基于模型的平臺(tái)慣導(dǎo)故障

金勇俊，宋守春，劉 東

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

慣性導(dǎo)航是一種自主性強(qiáng)、精度高、安全可靠的精密導(dǎo)航技術(shù)，具有不依賴外界信息、隱蔽性好、抗輻射性強(qiáng)、全天候等特點(diǎn)，能及時(shí)輸出各種導(dǎo)航數(shù)據(jù)，并為載體提供精確的姿態(tài)基準(zhǔn)，被廣泛應(yīng)用于航空、航海和宇航技術(shù)領(lǐng)域［1］。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，先后出現(xiàn)了多種導(dǎo)航方式。由于各種導(dǎo)航方式各有利弊，近年來，人們開始將不同的導(dǎo)航設(shè)備組成組合式導(dǎo)航系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)導(dǎo)航精度和可靠性。但在各種組合導(dǎo)航方案中，往往都以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)作為主系統(tǒng)，以其他導(dǎo)航設(shè)備或系統(tǒng)作為輔助［2］。在水下，無線電導(dǎo)航方式、天文導(dǎo)航方式等很難發(fā)揮作用，聲納又易于暴露目標(biāo)，唯有慣性導(dǎo)航能滿足要求［2］。此外，目前的戰(zhàn)略導(dǎo)彈也多采用慣性制導(dǎo)系統(tǒng)［1］。由此可見，慣性導(dǎo)航制導(dǎo)系統(tǒng)具有極為廣泛的應(yīng)用前景，在多個(gè)領(lǐng)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(gè)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(duì)設(shè)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(tái)慣導(dǎo)設(shè)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(shí)際處理程序的規(guī)則對(duì)故障進(jìn)行診斷。一般來說，基于規(guī)則的診斷技術(shù)傾向于用過去發(fā)生的故障來預(yù)測(cè)將來是否會(huì)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(duì)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(huì)失效。這種情況說明診斷系統(tǒng)依賴于專家的知識(shí)庫(kù)，而知識(shí)庫(kù)的構(gòu)造往往非常困難，需要不斷補(bǔ)充完善。

基于模型的專家系統(tǒng)是從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能上去診斷故障［5］。通過分析設(shè)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(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況來構(gòu)造模型，該模型的構(gòu)造難度要比構(gòu)造基于規(guī)則的模型難度大，但在診斷故障時(shí)對(duì)維修人員要求不高，不需要專門的經(jīng)驗(yàn)，可以方便故障的查找和定位。所以基于模型的診斷技術(shù)比傳統(tǒng)的基于規(guī)則的診斷技術(shù)故障診斷范圍更廣泛，可以對(duì)未知的故障進(jìn)行檢測(cè)。

2 慣導(dǎo)設(shè)備的故障類型和范圍

以某型慣導(dǎo)設(shè)備為例，該系統(tǒng)的功能測(cè)量單元有:115 V/400 Hz交流供電系統(tǒng);28 V 和42 V 內(nèi)部電源;±6 V、24 V 和48 V 內(nèi)部電源;±12 V 內(nèi)部電源;陀螺溫控平臺(tái);頻率標(biāo)準(zhǔn)控制器;陀螺轉(zhuǎn)速控制器;陀螺扭矩控制器;備份400 Hz 交流供電系統(tǒng);平臺(tái)扭矩控制器;速度表控制器。

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

可以將導(dǎo)航設(shè)備分解成38 個(gè)可替換的功能模塊，可以給模塊編號(hào)，便于微機(jī)診斷。故障診斷就是將故障的功能模塊從這38 個(gè)功能模塊中隔離出來。診斷時(shí)，先將參與執(zhí)行任務(wù)功能的模塊找出來。

3 平臺(tái)導(dǎo)航設(shè)備檢測(cè)方法

某型飛機(jī)的慣導(dǎo)設(shè)備用于飛機(jī)導(dǎo)航。該系統(tǒng)可以連續(xù)提供飛機(jī)飛行的高度(滾動(dòng)角和傾斜角)、方位、速度(向南或向北)、位置的經(jīng)緯度等信息。該系統(tǒng)主要有以下部件組成:導(dǎo)航控制臺(tái)、左散熱吹風(fēng)設(shè)備、左慣導(dǎo)測(cè)量單元、左電子設(shè)備底座、右散熱吹風(fēng)設(shè)備、右慣導(dǎo)測(cè)量單元和右電子設(shè)備底座。

慣性測(cè)量單元包含靈敏的部件(速度計(jì)和陀螺)以及加速度計(jì)。目前，主要靠自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備對(duì)平臺(tái)慣導(dǎo)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)設(shè)備中包含了檢測(cè)計(jì)算機(jī)和檢測(cè)軟件程序。檢測(cè)程序可以對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)的各種功能進(jìn)行測(cè)試。檢測(cè)慣導(dǎo)系統(tǒng)各單元的功能是否正常。檢測(cè)系統(tǒng)分為3 個(gè)模塊:模塊A、模塊B 和模塊C。模塊A 和模塊B 主要檢測(cè)慣導(dǎo)設(shè)備測(cè)量單元工作是否正常。模塊C 主要用于慣導(dǎo)檢測(cè)設(shè)備自檢。

