基于模型的平臺慣導故障

金勇俊，宋守春，劉 東

(1. 95377 部隊，武漢 430030;2. 95006 部隊，武漢 430030)

慣性導航是一種自主性強、精度高、安全可靠的精密導航技術，具有不依賴外界信息、隱蔽性好、抗輻射性強、全天候等特點，能及時輸出各種導航數(shù)據(jù)，并為載體提供精確的姿態(tài)基準，被廣泛應用于航空、航海和宇航技術領域［1］。隨著科學技術的不斷發(fā)展，先后出現(xiàn)了多種導航方式。由于各種導航方式各有利弊，近年來，人們開始將不同的導航設備組成組合式導航系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)導航精度和可靠性。但在各種組合導航方案中，往往都以慣性導航系統(tǒng)作為主系統(tǒng)，以其他導航設備或系統(tǒng)作為輔助［2］。在水下，無線電導航方式、天文導航方式等很難發(fā)揮作用，聲納又易于暴露目標，唯有慣性導航能滿足要求［2］。此外，目前的戰(zhàn)略導彈也多采用慣性制導系統(tǒng)［1］。由此可見，慣性導航制導系統(tǒng)具有極為廣泛的應用前景，在多個領域發(fā)揮著不可或缺的作用。

1 故障診斷的方法

故障可以理解為至少一個系統(tǒng)的重要變量或特性偏離了正常范圍，從廣義上來講故障可以理解為系統(tǒng)表現(xiàn)出與期望值不符的特性。

對設備故障的診斷主要分2 種方法，一種是傳統(tǒng)的基于規(guī)則的故障診斷方法，另一種是基于模型的故障診斷方法［4］。平臺慣導設備的診斷采用基于模型的方法。

傳統(tǒng)的基于規(guī)則的故障診斷系統(tǒng)是根據(jù)專家處理某件事情的實際處理程序的規(guī)則對故障進行診斷。一般來說，基于規(guī)則的診斷技術傾向于用過去發(fā)生的故障來預測將來是否會發(fā)生故障，這是基于規(guī)則的專家系統(tǒng)最重要的特征。對于以前從來沒有發(fā)生的故障，基于規(guī)則的專家故障診斷系統(tǒng)便會失效。這種情況說明診斷系統(tǒng)依賴于專家的知識庫，而知識庫的構造往往非常困難，需要不斷補充完善。

基于模型的專家系統(tǒng)是從系統(tǒng)的結構和功能上去診斷故障［5］。通過分析設備完成某一特定功能上表現(xiàn)出來的差異，發(fā)現(xiàn)和定位故障。基于模型的專家系統(tǒng)在開發(fā)過程中需要根據(jù)設備的實際運行情況來構造模型，該模型的構造難度要比構造基于規(guī)則的模型難度大，但在診斷故障時對維修人員要求不高，不需要專門的經驗，可以方便故障的查找和定位。所以基于模型的診斷技術比傳統(tǒng)的基于規(guī)則的診斷技術故障診斷范圍更廣泛，可以對未知的故障進行檢測。

2 慣導設備的故障類型和范圍

以某型慣導設備為例，該系統(tǒng)的功能測量單元有:115 V/400 Hz交流供電系統(tǒng);28 V 和42 V 內部電源;±6 V、24 V 和48 V 內部電源;±12 V 內部電源;陀螺溫控平臺;頻率標準控制器;陀螺轉速控制器;陀螺扭矩控制器;備份400 Hz 交流供電系統(tǒng);平臺扭矩控制器;速度表控制器。

備份400 Hz 供電系統(tǒng)作為應急情況下使用，可以提高系統(tǒng)工作的可靠性。內部電源與相應的功能模塊相聯(lián)系可以幫助檢測和發(fā)現(xiàn)故障。

可以將導航設備分解成38 個可替換的功能模塊，可以給模塊編號，便于微機診斷。故障診斷就是將故障的功能模塊從這38 個功能模塊中隔離出來。診斷時，先將參與執(zhí)行任務功能的模塊找出來。

3 平臺導航設備檢測方法

某型飛機的慣導設備用于飛機導航。該系統(tǒng)可以連續(xù)提供飛機飛行的高度(滾動角和傾斜角)、方位、速度(向南或向北)、位置的經緯度等信息。該系統(tǒng)主要有以下部件組成:導航控制臺、左散熱吹風設備、左慣導測量單元、左電子設備底座、右散熱吹風設備、右慣導測量單元和右電子設備底座。

