【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種基于單機電路級建模的航天器能源系統故障仿真方法，屬于航天器系統仿真領域。
技術介紹
1、能源系統是航天器的重要組成部分，近年來國內外衛星多次因能源系統相關故障引起整星功能下降甚至徹底喪失，究其原因是對能源故障的識別不充分，影響分析不全面，因此才出現了在軌問題的超出設計師認知、故障應對措施無效或不足的情況。這一方面是由于近年來航天器功率逐漸上升，能源系統自身更加復雜，另一方面也是由于總體人員缺少能源故障仿真的有效方法，僅通過傳統的電路設計分析或者簡單的系統級建模已經無法有效的分析和識別系統故障，總體沒有設計手段來準確分析各類故障對系統的影響。根據數據統計，在軌航天器中40％的故障與供配電系統相關，這充分說明了航天器能源系統故障模式識別和風險控制的難題，不是能夠簡單依靠紙面分析解決的。加上當前航天器的復雜度和壽命指標要求越來越高，這對航天器供配電可靠性提出了更加嚴峻的考驗。
2、大型組合體載人航天器采用100v大功率多母線能源系統，，其發用電功率達到30kw以上，用電設備1000臺以上。能源系統呈現出功率大、負載多、電壓高、長壽命的特點，系統形式上形成了多條母線交叉組網的復雜結構和多模式靈活調度的高難度管理策略，系統的工作模式和接口狀態數量大幅度上漲，且存在在軌組建、重構等復雜過程。同時能源系統需要開展在軌分步組建并具備系統拓撲重構的能力，面對如此復雜的能源系統技術和任務功能要求，傳統的通過設計師開展局部的分析后再進行系統級故障分析的方式已無法適應，必須通過有效的分析方法提高對能源故障的識別和影響分析能
3、電氣設計領域和航空設計領域有學者開展了能源相關的建模和仿真，但對于故障仿真的涉及較少，其中地面電網中和艦船領域有學者開展了一定的研究，但一般都面向大的系統級故障，對于面向電路級的支持工程實際工作的研究較少，且其他領域的能源系統與航天能源系統的架構、功能及設計參數顯著不同，不能適用于航天器仿真使用。航天器系統仿真仍處于起步階段，公開文獻較少，對于能源故障仿真的文獻幾無可見。
技術實現思路
1、本專利技術解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提出了一種基于單機電路級建模的航天器能源系統故障仿真方法，通過對航天器能源系統進行單機電路級的建模和仿真，以系統指標要求為判據，對能源系統的各層級故障進行仿真。
2、本專利技術的技術解決方案是：
3、一種基于單機電路級建模的航天器能源系統故障仿真方法，包括：
4、建立航天器能源系統電路模型，包括多個單艙能源系統模型和來訪飛行器模型，各單艙能源系統電路模型和來訪飛行器模型均為具有層級的模型；
5、對航天器能源系統可能出現的故障類型進行分層設置；
6、基于航天器能源系統電路模型，在不同的層級注入不同的故障數據，故障數據包括故障類型、設定參數變化范圍、故障的發生時刻及停止時刻，再進行故障仿真設置及仿真運算參數設置，開展仿真模擬，得到仿真結果。
7、進一步地，單艙能源系統電路模型、來訪飛行器模型均為具有層級的模型，層級自下而上包括元器件模型、單機模型、子系統模型、分系統模型、系統模型；
8、元器件模型的設計要求為：電阻、電容、電感、變壓器、二極管功率器件采用真實電路器件模型，信號器件模型采用數字化等效模型；
9、單機模型的設計要求為：功率拓撲采用真實單機結構設計，單機信息接口采用數字化等效模型，對外供電和內部功率傳輸采用電路器件模型；
10、子系統模型由各單機模型和電纜組成；
11、分系統模型由各子系統模型和電纜組成；
12、系統模型由各分系統模型和電纜組成。
13、進一步地，各級模型的參數設計要求為：
14、模型電壓仿真范圍：電壓適應范圍為[0,u]，u大于航天器的母線電壓波動的理論最大范圍，并預留20％余量；
15、模型電流仿真范圍：電流適應范圍為[0,u/r]，r為電源母線與系統地之間的理論最小阻值；
16、模型阻抗仿真范圍：模型阻抗范圍為[0,r']，r'為開路阻抗，大于500mω；
17、故障溫度仿真范圍：模型溫度范圍為[t1,t2]，t1為設備或器件可能在軌出現的最低溫度，t2為設備或器件可能在軌出現的最高溫度；
18、故障時刻仿真范圍：故障時刻的選取范圍為[0,t2]，t2為系統任務工作的最大時間；
19、故障時刻仿真步長：仿真步長不超過系統控制最高頻率的1/10。
20、進一步地，對航天器能源系統可能出現的故障進行分層設置，自底向上分別為：
21、元器件功能故障及參數漂移：元器件功能故障包括對所用元器件的功能故障，包括器件電路功能失效、單粒子效應、器件管腳短路、管腳/接點開路；參數漂移包括對所用元器件的電阻、電容、控制系數參數漂移，包括時間漂移、溫度漂移和非預期漂移；
22、單機故障：涵蓋型號母線控制、蓄電池、配電設備、負載設備分析確定的可能故障，可能故障包括電壓控制超出額定范圍、輸出功率下降、配電開關狀態跳變、負載短路、電纜開短路；
23、系統故障：包括型號母線分析確定的可能故障，包括單個母線斷電、瞬時掉電、短路、母線電壓超出額定值；
24、組合故障：上述三類故障根據系統工作模式和設備動作進行組合設置。
