仰角。

为了纠正变形的主要外部因素造成的反射器如重力、温度,风力,反射器表面的形状调整的研究通过控制执行机构的调整数量位于反射器和钢支撑桁架,这样天线升降时仍然可以保持不变形和旋转6,7]。一个致动器可以支持研究和控制四个相邻板。调整的冗余点的一个小组是不够的。因此,当一些致动器失败,他们不能依靠自己的强烈反对,以弥补结构重力变形。目前没有相关研究设计的最佳执行器故障的情况下表面。因此,它是重要的研究容错方法研究与错误的执行机构。该容错方法为观察员可以用作参考。适用于特殊场合的当前观测装置不能被暂停或执行机构及时维修不能更换。

2。失效机理分析的积极面

望远镜的研究主要由一个主计算机,控制网络,控制总线和致动器8,9]。作为一种高精度的望远镜有大量复杂的机械和传感器,QTT将先进的故障检测技术和复杂的过程。常见的故障类型、故障原因、故障现象和特征的研究如表所示1。

故障诊断的研究主要依赖于望远镜控制系统的故障诊断系统。故障诊断系统需要一系列先进的和聪明的方法,例如,专家系统,故障树(13)、神经网络和模糊系统。优点、缺点和局限性的各种诊断方法如表所示2。

QTT的研究将采用半封闭式循环控制系统正确的表面变形通过控制2000多执行器。特别适用于故障树模型的故障诊断高度复杂的机制。图1显示了故障树,使我们做出定性和定量的分析望远镜的研究,推导出最小割集(14)来确定特定的错误。

故障树分析的推理过程如图2。基于故障树推理机制开始的框架结构故障树的顶事件知识库,然后找到生产框架,选择生产有高概率推理,最后,从上到下故障的原因所在。

3所示。执行机构的故障分析研究

执行机构故障研究中最常见的故障之一。执行机构故障将防止可调主反射器到达指定位置,并将影响获得的射电望远镜。天线效率的下降引起的致动器的缺点是不可逆转的。然而,很难立即更换执行机构。致动器的维护和更换的田马望远镜和快速是一个巨大的挑战17,18]。QTT的研究将包含2000多执行器节点(19]。因此,它是至关重要的维修人员了解故障位置和故障类型维护之前。

3.1。执行机构故障的分类

执行机构故障的状态一般可以分为四类:(1)失败的一个致动器在一个部门条件中,单个节点的望远镜无法调整由于机械或电气故障的一个执行机构。(2)多个致动器在一个领域的失败条件是由多个驱动器或电路的故障在同一地区,控制部门的现场总线,接线盒的故障或堵塞。(3)在多个领域一个驱动器故障条件的多个节点不能调整由于机械结构或电路故障的一个致动器分布在多个地区的望远镜。(4)多个执行机构在多个领域的失败机械结构的失败造成的条件或多个致动器的电路在多个领域,这些领域现场总线控制,分线盒的失败和堵塞。

的故障形式分析了有源平面测量系统和故障诊断系统。最后,望远镜失败的具体模式。

3.2。失效模式分析多个致动器

QTT的研究将采用分布式控制实现抛物线形状的目的保留通过控制每个执行机构的活塞的位移。执行器故障时,面板支持的驱动器的角落也不能完全达到指定的位置或卡住。为了描述执行机构的故障程度,定义为失败的因素 在哪里接近于1,表明该执行机构损坏;接近0,它表明,致动器高度受损(20.]。当一个致动器工作正常,故障因素 ;当一个执行机构是完全不能工作,是失败的因素 ;当一个致动器部分失败,它仍然有一定的执行能力,是失败的因素 。

根据方程(定义的失败因素1),执行器位移的实际能力在不同故障度被定义为以下几点: 在哪里的实际位移致动器,致动器的位移是由电脑。当失败的因素是1时,它代表了致动器没有错,致动器的位移是一样的;失败的因素是0时,它代表了致动器是一个完整的失败,的实际位移致动器是0;当失败的因素 ,它代表有一个部分失败的致动器,的实际位移致动器 。

