何 星，王宏力，陸敬輝，姜 偉

（第二炮兵工程大學(xué)自動(dòng)控制系，陜西 西安 710025）

0 引 言

慣性測(cè)量組合是飛行器控制系統(tǒng)的重要組成部分，它主要通過(guò)敏感飛行器相對(duì)慣性空間的運(yùn)動(dòng)來(lái)引導(dǎo)和控制其按預(yù)定軌道飛行，在整個(gè)飛行器系統(tǒng)中至關(guān)重要[1]。但是，由于受制造工藝水平、元器件使用壽命及工作環(huán)境的影響，加之慣性測(cè)量組合的精度要求非常高，使得其成為極易產(chǎn)生故障的部件之一；因此，保證慣性測(cè)量組合的正常工作，快速、準(zhǔn)確定位與隔離出現(xiàn)的故障就顯得尤為重要。慣性測(cè)量組合是較為復(fù)雜且精密的機(jī)電系統(tǒng)，包含大量復(fù)雜電路及敏感元器件，其故障診斷較為困難。目前，針對(duì)慣性測(cè)量組合的故障定位及診斷主要依賴維修人員的經(jīng)驗(yàn)，致使對(duì)慣性測(cè)量組合的故障診斷能力相對(duì)較弱，嚴(yán)重制約著部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的生成與發(fā)揮。

測(cè)試性的概念最早產(chǎn)生于航空電子領(lǐng)域。測(cè)試性這一術(shù)語(yǔ)是1975年由F.Liour等人在《設(shè)備自動(dòng)測(cè)試性設(shè)計(jì)》一文中首先提出，隨后相繼用于診斷電路設(shè)計(jì)及研究等各個(gè)領(lǐng)域[2]。開(kāi)展測(cè)試性設(shè)計(jì)，可以顯著降低產(chǎn)品壽命周期的費(fèi)用，提高故障檢測(cè)率，縮短維修時(shí)間[3]。

測(cè)試性工程與維修系統(tǒng)（testability engineering and maintenance system，TEAMS）是由美國(guó) QSI公司開(kāi)發(fā)的一套提供測(cè)試性、維護(hù)性、系統(tǒng)健康監(jiān)視等解決方案的商用軟件產(chǎn)品。它通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)便易用的GUI界面，提供多信號(hào)模型建模方法和智能推理算法，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的測(cè)試性分析、故障診斷策略、實(shí)時(shí)健康監(jiān)視等功能，已經(jīng)在航空、國(guó)防、空間科學(xué)、商業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛地驗(yàn)證[4-6]。在國(guó)內(nèi)，TEAMS及其應(yīng)用方面的研究成果還比較少，只有個(gè)別單位或研究人員進(jìn)行了TEAMS的介紹和嘗試[7-9]。

本文在研究多信號(hào)建模方法的基礎(chǔ)上，利用TEAMS建立了某慣性測(cè)量組合的多信號(hào)模型，并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試性分析，針對(duì)固有測(cè)試點(diǎn)不足帶來(lái)的故障診斷效果較差的問(wèn)題，給出了兩種改進(jìn)方案。測(cè)試性分析結(jié)果表明，多信號(hào)建模方法能夠方便地對(duì)大型復(fù)雜設(shè)備進(jìn)行建模和分析，利用測(cè)試性分析結(jié)果實(shí)現(xiàn)故障的快速準(zhǔn)確隔離和定位，對(duì)提高故障診斷效率、降低維修人員要求、增強(qiáng)裝備保障能力具有重要的意義。

1 多信號(hào)測(cè)試性建模方法

多信號(hào)模型又被稱為多信號(hào)流圖模型，最早由Somnath Deb和Krishna R.Pattipati等人于20世紀(jì)90年代初提出[4]，其是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能分析基礎(chǔ)上，以分層有向圖表示信號(hào)流導(dǎo)向、組成單元（故障模式）的構(gòu)成以及它們之間的相互連接關(guān)系，并通過(guò)定義信號(hào)（功能）以及組成單元（故障模式）、測(cè)試與信號(hào)之間的關(guān)聯(lián)性，來(lái)表征系統(tǒng)組成、功能、故障及測(cè)試之間相關(guān)性的一種模型表示方法。一個(gè)多信號(hào)通常包含以下7個(gè)要素[7]：