慣性測量單元包含靈敏的部件(速度計和陀螺)以及加速度計。目前，主要靠自動檢測設備對平臺慣導設備進行檢測。檢測設備中包含了檢測計算機和檢測軟件程序。檢測程序可以對慣導系統(tǒng)的各種功能進行測試。檢測慣導系統(tǒng)各單元的功能是否正常。檢測系統(tǒng)分為3 個模塊:模塊A、模塊B 和模塊C。模塊A 和模塊B 主要檢測慣導設備測量單元工作是否正常。模塊C 主要用于慣導檢測設備自檢。

3.1 慣導測試模塊B

慣導測試模塊B 負責對慣導測量單元(IMU)進行檢測。模塊B 的檢測內容包括:對模塊A 進行初始化;速度計校正;陀螺校正;自校正;導航校正;導航功能檢測。模塊B 可以檢測IMU 的故障并對故障進行隔離。模塊B 包含多項測試內容，通過控制接口每項測試中還包含子測試。測試中先對慣導設備在規(guī)定的條件下進行測試，初步定位故障，初步的檢測還不能證實慣導設備是否不具備導航能力。

模式B 可以將所檢測項目的狀態(tài)結果打印輸出。檢測設備上配備有“正?！焙汀肮收稀毙盘柵苼肀硎緳z測結果。檢測中一旦發(fā)現(xiàn)故障，檢測設備可以確認故障并將故障隔離定位，也可以暫時忽略故障繼續(xù)其他檢測內容。在模塊B 中對設備故障進行診斷，可以利用慣導測量組件的電路結構模型來進行連續(xù)的性能檢測。根據(jù)經驗，模塊B 的故障率只占總故障率的4%。如果模塊B 的檢測項目都通過，模塊A 開始對慣導設備進行檢測。

3.2 模塊A 測試

模塊A 能提供自動的功能檢測，對慣導進行校正和長時間的導航項目測試。

模塊A 一是可以檢測慣導測量單元的各參數(shù)是否正常，二是利用檢測設備的故障代碼中的數(shù)據(jù)來說明慣導設備某項指標的變化趨勢。模塊B 通常是用規(guī)定的信號參數(shù)值來檢測較大的故障，而模塊A 主要用來檢測模塊B 不能發(fā)現(xiàn)，而需要較長時間通電后才能發(fā)現(xiàn)的功能性故障。模塊A 需要最少70 h 的通電時間來檢測慣導設備功能是否正常。發(fā)現(xiàn)模塊A 中的故障需要設備經過長時間工作，且對性能參數(shù)的變化情況非常了解。目前主要利用大量導航參數(shù)的變化來檢測和發(fā)現(xiàn)平臺慣導設備的故障。

4 慣導設備故障診斷模型的開發(fā)

開發(fā)慣導設備測量單元的故障診斷模型，目的是用基于模型的診斷技術來提高故障診斷的效果。設計中需要考慮下面一些因素。

1)方法步驟

在初始化診斷系統(tǒng)過程中，需要完成的工作:①分離出獨立的子系統(tǒng);②為每個子系統(tǒng)開發(fā)診斷模塊;③確定每個內部連接的功能特征值;④為每一個內部連接分配一個信號;⑤中斷所有的反饋回路。

在運行診斷模型階段，需要完成的工作:①診斷確定IMU 故障的大致范圍;②確定可替換部件的目標執(zhí)行編碼;③在開發(fā)環(huán)境中對各連接模塊進行編碼;④檢測每個輸入、輸出信號是否超出范圍;⑤利用用戶接口診斷隔離故障。

2)診斷過程

通過將慣導設備分解成若干獨立的子系統(tǒng)來確定故障的范圍?？梢杂稍\斷系統(tǒng)提供這種分解功能讓用戶手工選擇完成。

下面以平臺慣導設備中400Hz 備份電源和標準頻率控制器為例子來建立這些功能的診斷模塊，分別如圖1、圖2所示。

圖1 400 Hz 備份電源功能框圖

圖2 標準頻率控制器功能框圖

接下來確定內部連接功能模塊間的特征值，特征值主要由慣導測量部件內功能模塊的輸入、輸出值確定。掌握了內部功能模塊間聯(lián)接的特征值后就可以對它們的信號進行定義。

實際導航過程與診斷模型的原理是一致的?？梢酝ㄟ^觀察給設備的工作情況定性，比如慣導平臺是否水平等，但內部的計算功能要通過診斷模型得到。需要從內部計算模型更全面的描述電路的工作，通過推理計算來發(fā)現(xiàn)故障。