4所示。活跃的表面故障诊断系统

容错的主反射器由三部分组成,研究、活性表面故障诊断和测量子系统。通过数据分析和实时检测、执行机构故障的故障诊断和容错方法实现。发生在研究失败之后,日志中的相关信息系统传输到活跃的表面故障诊断系统,选择的判别模块进行容错处理和报警系统报告当前的活动引发的表面状态信息的工程师。容错处理进行了致动器的缺点。结果和存储在日志系统,更新和调整金额反馈研究。主计算机控制位移致动器达到新的位置的值。望远镜的场景是合作完成故障诊断系统,研究和测量系统。活跃的表面故障诊断系统是基于故障处理系统的开发的大型望远镜控制系统(21]。故障诊断流程如图3。

板的机械应力和刚度和传动器被认为是活跃的表面故障诊断系统。因此,健康的最佳抛物面矩阵结合权重基于这些信息可以有效地提高故障后的表面形状精度。

5。最优加权最佳抛物面

执行器故障时,主反射器模型异方差性,和加权最佳适合用于解决模型的拟合参数,以便它不遵循异方差性。基于传统的最佳表面设计的想法(3),最优加权方法增加了权重的概念,重点考虑执行器的故障状态。基于方法,当有小数量的执行器故障,为了保证运营效率,望远镜和研究将不会立即停止和维护,但继续使用容错控制研究的最优加权的最佳方法。

5.1。传统方法计算最佳表面

最佳适合的最一般的方法是最小二乘法,最小变形来自2000多个致动器的错误。 在哪里是错误的致动器剩余价值,是残余误差的平方的总和的整个主反射器,致动器的数量。

主反射器表面的形状可以通过反射器表面测量,所以表面变形来自相同的分布。据统计,最小二乘估计参数的最大似然估计方法的误差分布是高斯噪声。

QTT将采用公历天线,其主要反射抛物面和副反射器是一个椭球体。假设原始设计抛物面的方程如下: 在哪里是抛物面的焦距, 理论价值坐标, 的理论位置吗致动器。

实际的表面由刚体位移和弹性变形相对于设计表面,还有6坐标变量的最佳表面相对于最初设计坐标: 。这些参数被称为故障条件的拟合参数。6拟合参数已知时,确定最佳表面均方根最小变形。

轴向坐标设计表面上的任何点最佳表面大约是

简化

然后,最小二乘矩阵形式的轴向测量值之间的误差和最佳坐标值在任意点如下:

缩写:

正则化: 在哪里 拟合参数。可以通过最小二乘法拟合参数(3,最佳拟合的计算推导出抛物面的加权优化在后面的部分。

5.2。最优加权最佳抛物面的计算方法

首先,健康的概念介绍了矩阵来描述每个驱动器的性能状态。健康矩阵作为惩罚项的计算基于加权表面约束的最佳抛物面故障执行器位移,以确保这些致动器可以匹配最优加权最佳抛物面表面不动,和减少表面均方根误差,从而提高天线增益条件下的错。

希斯矩阵是由活性表面故障诊断系统根据每个执行机构的失败因素。致动器的健康状态值为0,表示1和互惠的失败因素的致动器,0代表彻底失败,1代表健康,其他值代表部分失败。值越大,失败程度越高。健康矩阵表示和转换参数解决结合参数的方程组矩阵。最佳抛物面基于最优加权将更加注重信息的故障点,这样实际的转换断层抛物面的最优加权最佳抛物面将故障点的不变性为设计基准实现容错效果。故障点的罚函数可以定义如下: 在哪里与经典之中约束是常数,是整个的表面误差主要反射器表面。这将使目标参数更接近最优值。矩阵形式是用来解决最佳抛物面拟合参数的基于最优加权。 其中W代表的健康矩阵有缺陷的表面。

W的理论设计需要考虑活性表面的故障树模型的故障诊断系统执行机构的可靠性,然后得到故障概率的事件。为了便于仿真,给出一般的简洁表达式。

致动器的健康程度可以定义为每个驱动器故障因素的倒数。一个定义失败的因素是由以下方程: 在哪里由主控制计算机给定的位移,然后呢是实际的位移,代表的相对精度浮点数,这是为了避免分母为零的情况。健康矩阵可以由以下:

的表达 梯度如下:

一个初始值用于解决一个最优解的通过梯度下降法(GD)是最优步长。

6。仿真实验与执行器故障的容错方法

假设一个110米望远镜的焦点直径比为0.33。整个研究分为32个行业,和64年执行机构分布在每一个部门。为方便数据模拟,假定一个致动器控制四个相邻板除了抛物面的中心和边界,总计2048驱动器。执行机构故障后故障残表示为随机分布。通过模拟和比较的故障点位置和nonfault点位置,故障下的最佳表面设计点,尽可能不搬。

致动器的定位误差是一组高斯噪声方差小,表面测量的信噪比设置为20分贝。不同的颜色代表错误的随机分布。误差分布的实际错误故障抛物面如图4。更深的蓝色区域代表的程度和位置的错。白色的圆的位置代表了特定的故障定位。

结合拟合参数和坐标变换公式,一个新的理想坐标的抛物面表面获得22]。

与表面后的表面误差纠正执行器正常工作时,执行器部分故障,研究采用容错方法后,故障发生在0,20岁,35岁,分别和70度的仰角。结果如表所示3。

我们假设主反射器表面均方根误差研究启用后0在理想条件下,不考虑执行器的定位精度的影响。随机选择15个致动器作为实际过失致动器,执行仿真和带主反射器的容错方法错误的执行机构。比较表面的错误和错误的执行器之间的容错方法启用和禁用,很明显,均方根误差远一半在0度仰角,减少到大约一半在20日35度仰角,也减少了rms在70度海拔约0.06毫米。

由于过度的致动器,400年致动器被随机选择仿真分析和比较。致动器的表面变形和活塞的位置nonfault和在不同的海拔数据所示5- - - - - -12。很明显,致动器的位移范围与nonfault小于的容错方法。红线图和蓝线图表表明活塞的位置前后no-faulty致动器采用容错方法,分别。很明显,红线图的波动范围是相对大于蓝线图表范围。活塞位置变化范围1 - 4毫米相比unadopted容错方法。

数据6,8,10,12代表主反射镜变形分布在0,20岁,35岁和70度仰角,(一)代表主反射镜变形研究残疾人时,(b)代表了致动器的主反射镜变形包括破坏研究启用时,(c)代表了致动器的主要反射镜变形包括失败后采用容错方法。蓝点代表失败的致动器的位置。以最优加权最佳抛物面为参考面后,大部分的故障点变形减少。最后,减少主反射器rms的目标是实现。

换句话说,在完全或部分失败的情况下的故障点,nonfault点的冗余调整能力可以弥补缺乏表面精度和提高天线增益和观察望远镜的效率。该方法的可用性可以通过这些例子来验证。我们认为这个方法可以作为一种有效的容错方法,望远镜的维护管理。

7所示。结论

总之,容错方法,它可以降低主反射镜变形驱动器故障的情况下,提出了。这种方法使错误的执行机构固定或部分活动。首先,致动器是用来适应的健康矩阵最优加权最佳抛物面,然后这些nonfaulty致动器驱动主反射镜变形进行补偿。最后,改善的准确性的目的主要在故障条件下反射器。方案提供了理论基础和战略方案的观察员处理故障。

数据可用性

没有数据被用来支持本研究。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由国家重点基础研究发展计划(批准号2018 yfa0404702)和中国科学院(CAS)“西部之光”项目(批准号2017 - xbqnxz - b - 021)。这项工作也在一定程度上支持的操作,维护,和升级基金天文望远镜和设备仪器,来自中国财政部的预算(MOF),中科院管理。同时,作者承认的技术支持。