（1）C={c1，c2，…，cM}為系統(tǒng)的組成模塊集合，其元素稱為故障組元，表示系統(tǒng)包含M個(gè)獨(dú)立和相對(duì)完整的最小功能模塊；

（2）S={s1，s2，…，sL}為系統(tǒng)的獨(dú)立信號(hào)集合，表示系統(tǒng)具有L個(gè)獨(dú)立信號(hào)。信號(hào)是指系統(tǒng)傳輸特性中能夠清晰地描述系統(tǒng)功能的特征屬性；

（3）測(cè)試點(diǎn)的有限集 TP={TP1，TP2，…，TPp}；

（4）可用測(cè)試的有限集 T={t1，t2，…，tN}；

（5）每個(gè)測(cè)試點(diǎn)TPi包含一組測(cè)試SP（TPi）；

（6）每個(gè)功能模塊ci相關(guān)或影響的信號(hào)的有限集，表示為SC（ci）；

（7）每個(gè)測(cè)試ti所能檢測(cè)到的信號(hào)集ST（ti）為S的子集。

多信號(hào)模型的圖形化建模過(guò)程一般可分為以下3個(gè)步驟：（1）在分析建模對(duì)象工作原理及提取相關(guān)信息（系統(tǒng)組成、功能、測(cè)試等）的基礎(chǔ)上構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型、原理圖模型或概念方框圖；（2）向模塊和測(cè)試點(diǎn)加載信號(hào)，并根據(jù)信號(hào)（功能）的流向確定系統(tǒng)組成單元的輸入、輸出及相互的連接關(guān)系；（3）根據(jù)特定情況調(diào)整、修正和校驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

2 慣性測(cè)量組合多信號(hào)模型的建立

2.1 慣性測(cè)量組合組成及功能

模型慣性測(cè)量組合主要由本體、電子箱和二次電源3部分組成，其連接關(guān)系如圖1所示。

圖1 慣性測(cè)量組合示意圖

當(dāng)慣組處于工作狀態(tài)時(shí)，二次電源將外部一次電源送入的直流電變換為電子箱和本體所需的各種交、直流電壓，通過(guò)連接電纜對(duì)各個(gè)電路板進(jìn)行供電。首先電子箱及本體中的加溫片、熱敏元件和溫控電路在接受二次電源的供電后實(shí)現(xiàn)溫度的控制，使得陀螺儀和加速度計(jì)能夠正常工作；其次二次電源的供電保證陀螺儀和加速度計(jì)準(zhǔn)確敏感飛行器運(yùn)動(dòng)的角速度和加速度，并以電流形式輸出到電子箱中的校正網(wǎng)絡(luò)板和功放板，經(jīng)過(guò)校正放大后輸入脈沖輸出板，將陀螺儀和加速度計(jì)送來(lái)的模擬信號(hào)變換為脈沖信號(hào)，供機(jī)載計(jì)算機(jī)及外部測(cè)試設(shè)備對(duì)飛行器姿態(tài)和位置進(jìn)行判定，然后反饋至陀螺儀和加速度計(jì)力矩器，通過(guò)伺服機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的導(dǎo)引和控制。二次電源中的頻標(biāo)板產(chǎn)生多種頻標(biāo)信號(hào)保證脈沖輸出板的工作，溫控信號(hào)、部分二次電源信號(hào)和脈沖輸出信號(hào)通過(guò)3根電纜送到外部的測(cè)試設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)對(duì)慣性測(cè)量組合的標(biāo)定。

慣性測(cè)量組合內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，當(dāng)其出現(xiàn)故障時(shí)，如果僅依靠技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)很不可靠，但通過(guò)分析可以看出該慣組信號(hào)傳遞關(guān)系很容易判斷，模塊結(jié)構(gòu)也易于獲取。因此，根據(jù)上節(jié)介紹的多信號(hào)模型構(gòu)造步驟，按照分層建模的思想，就可以構(gòu)造上述慣性測(cè)量組合的多信號(hào)模型，而后可以利用其多信號(hào)模型進(jìn)行故障的定位與診斷。

