火箭漏电故障诊断技术研究

来源：宝玛科技网

第31卷第7期

2010年7月

兵工学报Vol.31No.7Jul.

2010

ACTAARMAMENTARII

火箭漏电故障诊断技术研究

赵刚

1,3

,黄大荣,黄席樾

(11重庆大学自动化学院,重庆400044;21重庆交通大学信息科学与工程学院,重庆400074;

31第二炮兵装备部驻重庆地区军事代表局,重庆400039)

　　摘要:基于集对分析理论和故障树的相关知识,研究了火箭(LV)测试及发射过程中的一类新

的漏电故障诊断技术。在火箭漏电故障原因的各种可能组合方式构造火箭漏电故障树的基础上,引入中间状态概率的概念。基于集对分析联系数理论确立了漏电故障因素的重要度模型,对系统底事件和顶事件的失效概率进行分析,从而确立了火箭漏电故障诊断的新方法。该方法成功应用于火箭控制系统漏电故障诊断的工程实例表明:该方法能及时诊断火箭系统的漏电故障原因,采取合理的措施有效地排除故障,具有良好的更新能力和应用前景。　　关键词:系统工程;故障诊断;故障树;集对分析联系数;中介概率;重要度　　中图分类号:TP30217文献标志码:A文章编号:100021093(2010)0720916206

ResearchontheLeakCurrentFaultDiagnosticTechnology

forLaunchVehicle

ZHAOGang

1,3

,HUANGDa2rong,HUANGXi2yue

(11ColleageofAutomation,ChongqingUniversity,Chongqing400074,China;21InstituteofInformationScienceandEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China;31ChongqingAgentofSecondArtilleryCorps,Chongqing400039,China)

Abstract:AnewleakcurrentfaultdiagnosismethodofLaunchVehicle(LV)wasresearchedbycombi2ningconnectionnumberofsetpairanalysisandfaulttreeanalysis(FTA).Everykindoffactors,whichcouldmaketheleakcurrentfaultofLV,wasanalyzedindetail.ThenafaulttreemodelofLVleakcur2rentwasconstructedaccordingtoeverypossiblecombinationwayofthesefactors,whichcanimpactonLVleakcurrentfault.Anattributesignificancemodeloffactorinfluencingleakcurrentfaultwaspresen2ted,andaleakcurrentfaultdiagnostictechnologyofLVwasestablishedbyintroducingtheintermediateprobabilityandthetheoryofconnectionnumberofsetpairanalysis.AnexampleofLVleakcurrentfaultdiagnosiswasgiventoverifythereliabilityandeffectivenessofthemodel.Thesimulationresultsshowthatthemodelwaseasytofindtheweaknessofsystem,soithasbetterupdatingcapabilityandappliedprospect.

Keywords:systemengineering;faultdiagnosis;faulttree;connectionnumberofsetpairanalysis;in2termediateprobability;attributesignificance

　　收稿日期:2009-11-11

基金项目:中国国家博士后科学基金(20060401018);重庆市自然科学基金(2006BB2422);重庆市教委科学技术研究项目(KJ060414);

重庆交通大学博士启动基金(07-01-12);重庆交通大学研究生创新基金(0904)

作者简介:赵刚(1973—),男,博士研究生;

黄大荣(1978—),男,副教授,博士后。E2mail:hcx1978@163.com

　第7期火箭漏电故障诊断技术研究

917

0　引言

在火箭(LV)测试和发射过程中,漏电是影响LV正常飞行的主要故障之一,排除故障是保证控制系统正常运行的必要前提。然而,由于漏电故障具有引发因素多、涉及面广、定位困难、危及成败等特点,因此,当电路上某点发生漏电时,与该电路相连的供电母线上的所有线路均表现为漏电,凭经验一时无法判断发生漏电的部位。LV系统中一个关键位置出现差错会造成极大的影响和经济损失,甚至会出现毁灭性的结果。因此,LV系统的漏电故障诊断问题受到了一些学者和专家的重点关注。

目前,国内外针对LV系统的漏电故障诊断的研究成果见诸文献的很少。为了在这方面有所突破,以构建复杂系统故障影响因素的重要度模型,实现故障检测路径次序优化作为研究重点,先后基于[1][2][3]