3.1 慣導(dǎo)測(cè)試模塊B

慣導(dǎo)測(cè)試模塊B 負(fù)責(zé)對(duì)慣導(dǎo)測(cè)量單元(IMU)進(jìn)行檢測(cè)。模塊B 的檢測(cè)內(nèi)容包括:對(duì)模塊A 進(jìn)行初始化;速度計(jì)校正;陀螺校正;自校正;導(dǎo)航校正;導(dǎo)航功能檢測(cè)。模塊B 可以檢測(cè)IMU 的故障并對(duì)故障進(jìn)行隔離。模塊B 包含多項(xiàng)測(cè)試內(nèi)容，通過控制接口每項(xiàng)測(cè)試中還包含子測(cè)試。測(cè)試中先對(duì)慣導(dǎo)設(shè)備在規(guī)定的條件下進(jìn)行測(cè)試，初步定位故障，初步的檢測(cè)還不能證實(shí)慣導(dǎo)設(shè)備是否不具備導(dǎo)航能力。

模式B 可以將所檢測(cè)項(xiàng)目的狀態(tài)結(jié)果打印輸出。檢測(cè)設(shè)備上配備有“正常”和“故障”信號(hào)牌來表示檢測(cè)結(jié)果。檢測(cè)中一旦發(fā)現(xiàn)故障，檢測(cè)設(shè)備可以確認(rèn)故障并將故障隔離定位，也可以暫時(shí)忽略故障繼續(xù)其他檢測(cè)內(nèi)容。在模塊B 中對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行診斷，可以利用慣導(dǎo)測(cè)量組件的電路結(jié)構(gòu)模型來進(jìn)行連續(xù)的性能檢測(cè)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，模塊B 的故障率只占總故障率的4%。如果模塊B 的檢測(cè)項(xiàng)目都通過，模塊A 開始對(duì)慣導(dǎo)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。

3.2 模塊A 測(cè)試

模塊A 能提供自動(dòng)的功能檢測(cè)，對(duì)慣導(dǎo)進(jìn)行校正和長(zhǎng)時(shí)間的導(dǎo)航項(xiàng)目測(cè)試。

模塊A 一是可以檢測(cè)慣導(dǎo)測(cè)量單元的各參數(shù)是否正常，二是利用檢測(cè)設(shè)備的故障代碼中的數(shù)據(jù)來說明慣導(dǎo)設(shè)備某項(xiàng)指標(biāo)的變化趨勢(shì)。模塊B 通常是用規(guī)定的信號(hào)參數(shù)值來檢測(cè)較大的故障，而模塊A 主要用來檢測(cè)模塊B 不能發(fā)現(xiàn)，而需要較長(zhǎng)時(shí)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(shí)間來檢測(cè)慣導(dǎo)設(shè)備功能是否正常。發(fā)現(xiàn)模塊A 中的故障需要設(shè)備經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間工作，且對(duì)性能參數(shù)的變化情況非常了解。目前主要利用大量導(dǎo)航參數(shù)的變化來檢測(cè)和發(fā)現(xiàn)平臺(tái)慣導(dǎo)設(shè)備的故障。

4 慣導(dǎo)設(shè)備故障診斷模型的開發(fā)

開發(fā)慣導(dǎo)設(shè)備測(cè)量單元的故障診斷模型，目的是用基于模型的診斷技術(shù)來提高故障診斷的效果。設(shè)計(jì)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(dú)立的子系統(tǒng);②為每個(gè)子系統(tǒng)開發(fā)診斷模塊;③確定每個(gè)內(nèi)部連接的功能特征值;④為每一個(gè)內(nèi)部連接分配一個(gè)信號(hào);⑤中斷所有的反饋回路。

在運(yùn)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(biāo)執(zhí)行編碼;③在開發(fā)環(huán)境中對(duì)各連接模塊進(jìn)行編碼;④檢測(cè)每個(gè)輸入、輸出信號(hào)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(dǎo)設(shè)備分解成若干獨(dú)立的子系統(tǒng)來確定故障的范圍。可以由診斷系統(tǒng)提供這種分解功能讓用戶手工選擇完成。

下面以平臺(tái)慣導(dǎo)設(shè)備中400Hz 備份電源和標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)頻率控制器功能框圖

接下來確定內(nèi)部連接功能模塊間的特征值，特征值主要由慣導(dǎo)測(cè)量部件內(nèi)功能模塊的輸入、輸出值確定。掌握了內(nèi)部功能模塊間聯(lián)接的特征值后就可以對(duì)它們的信號(hào)進(jìn)行定義。

實(shí)際導(dǎo)航過程與診斷模型的原理是一致的。可以通過觀察給設(shè)備的工作情況定性，比如慣導(dǎo)平臺(tái)是否水平等，但內(nèi)部的計(jì)算功能要通過診斷模型得到。需要從內(nèi)部計(jì)算模型更全面的描述電路的工作，通過推理計(jì)算來發(fā)現(xiàn)故障。