25、進一步地，對于航天器能源系統可能出現的各層級故障，若涉及漸變型參數的故障模擬，首先設置參數的正常數值，在仿真運行中設置參數變化量，參數變化量為根據參數特點設置的連續數值，在故障模擬過程中隨仿真時間變化成規律性變化。
26、進一步地，對于航天器能源系統可能出現的各層級故障，若涉及階躍型參數的故障模擬，首先設置參數的正常數值，在仿真運行中設置參數變化量，參數變化量為根據參數特點設置的間斷數值，在故障模擬過程中指定某一時刻或多個時刻執行階躍變化。
27、進一步地，對于元器件功能故障中的管腳/接點開路進行模擬：在故障點間阻值設置為大于100mω；對于元器件功能故障中的器件管腳短路進行模擬：在故障點間阻值設置為0～1ω。
28、進一步地，對于參數漂移進行模擬：根據器件手冊設置器件的電氣特性數值變化，偏離標稱值或額定值。
29、進一步地，進行故障仿真設置，設置的仿真流程包括：
30、s1:調入要仿真的故障數據；
31、s2:進行穩態仿真，計算出初始參數；
32、s3:調入暫態仿真，修改暫態仿真計算參數，選取暫態仿真要記錄的波形列表；
33、s4:調入測量工具，從被仿真的系統模型中選取要測量的變量；
34、s5:調入閾值測試工具，從被測量變量中選擇作為故障是否發生的判斷變量，并寫入故障判斷條件；
35、s6:調入波形工具，添加1個或多個變量，將故障發生時需要觀測的系統波形添加。
36、進一步地，設定仿真運算參數，使仿真實現收斂；本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種基于單機電路級建模的航天器能源系統故障仿真方法，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的基于單機電路級建模的航天器能源系統故障仿真方法，其特征在于，航天器能源系統電路模型覆蓋能源系統供電網絡狀態，其中，單艙能源系統電路模型、來訪飛行器模型均為具有層級的模型，層級自下而上包括元器件模型、單機模型、子系統模型、分系統模型、系統模型；
3.根據權利要求2所述的基于單機電路級建模的航天器能源系統故障仿真方法，其特征在于，各級模型的參數設計要求為：
4.根據權利要求1所述的基于單機電路級建模的航天器能源系統故障仿真方法，其特征在于，對航天器能源系統可能出現的故障進行分層設置，自底向上分別為：
5.根據權利要求4所述的基于單機電路級建模的航天器能源系統故障仿真方法，其特征在于，對于航天器能源系統可能出現的各層級故障，若涉及漸變型參數的故障模擬，首先設置參數的正常數值，在仿真運行中設置參數變化量，參數變化量為根據參數特點設置的連續數值，在故障模擬過程中隨仿真時間變化成規律性變化。
6.根據權利要求4所述的基于單機電路級建模
7.根據權利要求4所述的基于單機電路級建模的航天器能源系統故障仿真方法，其特征在于，對于元器件功能故障中的管腳接點開路進行模擬：在故障點間阻值設置為大于100MΩ；對于元器件功能故障中的器件管腳短路進行模擬：在故障點間阻值設置為0～1Ω。
8.根據權利要求4所述的基于單機電路級建模的航天器能源系統故障仿真方法，其特征在于，對于參數漂移進行模擬：根據器件手冊設置器件的電氣特性數值變化，偏離標稱值或額定值。
9.根據權利要求1所述的基于單機電路級建模的航天器能源系統故障仿真方法，其特征在于，進行故障仿真設置，設置的仿真流程包括：
10.根據權利要求7所述的基于單機電路級建模的航天器能源系統故障仿真方法，其特征在于，設定仿真運算參數，使仿真實現收斂；對于具有超過2萬個器件、超過3萬個系統參數的能源系統，仿真運算參數設定為：
...【技術特征摘要】
1.一種基于單機電路級建模的航天器能源系統故障仿真方法，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的基于單機電路級建模的航天器能源系統故障仿真方法，其特征在于，航天器能源系統電路模型覆蓋能源系統供電網絡狀態，其中，單艙能源系統電路模型、來訪飛行器模型均為具有層級的模型，層級自下而上包括元器件模型、單機模型、子系統模型、分系統模型、系統模型；
3.根據權利要求2所述的基于單機電路級建模的航天器能源系統故障仿真方法，其特征在于，各級模型的參數設計要求為：
4.根據權利要求1所述的基于單機電路級建模的航天器能源系統故障仿真方法，其特征在于，對航天器能源系統可能出現的故障進行分層設置，自底向上分別為：
5.根據權利要求4所述的基于單機電路級建模的航天器能源系統故障仿真方法，其特征在于，對于航天器能源系統可能出現的各層級故障，若涉及漸變型參數的故障模擬，首先設置參數的正常數值，在仿真運行中設置參數變化量，參數變化量為根據參數特點設置的連續數值，在故障模擬過程中隨仿真時間變化成規律性變化。
6.根據權利要求4所述的基于單機電路級建模的航天器能源系統故...
【專利技術屬性】
技術研發人員：蔣冀，楊宏，周垚，羅超，黃克武，周昊澄，王麗俐，孫犇，王鵬飛，
申請(專利權)人：北京空間飛行器總體設計部，
類型：發明
國別省市：
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