基于模糊理論的雷達(dá)接收機(jī)系統(tǒng)故障診斷研究

郝 洋，盛 文

(空軍預(yù)警學(xué)院，武漢 430019)

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基于模糊理論的雷達(dá)接收機(jī)系統(tǒng)故障診斷研究

郝 洋，盛 文

(空軍預(yù)警學(xué)院，武漢 430019)

在模糊理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合雷達(dá)接收機(jī)的故障特點(diǎn)，提出采用分階段動(dòng)態(tài)調(diào)整權(quán)系數(shù)的綜合法建立模糊矩陣，建立了一套雷達(dá)接收機(jī)模糊故障診斷系統(tǒng)。實(shí)際診斷效果表明該系統(tǒng)能夠貼近雷達(dá)實(shí)際狀況，具備較好的診斷效果。

故障診斷；模糊理論；雷達(dá)接收機(jī)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，雷達(dá)部隊(duì)配發(fā)了越來(lái)越多的新裝備，這些新裝備在預(yù)警體系中發(fā)揮著重要作用。但是新裝備科技含量高、技術(shù)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)精密，一旦發(fā)生故障，將會(huì)給一個(gè)地區(qū)的空情保障帶來(lái)嚴(yán)重的影響。因此迫切需要對(duì)裝備進(jìn)行快速高效地故障診斷，以保障裝備的正常工作。

基于傳統(tǒng)人工故障診斷的方法，對(duì)技術(shù)人員的知識(shí)程度要求高，且隨著裝備的更新?lián)Q代，技術(shù)人員的知識(shí)更新速度慢，不能適應(yīng)現(xiàn)階段雷達(dá)部隊(duì)的需要。因此，有必要采用智能故障診斷技術(shù)，對(duì)雷達(dá)裝備進(jìn)行快速診斷。

對(duì)于雷達(dá)這種龐大、復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及的知識(shí)面廣，硬故障與軟故障并存現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，使得征兆與原因之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系復(fù)雜，故障征兆與故障原因之間存在一定的模糊性。因此，本文以模糊理論為基礎(chǔ)，結(jié)合雷達(dá)裝備的故障特點(diǎn)，對(duì)雷達(dá)裝備的模糊故障診斷進(jìn)行了研究。

1 模糊故障診斷的數(shù)學(xué)模型

1.1 模糊故障診斷原理

模糊故障診斷[1-3]的原理是根據(jù)故障征兆與故障原因間的隸屬度來(lái)判斷故障的原因。診斷對(duì)象可能出現(xiàn)的故障征兆有m種，因此故障征兆的集合為：z1,z2,z3,…,zi,…,zm。對(duì)應(yīng)系統(tǒng)所表現(xiàn)的故障征兆，相應(yīng)的故障原因有n種，因此故障原因的集合為：y1,y2,y3,…,yj,…,yn。

由此故障征兆矢量可以表示為：

X={uz1,uz2,uz3,…,uzi,…,uzm}

(1)

故障原因矢量可以表示為：

Y={uy1,uy2,uy3,…,uyj,…,uyn}

(2)

式中:uxi(i=1,2,…,m)與uyj(j=1,2,…,n)為表示故障征兆的隸屬度和故障原因的隸屬度。

由于故障征兆矢量X與故障原因矢量Y具有一定的模糊關(guān)系，因此可以構(gòu)建如下等式來(lái)表示故障征兆矢量與故障原因矢量間的關(guān)系：

Y=Z°R

(3)

式中:“°”為模糊算子;R為模糊關(guān)系矩陣：

(4)

式中:0≤rij≤1,i=1,2,3,…m,j=1,2,3,…,n。

要想準(zhǔn)確地進(jìn)行故障診斷，就必須合理地選擇模糊算子和科學(xué)地計(jì)算模糊關(guān)系矩陣。模糊故障診斷的一般過(guò)程如圖1所示。

圖1 模糊故障診斷原理框圖

1.2 模糊關(guān)系矩陣的建立

模糊關(guān)系矩陣表示的是故障征兆與故障原因間的模糊關(guān)系，矩陣元素值的科學(xué)性和準(zhǔn)確性與否直接關(guān)系到故障診斷的效果。在一定程度上模糊關(guān)系矩陣包含了診斷對(duì)象過(guò)去的工作狀況、領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)性知識(shí)以及診斷對(duì)象的結(jié)構(gòu)性知識(shí)。rij表示的是第i個(gè)故障征兆對(duì)第j個(gè)故障原因的隸屬度，其值的大小反映的是征兆與原因間聯(lián)系的緊密程度，值越大聯(lián)系越緊密，值越小聯(lián)系越疏遠(yuǎn)。通常確定模糊關(guān)系矩陣隸屬度的方法主要有以下幾種：由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)確定隸屬度、由專家優(yōu)序數(shù)法確定隸屬度、由故障機(jī)理分析確定隸屬度等[4]。

本文模糊故障診斷矩陣的建立采用分階段動(dòng)態(tài)調(diào)整權(quán)系數(shù)的綜合法。即通過(guò)分別建立基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的模糊矩陣、基于專家經(jīng)驗(yàn)的模糊矩陣和基于故障機(jī)理分析的模糊矩陣，再對(duì)建立的模糊矩陣分別確立分階段的動(dòng)態(tài)權(quán)系數(shù)，最后通過(guò)線性加權(quán)的方式建立最終的模糊矩陣。采用此方法建立模糊矩陣，步驟如下:

(1) 由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)確定隸屬度aij，由專家經(jīng)驗(yàn)確定隸屬度bij，由故障機(jī)理分析確定隸屬度為cij。