概率论、信息熵理论、图论、多Agent理[4-7][8]论、灰色理论建立了不同的故障诊断方法,并在LV漏电故障诊断的实际工程中取得了良好的效果。然而,越来越多的实际工程应用表明,LV系统的漏电故障诊断具有一定的范围,如漏电阻小于Ω为漏电,大于10MΩ为不漏电,处于2者之间3M

存在一个中间状态。这个中间状态下对系统漏电有怎样的影响,如何准确描述这种影响,通过查阅文献和实际工程应用表明,到目前为止并没有一种合理的方法能够解决这个问题。很显然,目前已有的漏电故障诊断方法对于描述系统漏电现象具有一定的局限性,其最终评判结果可能并不能符合实际要求。因此,为了解决这个问题,本文引入针对系统从可靠到失效存在中介过渡环节现象所提出的“中介可靠

[9]

性”概念,采用集对分析(SPA)联系数理论,对LV控制系统漏电故障树进行定量分析,深入分析系统漏电故障原因的各种组合方式,并从同(漏电)、异(不确定性)、反(不漏电)3个侧面定量分析系统漏电状态,将系统或部件常介于故障与非故障之间的状态体现出来,并研究不同底事件对系统故障的影响程度,客观反映系统现实情况,从而有所侧重地对设备漏电情况进行管理和监测,以有效提高系统运行可靠性。

定不确定系统来进行数处理和辩证分析。目前,该理论在不少领域得到了应用。111　集对分析

集对分析的基本思路是从同(同一性)、异(差异不确定性)、反(对立性)3个侧面研究该系统中各个集合在给定问题背景下的确定性联系与不确定性联系的联系、可变与转化,并用一个能充分反映上述情况的同异反联系数去系统开展具体的研究。112　联系数

联系数的一般形式为

(1)U=A+Bi+Cj,式中:A,B,C为非负实数;j=-1,以说明Cj与A在

符号上正好相反;i在[-1,1]区间视不同情况取值,以说明B有向A或向C转化的可能性;U称为联系数;A,Bi,Cj分别称为联系数的同部、异部、反部。令N=A+B+C,则N为联系范数;令u=U/N,

a=A/N,b=B/N,c=C/N,联系数就化为联系度

u=a+bi+cj,

(2)

[5,11-12]

式中:a,b,c分别称为同一度、差异度、对立度,这里有a+b+c=1这一归一化约束。113　基于集对分析联系数的系统可靠性概念根据集对分析联系数理论,设一故障树某事件可靠性为RSPA=a+bi+cj,其中:a为系统顶事件或底事件发生的概率;b表示系统顶事件或底事件介于中间状态,即局部暂时的轻微故障的概率;c表示系统顶事件或底事件不发生的概率。b部分通过维修可转化为c的部分,同时若系统没有及时管理和监测,b部分也可转化到a的部分。计算a值时,可将事件的中间状态并入事件不发生状态,再通过常用的方法求得;计算c值时可将事件的中间状态并入事件发生状态,再通过常用方法求得,而b=1-a-c1据此,将联系数应用在可靠性中的运算规则定义如下。

1)2个联系数的和

定义1　设有联系数u1=a1+b1i+c1j,u2=a2+b2i+c2j,则u1与u2的和是联系数u=a+bi+cj,记作u=u1+u2,其中:a=a1+a2-a1a2;c=c1c2;

b=1-a-c.

2)2个联系数的积

1　集对分析理论基本概念

集对分析理论

[10]

是20世纪80年代提出的,它

定义2　设有联系数u1=a1+b1i+c1j,u2=a2+b2i+c2j,则u1与u2的积是联系数u=a+bi+cj,记作u=u1u2,其中:a=a1a2;c=c1+c2-c1c2;b=1-a-c.

3)事件重要度

是一种用于处理带有综合不确定性问题的数学工具,其核心思想为:把不确定性和确定性作为一个确

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兵　工　学　报

定义3　设RSPA=a+bi+cj为联系数故障树顶

212　建立LV系统的故障树

第31卷

事件的可靠性表达式,Ru′=a′+bi′+cj′为联系数故障

树删除底事件u后计算得到顶事件的可靠性表达式。底事件xu的重要度定义为RI=|a′-a|+|b′-b|+|c′-c|.

