專利名稱：Dc-dc變換器健康評(píng)估指標(biāo)與故障預(yù)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種DC-DC變換器健康評(píng)估指標(biāo)與故障預(yù)測(cè)方法，屬于可靠性評(píng)估及故障預(yù)測(cè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種電力電子電路不斷涌現(xiàn)。DC-DC變換器作為電力電子電路中的一類重要變換電路，在工程系統(tǒng)中通常是電源的核心組成部分，是設(shè)備正常工作的基礎(chǔ)部件，一旦其發(fā)生故障，輕則使設(shè)備停機(jī)，重則造成人員傷亡。尤其在有高可靠性要求的應(yīng)用領(lǐng)域，如航空電子系統(tǒng)中，其故障將會(huì)帶來(lái)更加嚴(yán)重的損失。因此，需要對(duì)DC-DC變換器進(jìn)行實(shí)時(shí)健康評(píng)估與故障預(yù)測(cè)，以便及時(shí)預(yù)知故障發(fā)生的時(shí)間，并采取相應(yīng)維護(hù)措施，降低故障損失。DC-DC變換器整體性能的退化主要由關(guān)鍵元器件性能退化引起，現(xiàn)階段，其健康評(píng)估多以電路中關(guān)鍵元器件為研究對(duì)象，選用的評(píng)估指標(biāo)多為元器件的特征參數(shù)，如通過(guò)等效串聯(lián)電阻預(yù)測(cè)電解電容的剩余壽命，通過(guò)閾值電壓等實(shí)現(xiàn)功率MOSFET等開(kāi)關(guān)器件的壽命評(píng)估。而在實(shí)際電路監(jiān)控中，不可能對(duì)每個(gè)元器件實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)由于電路中各元器件性能退化及交互耦合作用，很難對(duì)其組成的電路或設(shè)備做準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，因此，需利用電路整體評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。目前電路級(jí)的健康評(píng)估研究很少，大多數(shù)通過(guò)監(jiān)測(cè)由電容性能退化引起的電路輸出參數(shù)(如紋波電壓、輸出電壓等)實(shí)現(xiàn)電路健康評(píng)估。然而，電路輸出參數(shù)的改變并非僅由電容性能退化引起。同時(shí)，目前的研究局限于理想工作條件下，并未考慮實(shí)際工作條件的波動(dòng)對(duì)電路性能造成的影響，在一定程度上，無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的健康評(píng)估及故障預(yù)測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決目前DC-DC變換器健康評(píng)估指標(biāo)多為元件級(jí)，并且未考慮電路工作條件波動(dòng)的問(wèn)題，提出一種新的DC-DC變換器健康評(píng)估指標(biāo)，排除電路輸入電壓、負(fù)載波動(dòng)對(duì)健康評(píng)估指標(biāo)的影響，并將該指標(biāo)用于健康評(píng)估與故障預(yù)測(cè)中。本發(fā)明將DC-DC變換器的功耗等效為電阻消耗的功率，得到電路的功耗等效電阻，然后建立輸入電壓、等效負(fù)載阻抗模值與對(duì)應(yīng)的功耗等效電阻之間的關(guān)系模型，獲取電路在額定輸入電壓、額定等效負(fù)載阻抗模值下的功耗等效電阻，即為健康評(píng)估指標(biāo)。根據(jù)電路的健康評(píng)估指標(biāo)與基準(zhǔn)值之差，評(píng)估電路當(dāng)前的健康狀況，并結(jié)合LS-SVM預(yù)測(cè)算法，進(jìn)行健康評(píng)估指標(biāo)的多步預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)電路的故障預(yù)測(cè)。步驟I、將性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求的DC-DC電路定義為健康電路，從t = O時(shí)刻開(kāi)始采集健康電路的四路狀態(tài)信號(hào)，即輸入電壓、輸入電流、輸出電壓以及輸出電流，獲取各信號(hào)的平均值(uin、Iin>U0uO Iout)，計(jì)算等效負(fù)載阻抗模值I Z I和功耗等效電阻R1()SS，并利用分?jǐn)?shù)階神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立uin、Izl與對(duì)應(yīng)的Rltjss之間的關(guān)系模型；然后計(jì)算健康電路在額定
輸入電壓巧_、額定輸出功率旯,,下的等效負(fù)載阻抗模值I司，以 7; 、同為模型輸入，獲取健康電路的功耗等效電阻^^，以此作為健康評(píng)估指標(biāo)的基準(zhǔn)值；步驟2、采集電路的四路狀態(tài)信號(hào)，即輸入電壓、輸入電流、輸出電壓以及輸出電流，獲取各信號(hào)的平均值(Uin、iin、uout, iwt)，計(jì)算等效負(fù)載阻抗模值Izl和功耗等效電阻