(2) 根據(jù)裝備的服役時(shí)間、工作狀態(tài)、故障累計(jì)發(fā)生次數(shù)等確定各隸屬度的權(quán)系數(shù)為λ1、λ2、λ3，其中λ1，λ2，λ3≥0，λ1+λ2+λ3=1。

(3) 根據(jù)由不同方法確定的隸屬度和權(quán)系數(shù)，通過(guò)線性加權(quán)的方式求得最終的隸屬度：

rij=λ1aij+λ2bij+λ3cij

(5)

在確定隸屬度的各權(quán)系數(shù)λ時(shí)，在裝備服役時(shí)間短、可得到的故障樣本數(shù)量少的情況下，由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)確定的隸屬度的權(quán)系數(shù)λ1應(yīng)當(dāng)小，相應(yīng)的λ2、λ3應(yīng)當(dāng)大；在裝備的服役時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)、狀態(tài)穩(wěn)定、可得到的故障樣本數(shù)量多的情況下，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)確定的隸屬度的權(quán)系數(shù)λ1所占的比重應(yīng)當(dāng)大，相應(yīng)的λ2、λ3所占的比重應(yīng)當(dāng)小。

由此分階段動(dòng)態(tài)確定權(quán)系數(shù)λ，能夠綜合考慮診斷對(duì)象的歷史工作狀態(tài)、相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)性知識(shí)以及診斷對(duì)象的故障機(jī)理知識(shí)，并在一定程度上能夠減小專家人工評(píng)判引入的隨機(jī)性誤差和系統(tǒng)性誤差，具有良好的魯棒性，更好地貼近裝備實(shí)際。

2 雷達(dá)接收機(jī)系統(tǒng)故障診斷實(shí)例

接收機(jī)是雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分，它承擔(dān)著將天線接收的微弱回波信號(hào)進(jìn)行放大及混頻等功能。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，某雷達(dá)接收機(jī)的故障征兆模式如下：

Z1:高頻放大器輸出異常，Z2:頻率綜合器1輸出異常，Z3:頻率綜合器2輸出異常，Z4:一次混頻器輸出異常，Z5:中頻放大器1輸出異常，Z6:中頻放大器2輸出異常，Z7:中頻放大器3輸出異常，Z8:中頻放大器電源輸入異常。

故障原因模式如下：

Y1:高頻放大器故障，Y2:頻綜器1故障，Y3:頻綜器2故障，Y4:中頻放大器1故障，Y5:中頻放大器2故障，Y6:中頻放大器3故障。

據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，故障征兆與故障原因相對(duì)應(yīng)出現(xiàn)的次數(shù)如表1所示。

模糊矩陣的具體求解過(guò)程在此不做贅述，根據(jù)上述方法，建立如下模糊矩陣：R=

表1 故障征兆與故障原因?qū)?yīng)表

Z1Z2Z3Z4Z5Z6Z7Z8Y130033331Y203133331Y301202220Y400103000Y500000301Y600100030

經(jīng)計(jì)算可得：

Y=(0.273,0.273,0.182,0,0.603,0)

由最大隸屬度原則判斷知Y5(中頻放大器2故障)是最為可能的故障原因。經(jīng)過(guò)技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)人工故障診斷得出的結(jié)論為中頻放大器2故障，并用該結(jié)論成功進(jìn)行了故障排除，從而證明運(yùn)用基于模糊理論的故障診斷方法得出的診斷結(jié)論與雷達(dá)實(shí)際故障原因一致，診斷結(jié)果符合雷達(dá)實(shí)際。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合雷達(dá)裝備的故障存在模糊性的特點(diǎn)，建立了一套基于模糊理論的故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合考慮了雷達(dá)的歷史故障數(shù)據(jù)、專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和裝備的故障機(jī)理知識(shí)，提出了根據(jù)雷達(dá)的工作狀況分階段動(dòng)態(tài)確定權(quán)系數(shù)的方法。診斷結(jié)果表明，該方法能夠使模糊故障診斷系統(tǒng)更加貼合裝備實(shí)際，具有良好的診斷效果。

[1] 柴春紅,何率天.模糊理論在機(jī)械故障診斷中的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械,2009,30(3):212-213.

[2] 張義忠，馮振聲,孟晨.模糊理論在導(dǎo)彈故障診斷中的應(yīng)用[J].火力與指揮控制,2000,25(1):63-65.

[3] 周志英.模糊數(shù)學(xué)在汽車故障診斷中的應(yīng)用[J].長(zhǎng)沙大學(xué)學(xué)報(bào),2005,19(2):19-21.

[4] 胡林,莫翠瓊,孫正鑫，等.模糊理論在雷抗偵察接收機(jī)故障診斷中的應(yīng)用[J].艦船與電子對(duì)抗,2012,36(5):18-21.

Study of Fault Diagnosis of Radar Receiver System Based on Fuzzy Theory

HAO Yang,SHENG Wen

(Air Force Early Warning Academy,Wuhan 430019,China)

Based on the fuzzy theory and combined with the fault characteristic of radar receiver,this paper comes up with a synthetic method using grading dynamic weight coefficient adjustment to establish the fuzzy matrix,establishes a set of fuzzy fault diagnosis system of radar receiver.The actual diagnosis result shows this system is close to the actual situation and have a better diagnosis effect.

fault diagnosis;fuzzy theory;radar receiver

2015-02-02

軍內(nèi)重點(diǎn)基金項(xiàng)目

TN957.5

A

CN32-1413(2015)04-0050-02

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.04.013