5 建立診斷模型

根據(jù)導航設備修理的實際情況，需要熟悉檢測設備，掌握設備的工藝。各部件最終可以用因果關系確定一套關聯(lián)的特征符號值。可以通過跟蹤設備部件內部的電路聯(lián)系來確定信號的參數(shù)特征值。檢測設備的操作手冊用來檢查部件輸入對輸出的影響并對部件的工作原理進行抽象。在部件輸入信號的基礎上，將這些部件的輸出按性能進行打包，利用其他部件的輸入和輸出值推導該部件的輸入信號值。

5.1 模型的特征值

在完成信號初始化以后，就需要為技術人員確定從哪個點來收集信息。檢測點主要有:導航控制臺測試面板、導航控制臺跳線板、部件連接插頭或插座、板卡插槽。

以上的檢測接口是按易于進行檢測接入來安排的。從技術上說，從導航控制臺測試面板上進行檢測點的接入測試要比從板卡插槽上的點接入測量易實現(xiàn)。因此，可以按上面的原則來確定檢測點，檢測各部件的信息。

5.2 創(chuàng)建用戶接口

由于用戶接口對檢測設備來說非常關鍵。對診斷系統(tǒng)來說，將用戶接口開發(fā)好可以方便故障的檢測。通過用戶圖形接口，用戶可以根據(jù)需要檢測系統(tǒng)的信號值。診斷接口為了幫助準確定位故障，會為用戶提供多個檢查頻道輸出特征值和提示。標準頻率控制器可以產生10 個不一樣的輸出頻道，我們的診斷模型需要對每一種輸出進行診斷說明和合理描述。另外，對特殊的信號值，檢測點的值、報警值和其他用戶關心的值給出文字描述。如果用戶還需要其他幫助，幫助文件可以為用戶提供更詳細的圖形和文字說明。

5.3 運行診斷模型

軟件創(chuàng)建的用戶接口很直觀。診斷接口首先顯示問題的分類，主要是技術人員可能遇到的一些問題和相關的說明，根據(jù)相應的故障癥狀來選擇一組問題。對問題的分類需要考慮到診斷系統(tǒng)的運行情況。用戶可以用檢測設備進行故障診斷或用模式B 檢測故障。一旦選好了問題組，系統(tǒng)就會顯示一系列與問題相應的癥狀?？梢栽谀Ｐ椭羞x定某種癥狀進行故障診斷。

慣導設備速度輸出異常是檢測設備產生的故障代碼之一，如果選擇對速度表輸出異常進行診斷，需要對慣導測量部件的主要功能模塊單獨檢測。

如果選擇診斷400 Hz 備份電源，檢測供電正?；蚬收?。如果假設電源是正常的，系統(tǒng)就不會詢問用戶有關電源的情況。反之，系統(tǒng)就會詢問。

通過建立模塊故障率和檢測難度指標可以說明優(yōu)先級的搜索方法。故障度是利用平均故障間隔時間來判斷部件發(fā)生故障的可能性。這種可能性可以定義為“高、中、低”3檔。檢測難度指標代表給定部件的檢測難度。檢測的原則是從故障率高的部件進行檢測或從檢測難度最低的部件進行檢測。也可以將部件的重要度定義為“高、中、低”3 檔。按從“高”到“低”的順序檢測。

6 結束語

構建了慣導設備的模型和子系統(tǒng)。模型可以對400 Hz備份電源和標準頻率控制器的故障進行診斷。

在模型的開發(fā)過程中，通過對復雜問題的診斷完善了模型，特別是對具有反饋通路的電路進行了診斷。由于慣導設備中反饋控制很多，對反饋故障的診斷有利于完成對整個設備的診斷。

模型的診斷速度需要不斷提高。采用的模型不大，運行時間不長。如果模型再增長的話，運行時間會變長。特別是在實際的維護環(huán)境中這點更重要。對單獨的模塊編譯以后可以加快一些運行速度。

［1］姜復興，龐志成.慣導測試設備原理與設計［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社，1998.

［2］黃德鳴，程祿.慣性導航系統(tǒng)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1986.

［3］Abelson，Harold and Sussman，Gerald Jay.Structure and Interpretation of Computer Programs［M］.New York:McGraw-Hill Book Company，1998.

［4］Aikins J S.Prototypical knowledge for expert systems［J］.Artificial Intelligence，2008(20):163-210.

［5］Chand B.An approach to medical diagnosis based on conceptual structures［J］. Journal of Optimization Theory and Application，2004(5):134-142.