若RIu>RIv,则说明底事件u对顶事件的影响大于底事件v对顶事件的影响。因此,要减小系统漏电的可能性,首先应考虑改进底事件u.

根据GJB813—1990和GJB450—1988中提出的相关规则,确立LV漏电故障树顶事件为LV系统漏电。主要的中间事件为;控制系统漏电G1、电力供应漏电G2、遥测系统漏电G3、外安系统漏电G4、飞行控制系统漏电G5、测试发控系统漏电G6、测试系统漏电G7,发射控制系统漏电G8等。那么,对于每一个中间事件,逐步分解得出下一级中间事件,直至不能分解为止。鉴于LV系统非常庞大,这里以控制系统为例深入探讨建立故障树,如图2所示。各事件的描述如表1～2所示,其中,表1为系统各故障类型,表2为运用控制系统故障历史数据库并结合集对分析联系数计算规则所得到的各漏电故障类型的底层部件处于正常状态、中介状态、故障状态的统计概率,其中:a为相应部件“故障”状态发生的统计概率;b为相应部件介于中间状态,即部件存在局部的暂时的轻微的故障的统计概率;c为相应部件“正常”状态发生的统计概率。b部分通过维修可转化为c部分,同时系统没有经过及时管理和检测,b部分也可转换为a部分。那么,在实际工程应用中,既可以将系统的中介状态b部分并入正常状态计算a值,也可将它并入故障状态计算c值,主要取决于整体的损坏程度大小,且b=1-a-c.

2　LV漏电系统的故障树模型

211　故障树分析法

(FTA)是用于大型复杂系统可故障树分析靠性、安全性分析和风险评价的一种方法。它是由

[13]

各种事件符号、逻辑符号、其他一些符号以及一些线条组成的一种倒立树状的逻辑因果关系图。FTA法是以各种基本单元失效为出发点,通过在系统中分析各故障之间的逻辑关系来寻找造成某个不期望事件(顶事件)的各种直接和间接原因的一种方法。其基本逻辑门及符号如图1所示。

3　基于集对分析联系数理论和故障树的LV

图1　逻辑门的图形符号

Fig.1　Thegraphicsymboloflogicgates

系统漏电故障诊断定量分析

　　由于LV的控制系统由多个子系统模块组成,

图2　LV漏电查找故障树

Fig.2　ThelookupfaulttreeofleakcurrentofLV

　第7期火箭漏电故障诊断技术研究

919

表1　中间事件描述

Tab.1　Thedescriptionofmiddleevents序号

TOP

G1G2G3G4G5G6G7G8

设计的过程中,详细分析影响LV控制系统漏电的

故障名称系统漏电

类型顶事件中间事件中间事件中间事件中间事件中间事件中间事件中间事件中间事件

控制系统漏电电力供应漏电遥测系统漏电外安系统漏电飞行控制系统漏电测试发控系统漏电测试系统漏电发射控制系统漏电

各种因素,构建LV控制系统漏电查找故障树,以期

得到合理的检修策略。

在故障树模型中,依据LV控制系统漏电查找的故障树,需要对导致LV漏电故障这个顶事件的最小割集进行研究。割集中所有底事件发生了,顶事件必然发生。若将割集中任意去掉一个底事件,就不再是割集,则称之为最小割集。显然,一个故障树的最小割集不止一个,可以帮助发现系统漏电故障发生的最可能环节。故而,基于上述思想,依据上行法求得LV系统故障树MCS共17个,其中:一阶MCS有6个:{X1},{X2},{X3},{X4},{X5},{X6};

表2　底事件描述及其可靠性数据

Tab.2Thedescriptionofbottomeventsanditsreliabilitydata序号

X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11X12X13X14X15X16X17

故障名称地面电源漏电供电电路漏电遥测传感器漏电遥测发射机漏电外测系统漏电安全系统漏电平台漏电速率陀螺漏电配电器漏电伺服机构漏电功放漏电发控台漏电配转机柜漏电地面计算机网络系统漏电采集漏电继电器柜漏电等效器漏电

abc

二阶有5个:{X7},{X8},{X9},{X10},{X11};三阶

有6个:{X12},{X13},{X14},{X15},{X16},{X17}.