Rloss ;利用分?jǐn)?shù)階神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立uin、IZI與對(duì)應(yīng)的R1qss之間的關(guān)系模型；然后以己、|司為模型輸入，獲取電路的功耗等效電阻，即健康評(píng)估指標(biāo)及^;步驟3、設(shè)定健康評(píng)估指標(biāo)的變化閾值，計(jì)算電路的健康評(píng)估指標(biāo)與基準(zhǔn)值之差，根據(jù)差值和設(shè)定的變化閾值，確定電路的健康指數(shù)，實(shí)現(xiàn)電路的健康評(píng)估；步驟4、計(jì)算不同采樣時(shí)刻的電路健康評(píng)估指標(biāo)，采用LS-SVM算法對(duì)其進(jìn)行時(shí)間序列預(yù)測(cè)，獲取電路未來(lái)時(shí)刻的健康評(píng)估指標(biāo)，預(yù)測(cè)電路的性能狀況。
本發(fā)明采用額定輸入電壓、額定負(fù)載下的功耗等效電阻作為電路健康評(píng)估指標(biāo)，排除輸入電壓和負(fù)載的波動(dòng)對(duì)電路產(chǎn)生的影響，通過(guò)計(jì)算差值對(duì)電路進(jìn)行健康評(píng)估。同時(shí)，對(duì)健康評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行時(shí)序預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)電路的故障預(yù)測(cè)。該方法實(shí)施簡(jiǎn)單，精度較高。


圖I是DC-DC變換器健康評(píng)估與故障預(yù)測(cè)流程圖；圖2是分?jǐn)?shù)階神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練算法流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明如圖I所示，本發(fā)明基于健康評(píng)估指標(biāo)對(duì)DC-DC變換器進(jìn)行健康評(píng)估，并結(jié)合LS-SVM預(yù)測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)電路的故障預(yù)測(cè)。主要包括采集電路信號(hào)、計(jì)算健康評(píng)估指標(biāo)、進(jìn)行健康評(píng)估及故障預(yù)測(cè)。本發(fā)明以純電阻負(fù)載的DC-DC變換器為例，詳細(xì)描述其實(shí)施方式步驟I、獲取DC-DC變換器健康評(píng)估指標(biāo)的基準(zhǔn)值步驟I. I、將性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求的DC-DC電路定義為健康電路，從t = O時(shí)亥IJ開(kāi)始采集健康電路的四路狀態(tài)信號(hào)，分別為輸入電壓Uin、輸入電流iin、輸出電壓Uwt以及輸出電流U。步驟I. 2、獲取各信號(hào)的平均值(Uin、Iin,U0uO I?！?、電路的等效負(fù)載阻抗模值和功耗等效電阻。在純電阻負(fù)載中，等效負(fù)載阻抗模值即為負(fù)載電阻值，因此，根據(jù)式(I)計(jì)算負(fù)載電阻R，根據(jù)式(2)計(jì)算功耗等效電阻Rltjss:
權(quán)利要求
1.DC-DC變換器健康評(píng)估指標(biāo)與故障預(yù)測(cè)方法，其特征在于該方法包括如下步驟 步驟I、獲取DC-DC變換器健康評(píng)估指標(biāo)的基準(zhǔn)值，具體步驟如下 步驟I. I、將性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求的DC-DC電路定義為健康電路，從t = O時(shí)刻開(kāi)始采集健康電路的四路狀態(tài)信號(hào)，分別為輸入電壓Uin、輸入電流iin、輸出電壓Uwt以及輸出電流i t ； 步驟I. 2、計(jì)算各信號(hào)的平均值(Uin、、電路的等效負(fù)載阻抗模值|Z|和功率損耗P1()SS，并將Pltjss等效為電阻消耗的功率，該電阻即為功耗等效電阻Rltjss ； 步驟I. 3、將輸入電壓Uin、等效負(fù)載阻抗模值|Z|和對(duì)應(yīng)的功耗等效電阻Rltjss作為分?jǐn)?shù)階神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本，以Uin、|Z|為網(wǎng)絡(luò)輸入，Rltjss為網(wǎng)絡(luò)輸出，建立Uin、|Z|與Rltjss之間的關(guān)系模型； 步驟I. 4、計(jì)算健康電路在額定輸入電壓額定輸出功率,下的等效負(fù)載阻抗模值_，以Uin、|f|為模型輸入，獲取健康電路的功耗等效電阻，將其作為電路健康評(píng)估指標(biāo)的基準(zhǔn)值； 步驟2、采集DC-DC電路的輸入電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電流，采用步驟I. 2-步驟I. 4的方法計(jì)算電路的健康評(píng)估指標(biāo)Artss ； 步驟3、設(shè)置健康評(píng)估指標(biāo)的變化閾值，計(jì)算電路的健康評(píng)估指標(biāo)與基準(zhǔn)值之差，根據(jù)變化閾值和差值確定電路的健康指數(shù)，實(shí)現(xiàn)電路的健康評(píng)估； 步驟4、獲取電路不同時(shí)刻的健康評(píng)估指標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行時(shí)間序列預(yù)測(cè)，得到未來(lái)時(shí)刻的健康評(píng)估指標(biāo)，預(yù)測(cè)電路的健康狀況。
2.如權(quán)利要求I所述的DC-DC變換器健康評(píng)估指標(biāo)與故障預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟I. 2中，功耗等效電阻Rltjss的計(jì)算公式為