引用

1. n . Wang“新疆Qitai 110米射电望远镜,”Scientia中央研究院自然史,Mechanica & Astronomica,44卷,不。8日,页。783 - 794年,2014年,在中国。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. a . Orfei m . Morsiani g . Zacchiroli et al .,”诺托射电望远镜上的主动表面系统,”程序对VLBI技术进步和未来观察的可能性2002年9月,东京,日本,。视图:谷歌学术搜索
3. m·l·华”天线变形表面的最佳方法,”现代雷达,1卷,第82 - 75页,1994年,在中国。视图:谷歌学术搜索
4. j·h·陈和李·g·y“离散点抛物线拟合的算法,研究”无线电工程,35卷,不。4尺码页。2005年,在中国。视图:谷歌学术搜索
5. g . j .愣,“精确算法最适合表面轴反射器天线的错误,”中国无线电科学杂志》上,24卷,不。5,页826 - 831,2009年,在中国。视图:谷歌学术搜索
6. k·h·h·c·s . Wang Li应et al .,“活跃的大型射电望远镜天线表面补偿。”国际期刊的天线和传播,卷390,不。3412年,页1687 - 5869,2018年,在中国。视图:谷歌学术搜索
7. j . r . Lacasse“绿色银行望远镜活性表面系统,”天文望远镜和仪器,33卷,不。51岁,310 - 319年,1998页。视图:谷歌学术搜索
8. a . Orfel m . Morsiani g . Zacchiroli et al .,“一个活跃的大型天线反射器,表面”IEEE天线与传播》杂志,46卷,不。4,11-19,2004页。视图:谷歌学术搜索
9. g . Zacchiroli A . Orfei m . Morsiani et al .,“机械传动装置的原型表面活性剂用于抛物面天线,”史di Radioastronomia技术报告IRA,207卷,95页。视图:谷歌学术搜索
10. 问:冯”,分析雷达故障检测和诊断技术和新的发展,“电子组件和信息技术,08年卷,页18 - 23,2018年,在中国。视图:谷歌学术搜索
11. d . Linaric和诉Koroman液压执行器的故障诊断使用神经网络”IEEE国际会议上工业技术学报》上IEEE,页108 - 111年,马里博尔,斯洛文尼亚,2003年5月。视图:谷歌学术搜索
12. x f, f .粉丝,h·l·钱et al .,“粗纱网结构的故障诊断支持主动反射器的大型广播telescope-FAST”中国土木工程杂志,43卷,不。2010年06,页15岁至25岁,中国人。视图:谷歌学术搜索
13. d·李”,为雷达故障诊断基于故障树分析和模糊理论,“计算机测量与控制,卷04,不。28日,页。496 - 497年,2007年,在中国。视图:谷歌学术搜索
14. b . o . Gaddouna和m . Ouladsine”在液压故障诊断过程使用未知输入观察员,”《IEEE国际会议控制应用程序IEEE,页108 - 111年,哈特福德,CT,美国,1997年8月。视图:谷歌学术搜索
15. r·兰道智能故障诊断在澳大利亚望远镜:澳大利亚天文学会的出版物英国剑桥,剑桥大学出版社,1994年。
16. m . c .罗设计的故障诊断系统中央控制系统的大型望远镜中国科学技术大学,合肥,中国,2014。
17. 薛j . x, z, x·d·顾et al .,”一个研究设计的快速拆卸和组装的机制有缺陷的快速执行机构,”天文研究与技术,12卷,不。1,第108 - 102页,2010年,在中国。视图:谷歌学术搜索
18. j .董h·l·金,问:你们et al .,“活性表面田马望远镜控制系统,”天文望远镜和仪器,2016年。视图:谷歌学术搜索
19. 比比,f·雪:王et al .,“初步设计QTT活跃的表面系统控制网络,”机电工程,34卷,不。6 51-56页。2018年,在中国。视图:谷歌学术搜索
20. b .米甲”,诊断多故障的动态二进制矩阵,”IFAC-PapersOnLine,48卷,不。21日,第1302 - 1297页,2015年。视图:谷歌学术搜索
21. j . Wang M.-C。罗,W.-Q。吴et al .,“快,中央控制系统的研究”实验天文学,36卷,不。3,第589 - 569页,2013年,在中国。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. 马z d·h·杨,s .问:王et al .,“天线反射器表面合适的算法基于刚体位移原理,“机械工程学报,46卷,不。18日,页。29-35,2010年,在中国。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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