当底事件Xi的漏电状态用表2中联系数表示时,可根据定义的联系数计算规则公式得出LV控制系统未来发展与变化的可靠度预测模型为

RTOP=01108+01111i+01781j,

这说明LV系统漏电故障发生可能程度为01108,系统完全可靠的程度仅在01781.在最坏情况下,即事件中间状态部分均转化成完全故障状态(i=1)时,

RTOP=01219+01781j,系统故障发生可能性达到

0100201001010010100101003010010100101001010030100301001010070101001032010080103301008

0100201000010020100101003010020100101001010020100801002010020100901051010090102501007

01996019990199701998019960199701998019980199501901997019910198101917019830194201985

01219;而当事件中介状态被排除回归正常状态时,

系统可靠性程度可达到012.容易看出,虽然各底事件漏电概率非常低,但由于系统结构本身的特点导致顶事件发生的概率依然较高,因此,系统结构设计需要进行补偿控制以保证系统的稳定性。

显然,从RTOP的计算公式可以看出,LV系统处于漏电和非漏电中间状态的概率较大,一旦LV系统漏电存在隐患,如何对系统各部位的运行状态的管理和检测就显得非常重要。为了解决不同部件同时处于“中间”状态而导致系统重构补偿控制的冲突问题,可根据定义3计算出系统的底层部件“中间”状态对系统整体可靠性趋势变化影响的重要度如表3所示。

根据计算结果容易得出:事件X1,X2,X3,X4,

X5,X6,X7,X8,X9,X10,X11,X12,X13,X14,X15,X16,X17.

可能发生多个系统同时存在“中介”状态的情况,则系统的不同结构特点决定了“故障”诊断预测模式的运行机理有所不同,比如:可修复系统的“故障”与“正常”、“中间状态”模式之间存在可逆变化规律,而不可修复系统的“故障”状态与其余2种模式之间不存在可逆变化规律。为保证这一错综复杂的各个环节和各个底层部件中介状态的准确刻画并予以诊断,减少误判率,则需要在对LV控制系统进行

对顶事件的影响权重,从而排出系统漏电权重顺序,

进而有所侧重地对设备漏电情况进行管理和监测,以有效提高系统运行可靠性。

由于在以往的LV控制系统的漏电故障诊断技术的研究中没有考虑中介状态的可转化性,因此,系统的故障诊断及其维护机制的有效性存在一定的风险。为了验证本文基于集对分析理论所提出的考虑

920

兵　工　学　报

表3　各底事件对顶事件的影响权重

Tab.2　Theattributesignificanceofbottom

eventsinfluencingtopevents

序号

X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11X12X13X14X15X16X17

第31卷

幅范围为[-016,018],有效控制宽度为114.说明在LV控制系统漏电故障诊断的控制过程中,漏电

故障诊断的可控性增加了2212%,可极大地减少由于没有考虑中介状态可转化特性而引起的不必要维修所造成的资源损耗。这表明,在LV发射的过程中可将底事件的权重作为部件漏电诊断区域划分及判断的依据。

0100601002010040100201006010040100401004010060100701004010140102001054010160106601015

Fig.4　有中介状态的LV系统漏电

故障控制信号频谱特性

Fig.4　Frequencypropertiescurveoffaultsignal

forLVwithintermediatestate

中介状态可转换特性的LV漏电故障诊断方法的合理性和有效性,对系统进行多次试验论证,以系统发生故障时所显示的控制信号频谱特性作为性能分析指标,对没有考虑中介状态和考虑中介状态的系统故障控制信号频谱特性进行了波形模拟,分别如图3～4所示。图3和图4的对比曲线表明:在没有考

4　结论

在深入分析LV系统结构状态和漏电失效故障

的基础上,建立系统故障树,针对漏电故障特点,引入事件中介概率的概念,并运用集对分析联系数理论对系统漏电现象进行了更全面的估计,发现系统结构问题所在及可靠性薄弱环节,为工程决策与设计提供更多依据。试验验证了模型的可靠性和有效性,计算方法简单,易于实现。

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图3　无中介状态的LV系统漏电

故障控制信号频谱特性

Fig.3　Frequencypropertiescurveoffaultsignal

forLVwithoutintermediatestate

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