5 建立診斷模型

根據(jù)導(dǎo)航設(shè)備修理的實(shí)際情況，需要熟悉檢測(cè)設(shè)備，掌握設(shè)備的工藝。各部件最終可以用因果關(guān)系確定一套關(guān)聯(lián)的特征符號(hào)值。可以通過跟蹤設(shè)備部件內(nèi)部的電路聯(lián)系來確定信號(hào)的參數(shù)特征值。檢測(cè)設(shè)備的操作手冊(cè)用來檢查部件輸入對(duì)輸出的影響并對(duì)部件的工作原理進(jìn)行抽象。在部件輸入信號(hào)的基礎(chǔ)上，將這些部件的輸出按性能進(jìn)行打包，利用其他部件的輸入和輸出值推導(dǎo)該部件的輸入信號(hào)值。

5.1 模型的特征值

在完成信號(hào)初始化以后，就需要為技術(shù)人員確定從哪個(gè)點(diǎn)來收集信息。檢測(cè)點(diǎn)主要有:導(dǎo)航控制臺(tái)測(cè)試面板、導(dǎo)航控制臺(tái)跳線板、部件連接插頭或插座、板卡插槽。

以上的檢測(cè)接口是按易于進(jìn)行檢測(cè)接入來安排的。從技術(shù)上說，從導(dǎo)航控制臺(tái)測(cè)試面板上進(jìn)行檢測(cè)點(diǎn)的接入測(cè)試要比從板卡插槽上的點(diǎn)接入測(cè)量易實(shí)現(xiàn)。因此，可以按上面的原則來確定檢測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)各部件的信息。

5.2 創(chuàng)建用戶接口

由于用戶接口對(duì)檢測(cè)設(shè)備來說非常關(guān)鍵。對(duì)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(cè)。通過用戶圖形接口，用戶可以根據(jù)需要檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)值。診斷接口為了幫助準(zhǔn)確定位故障，會(huì)為用戶提供多個(gè)檢查頻道輸出特征值和提示。標(biāo)準(zhǔn)頻率控制器可以產(chǎn)生10 個(gè)不一樣的輸出頻道，我們的診斷模型需要對(duì)每一種輸出進(jìn)行診斷說明和合理描述。另外，對(duì)特殊的信號(hào)值，檢測(cè)點(diǎn)的值、報(bào)警值和其他用戶關(guān)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(xì)的圖形和文字說明。

5.3 運(yùn)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(shù)人員可能遇到的一些問題和相關(guān)的說明，根據(jù)相應(yīng)的故障癥狀來選擇一組問題。對(duì)問題的分類需要考慮到診斷系統(tǒng)的運(yùn)行情況。用戶可以用檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行故障診斷或用模式B 檢測(cè)故障。一旦選好了問題組，系統(tǒng)就會(huì)顯示一系列與問題相應(yīng)的癥狀。可以在模型中選定某種癥狀進(jìn)行故障診斷。

慣導(dǎo)設(shè)備速度輸出異常是檢測(cè)設(shè)備產(chǎn)生的故障代碼之一，如果選擇對(duì)速度表輸出異常進(jìn)行診斷，需要對(duì)慣導(dǎo)測(cè)量部件的主要功能模塊單獨(dú)檢測(cè)。

如果選擇診斷400 Hz 備份電源，檢測(cè)供電正常或故障。如果假設(shè)電源是正常的，系統(tǒng)就不會(huì)詢問用戶有關(guān)電源的情況。反之，系統(tǒng)就會(huì)詢問。

通過建立模塊故障率和檢測(cè)難度指標(biāo)可以說明優(yōu)先級(jí)的搜索方法。故障度是利用平均故障間隔時(shí)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(cè)難度指標(biāo)代表給定部件的檢測(cè)難度。檢測(cè)的原則是從故障率高的部件進(jìn)行檢測(cè)或從檢測(cè)難度最低的部件進(jìn)行檢測(cè)。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(cè)。

6 結(jié)束語

構(gòu)建了慣導(dǎo)設(shè)備的模型和子系統(tǒng)。模型可以對(duì)400 Hz備份電源和標(biāo)準(zhǔn)頻率控制器的故障進(jìn)行診斷。

在模型的開發(fā)過程中，通過對(duì)復(fù)雜問題的診斷完善了模型，特別是對(duì)具有反饋通路的電路進(jìn)行了診斷。由于慣導(dǎo)設(shè)備中反饋控制很多，對(duì)反饋故障的診斷有利于完成對(duì)整個(gè)設(shè)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(yùn)行時(shí)間不長(zhǎng)。如果模型再增長(zhǎng)的話，運(yùn)行時(shí)間會(huì)變長(zhǎng)。特別是在實(shí)際的維護(hù)環(huán)境中這點(diǎn)更重要。對(duì)單獨(dú)的模塊編譯以后可以加快一些運(yùn)行速度。

［1］姜復(fù)興，龐志成.慣導(dǎo)測(cè)試設(shè)備原理與設(shè)計(jì)［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998.

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