3.如權(quán)利要求I所述的DC-DC變換器健康評(píng)估指標(biāo)與故障預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟I. 3的具體步驟如下 (1)初始化分?jǐn)?shù)階神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)初始化分?jǐn)?shù)階核函數(shù)旋轉(zhuǎn)角及網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)重，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速度和動(dòng)量因子； (2)對(duì)輸入電壓Uin、等效負(fù)載阻抗模值|Z|以及對(duì)應(yīng)的功耗等效電阻Rltjss進(jìn)行歸一化預(yù)處理； (3)以歸一化后的uin、|Z|作為網(wǎng)絡(luò)輸入，對(duì)應(yīng)的Rltjss作為網(wǎng)絡(luò)輸出，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)輸出以及輸出誤差；根據(jù)輸出誤差修正網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和分?jǐn)?shù)階核函數(shù)階次，直至滿足訓(xùn)練結(jié)束條件。
4.如權(quán)利要求I所述的DC-DC變換器健康評(píng)估指標(biāo)與故障預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述的步驟3中定義健康評(píng)估指標(biāo)與基準(zhǔn)值的差值超過(guò)±10%瓦。 表示電路發(fā)生故障，電路的健康評(píng)估判據(jù)具體描述如下 (I)當(dāng)差值在O ±1%及^范圍內(nèi)，電路工作在正常狀態(tài)，健康指數(shù)為I ;(2)當(dāng)差值在±1% ±2%范圍內(nèi)，電路出現(xiàn)微弱退化，健康指數(shù)為O.9; (3)當(dāng)差值在士2%~± 3%瓦_(dá)范圍內(nèi)，電路組件偏離正常狀態(tài)，健康指數(shù)為O. 8 ;以此類推；(4)當(dāng)差值在±9%~±10%范圍內(nèi)，電路基本處于故障狀態(tài)，健康指數(shù)為O. I ； (5)當(dāng)差值在±10%以上，電路處于故障狀態(tài)，健康指數(shù)為O; 因此，計(jì)算電路的健康評(píng)估指標(biāo)與基準(zhǔn)值之差，并對(duì)應(yīng)上述評(píng)估判據(jù)，評(píng)估電路當(dāng)前的健康狀況。
5.如權(quán)利要求I所述的DC-DC變換器健康評(píng)估指標(biāo)與故障預(yù)測(cè)方法，其特征在于所述的步驟4中每隔h分鐘獲取電路的健康評(píng)估指標(biāo)，經(jīng)過(guò)h*k分鐘，獲取連續(xù)k+Ι個(gè)時(shí)刻的健康評(píng)估指標(biāo)，表示為沾Ij +1)，···,G +幻I，利用LS-SVM進(jìn)行q步預(yù)測(cè)，得到第i+k+q時(shí)刻電路的健康評(píng)估指標(biāo)及丨。ss(i + k + q)，依據(jù)步驟3的方法對(duì)其進(jìn)行健康評(píng)估，實(shí)現(xiàn)電路未來(lái)時(shí)刻的故障預(yù)測(cè)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種DC-DC變換器健康評(píng)估指標(biāo)與故障預(yù)測(cè)方法首先采集DC-DC電路的輸入電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電流四路狀態(tài)信號(hào)，計(jì)算各信號(hào)的平均值(Uin、Iin、Uout、Iout)、電路的等效負(fù)載阻抗模值|Z|和功耗等效電阻Rloss，利用分?jǐn)?shù)階神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立Uin、|Z|與Rloss之間的關(guān)系模型；然后計(jì)算健康電路在額定輸入電壓額定輸出功率下的等效負(fù)載阻抗模值以為模型輸入，獲取相應(yīng)的Rloss，作為電路的健康評(píng)估指標(biāo)，計(jì)算電路的健康評(píng)估指標(biāo)與基準(zhǔn)值的差值，根據(jù)差值和設(shè)定的變化閾值確定電路健康指數(shù)，實(shí)現(xiàn)電路的健康評(píng)估；最后，對(duì)電路的健康評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行時(shí)間序列預(yù)測(cè)，獲取未來(lái)時(shí)刻的健康評(píng)估指標(biāo)，預(yù)測(cè)電路的健康狀況。本發(fā)明將額定輸入電壓和額定負(fù)載下的功耗等效電阻作為電路的健康評(píng)估指標(biāo)，排除了輸入電壓和負(fù)載波動(dòng)對(duì)功耗等效電阻的影響，從而準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)電路的健康評(píng)估和故障預(yù)測(cè)。
文檔編號(hào)G01R31/28GK102879728SQ20121039787
公開(kāi)日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月16日
發(fā)明者王友仁, 吳祎, 姜媛媛, 孫權(quán) 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)