基于GO法的艦載機(jī)折疊翼控制系統(tǒng)可靠性分析

初雨田，段富海※，翟祎琳

（1.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116023；2.大連海洋大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，遼寧大連 116300）

0 引言

航空母艦是一個國家綜合國力的集中體現(xiàn)，是現(xiàn)代海軍不可或缺的裝備，也是海戰(zhàn)最重要的作戰(zhàn)平臺。航母的戰(zhàn)斗力取決于它所能搭載的艦載機(jī)性能和數(shù)量，所以航母上的空間可謂寸土寸金。如何極大節(jié)約航母上寶貴的空間，減小艦載機(jī)所占位置，以增加數(shù)量，很大程度上取決于艦載機(jī)機(jī)翼折疊技術(shù)[1-2]。因此機(jī)翼折疊技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。

艦載機(jī)折疊翼由內(nèi)翼和外翼組成，內(nèi)翼與機(jī)身連成一體[3]。當(dāng)艦載機(jī)存儲和運(yùn)輸時，外翼相對于內(nèi)翼繞鉸鏈向上轉(zhuǎn)動，來節(jié)省展向占用空間。目前艦載機(jī)折疊翼的折疊按其動力源可分為液壓折疊和電動折疊[2]，例如我國殲-15艦載機(jī)機(jī)翼折疊采用液壓驅(qū)動折疊，然而液壓驅(qū)動存在管路復(fù)雜、重量大、使用維護(hù)不便、故障率高等問題，因此采用電作動技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)翼的折疊顯得尤為重要?？v觀近幾年折疊機(jī)翼的發(fā)展不難發(fā)現(xiàn)，先進(jìn)控制驅(qū)動設(shè)備和多樣化的折疊方式使得折疊機(jī)翼控制系統(tǒng)越來越復(fù)雜，所以折疊機(jī)翼控制系統(tǒng)的可靠性備受人們關(guān)注。

目前，分析艦載機(jī)折疊翼控制系統(tǒng)的可靠性主要有兩種方法：故障樹分析法（Fault Tree Analysis）和GO法（Goal-Oriented methodology）。對復(fù)雜系統(tǒng)，故障樹分析法由于建樹困難、建模一致性差等存在一定的局限性。美國Kaman公司于20世紀(jì)60年代提出了GO法的概念，并且利用GO法成功地進(jìn)行了武器系統(tǒng)的可靠性分析。近幾年，隨著計算機(jī)發(fā)展，GO法也在逐漸發(fā)展和完善。相比于故障樹分析法，GO法更適用于分析復(fù)雜、多狀態(tài)的系統(tǒng)。例如馬駿等[4]應(yīng)用GO法分析了航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性；金霞等[5]利用GO法分析了電動靜液作動器的可靠性；杜彥斌等[6]利用GO法對機(jī)床再制造工藝過程進(jìn)行了可靠性分析；張慕天等[7]利用模糊GO法分析了飛機(jī)主動側(cè)桿控制系統(tǒng)的可靠性。

本文利用GO法定量地分析艦載機(jī)折疊翼電作動控制系統(tǒng)的可靠性。首先分析艦載機(jī)折疊翼控制系統(tǒng)，對照其原理圖建立GO圖模型，對折疊翼的可靠性進(jìn)行定量計算和分析，并將結(jié)果同F(xiàn)TA法進(jìn)行對比，驗(yàn)證了GO法在艦載機(jī)折疊翼控制系統(tǒng)可靠性分析中的精確性。

1 艦載機(jī)折疊翼控制系統(tǒng)原理

艦載機(jī)折疊翼控制系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。整個控制系統(tǒng)可分為兩個層次，即變形控制系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)[8]。艦載機(jī)通過變形控制系統(tǒng)對變形機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)翼的折疊和展開，飛行控制系統(tǒng)除了控制整個艦載機(jī)的飛行狀態(tài)外，還需要在變形機(jī)構(gòu)按預(yù)定程序變形時維持艦載機(jī)的穩(wěn)定。

圖1 艦載機(jī)折疊翼控制系統(tǒng)原理圖

目前，艦載機(jī)折疊翼的折疊機(jī)構(gòu)主要有連桿機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)等[9]。本文利用一種行星齒輪減速機(jī)構(gòu)，不僅可以降低大功率電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)高其轉(zhuǎn)矩，還具有傳動平穩(wěn)、抗沖擊能力強(qiáng)以及工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。工作時，行星減速器的輸入端和力矩電機(jī)的輸出端相連，由行星架帶動艦載機(jī)的外翼進(jìn)行平穩(wěn)折疊和展開，艦載機(jī)外翼的位移信號由傳感器獲得，并將反饋信號傳遞給飛行控制器和局部控制器進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)折疊機(jī)翼的準(zhǔn)確控制。

2 GO法分析艦載機(jī)折疊翼控制系統(tǒng)可靠性

GO法進(jìn)行系統(tǒng)分析時，首先以成功為導(dǎo)向建立系統(tǒng)的GO圖；然后依照GO法操作符的運(yùn)算規(guī)則，按照信號流的序列進(jìn)行系統(tǒng)的狀態(tài)概率計算；最后得到系統(tǒng)成功運(yùn)行的概率[10]。

2.1 系統(tǒng)GO圖建模

通過分析艦載機(jī)折疊翼控制系統(tǒng)中各組件的功能，根據(jù)GO法中17種操作符的特點(diǎn)，將系統(tǒng)的原理圖轉(zhuǎn)化為GO圖，如圖2所示。圖中組件與GO法操作符的對應(yīng)關(guān)系及可靠性數(shù)據(jù)如表1所示。表中狀態(tài)值0表示組件提前狀態(tài)（如電機(jī)線路短路等引起的提前啟動狀態(tài)），狀態(tài)值1表示組件成功狀態(tài)，狀態(tài)值2表示組件故障狀態(tài)。

圖2 艦載機(jī)折疊翼控制系統(tǒng)GO圖

圖2中，用第5類信號發(fā)生器操作符表示控制信號和指令信號；用第1類兩狀態(tài)單元操作符表示飛行控制器、全局變形控制器、局部控制器、驅(qū)動電路、行星齒輪、艦載機(jī)外翼、位移傳感器1和位移傳感器2；由于力矩電機(jī)具有提前、成功、故障3種工作狀態(tài)，故可用第3類觸發(fā)發(fā)生器操作符表示。

2.2 GO運(yùn)算

運(yùn)用狀態(tài)累積概率算法進(jìn)行GO運(yùn)算，當(dāng)存在共有信號時，需要進(jìn)行修正[11]，結(jié)合表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，圖2中關(guān)鍵信號流的表達(dá)式如下。

表1 艦載機(jī)折疊翼控制系統(tǒng)操作符數(shù)據(jù)

（1）信號流4

式中：ARj(i)為輸出為i時信號流j的狀態(tài)累積概率；ASj(i)為輸入為i時信號流j的狀態(tài)累積概率；PRj(i)為輸出為i時信號流j的狀態(tài)概率；PSj(i)為輸入為i時信號流j的狀態(tài)概率；PCj(i)為操作符狀態(tài)為i時信號流j的狀態(tài)概率。

代入表1數(shù)據(jù)，通過計算可得PR15(0)=0.999 964 9，PR15(1)=1.50×10-5，即艦載機(jī)折疊翼控制系統(tǒng)提前啟動的概率值為1.50×10-5，正常運(yùn)行的概率值為0.999 964 9。

3 FTA法分析艦載機(jī)折疊翼控制系統(tǒng)可靠性

FTA法是一種基于邏輯因果關(guān)系的圖形分析法，可用于各種系統(tǒng)的可靠性分析和風(fēng)險評價[12]。以艦載機(jī)折疊翼故障為頂事件，建立艦載機(jī)折疊翼控制系統(tǒng)的故障樹，見圖3。

圖3 艦載機(jī)折疊翼控制系統(tǒng)故障樹圖

由故障樹頂事件的計算方法可得：

整理可得：

故艦載機(jī)折疊翼控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的概率為：

式中：λi為第i個事件發(fā)生概率；Pi為第i個事件不發(fā)生概率。

表2 各底事件數(shù)據(jù)

故障樹中各底事件發(fā)生的概率如表2所示，根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，計算得出艦載機(jī)折疊翼控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的概率為PE=0.999 955 6，失效率λE=1-PE=4.439 936 0×10-5。

4 GO法與FTA法對比

（1）從建模過程看，二者都是以圖形來描述艦載機(jī)折疊翼的控制系統(tǒng)，利用GO法分析系統(tǒng)的可靠性時是以成功為導(dǎo)向，從輸入端開始，根據(jù)系統(tǒng)組件的可靠度逐步分析成功結(jié)果。FTA法是以故障為導(dǎo)向，先找到代表系統(tǒng)故障的頂事件，按照系統(tǒng)層級結(jié)構(gòu)逐步展開，同時在建立故障樹時需要進(jìn)行合理的簡化，以便后續(xù)的計算。GO圖更能反映出系統(tǒng)內(nèi)各個組件之間的相互作用和關(guān)系，更加類似原理圖，而故障樹圖能清晰地反映出系統(tǒng)內(nèi)組件的故障狀態(tài)和邏輯關(guān)系，便于分析系統(tǒng)的故障原因。

（2）從計算過程看，利用GO法計算艦載機(jī)折疊翼控制系統(tǒng)的可靠性要比FTA法更復(fù)雜。GO法計算的成功概率為PR15(0)=0.999 964 9，而故障樹分析法計算的成功概率為PE=0.999 955 6，二者有微小的差異，主要是由于GO法中的功能操作符和邏輯操作符的類型更多，能夠表示系統(tǒng)組件的多種狀態(tài)，在分析艦載機(jī)折疊翼可靠性時，利用GO法分析過程中考慮了力矩電機(jī)的提前工作狀態(tài)（電機(jī)線路短路等引起），而FTA法則不同，它只考慮系統(tǒng)組件的成功和故障兩種狀態(tài)，所以造成了計算結(jié)果的微小差異。

5 結(jié)束語

（1）研究了GO法和FTA法在艦載機(jī)折疊翼控制系統(tǒng)可靠性定量評估分析中的應(yīng)用，并將二者的建模過程和計算過程進(jìn)行對比，最終得到的系統(tǒng)成功運(yùn)行概率基本一致，從而驗(yàn)證了GO法在艦載機(jī)折疊翼控制系統(tǒng)可靠性分析中的可行性和正確性。

（2）艦載機(jī)折疊翼控制系統(tǒng)是一種多狀態(tài)系統(tǒng)，GO法可以表示系統(tǒng)的多種狀態(tài)，因此相比于FTA法，利用GO法分析艦載機(jī)折疊翼控制系統(tǒng)時考慮問題更加合理，更符合系統(tǒng)的實(shí)際工作狀況，故GO法更加真實(shí)精確。