2.2 慣性測(cè)量組合多信號(hào)模型的構(gòu)建

本節(jié)將利用TEAMS軟件來(lái)構(gòu)建慣性測(cè)量組合的多信號(hào)模型。通過(guò)對(duì)慣性測(cè)量組合各組成元件及其信號(hào)傳遞的依賴性分析，不考慮粗加溫電路故障和連接電纜及其插座的故障，建立了由93個(gè)故障源模塊組成的慣性測(cè)量組合三層多信號(hào)模型。由于測(cè)試性建模過(guò)程復(fù)雜且內(nèi)容較多，這里僅示例性給出利用TEAMS軟件構(gòu)建的二次電源中頻率激磁電源板的多信號(hào)模型，見(jiàn)圖2。

它主要由溫補(bǔ)晶振、分頻器電路、穩(wěn)壓電路以及放大電路等部分組成。一路通過(guò)晶振和分頻器生成基本的頻率信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行分頻，生成陀螺儀及其伺服機(jī)構(gòu)所需的各種頻標(biāo)信號(hào)，另一路通過(guò)穩(wěn)壓器、功放以及高頻變壓器電路產(chǎn)生陀螺前置放大板所需的激磁信號(hào)。

圖2 頻率激磁電源板的多信號(hào)模型

構(gòu)建好慣性測(cè)量組合的多信號(hào)模型后，下一步就要設(shè)置測(cè)試點(diǎn)。根據(jù)慣性測(cè)量組合測(cè)試設(shè)備的實(shí)際情況，在地測(cè)電纜、遙測(cè)電纜和機(jī)載計(jì)算機(jī)電纜上各可設(shè)置1個(gè)測(cè)試點(diǎn)，3個(gè)測(cè)試點(diǎn)共包含23個(gè)測(cè)試，分別測(cè)試系統(tǒng)中的加溫信號(hào)、二次電源產(chǎn)生的部分信號(hào)和陀螺儀、加表的脈沖輸出信號(hào)，為了提高測(cè)試效率，減少冗余測(cè)試，本文對(duì)慣組結(jié)構(gòu)中存在的反饋回路做斷開(kāi)處理。

3 慣性測(cè)量組合測(cè)試性分析及改進(jìn)

以系統(tǒng)的測(cè)試性分析與評(píng)估為目的，進(jìn)行如下假設(shè)：（1）單故障假設(shè)；（2）慣組各組成模塊發(fā)生故障概率相等，不考慮測(cè)試所需時(shí)間和費(fèi)用。

至此，按照上節(jié)中建立的系統(tǒng)多信號(hào)模型，通過(guò)TEAMS平臺(tái)的測(cè)試性分析，該慣組的測(cè)試性分析和評(píng)估結(jié)果如表1所示，系統(tǒng)模糊組的分布情況如表2所示。

從表1可以看出，僅僅使用系統(tǒng)預(yù)留的3個(gè)插座上的23個(gè)測(cè)試，得到的故障檢測(cè)率100%；但是故障隔離率很低，平均模糊組很大，這說(shuō)明僅僅使用固有測(cè)試難以滿足故障定位和診斷的要求，必須獲取更多的故障信息提高隔離率，減小模糊組容量。從表2模糊組容量可以看出，經(jīng)過(guò)測(cè)試性分析，最大的模糊組包含42個(gè)難以分辨的模塊，其次還包含容量為6，5，4的模糊組，這給故障的準(zhǔn)確定位帶來(lái)困難。

表1 系統(tǒng)測(cè)試性分析結(jié)果

表2 系統(tǒng)模糊組分布情況

除了模糊組分布結(jié)果，TEAMS軟件測(cè)試性分析還給出了模糊組的具體報(bào)告，通過(guò)分析模糊組報(bào)告及系統(tǒng)信號(hào)傳遞關(guān)系，可用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)模糊組的進(jìn)一步壓縮，實(shí)現(xiàn)故障的更精確定位。結(jié)合實(shí)際慣組信號(hào)依賴性關(guān)系及本文多信號(hào)模型的測(cè)試報(bào)告，發(fā)現(xiàn)存在的模糊組可以通過(guò)增加測(cè)試點(diǎn)的方法來(lái)進(jìn)行壓縮，除了慣組已有的連接外部測(cè)試設(shè)備和機(jī)載計(jì)算機(jī)的固有測(cè)試外，本文提出兩種增加測(cè)試點(diǎn)的改進(jìn)方案：

（1）從3個(gè)大部件之間連接電纜的插座上引出測(cè)試點(diǎn)來(lái)獲取故障信息，本文分別從二次電源和本體中各兩個(gè)插座添加測(cè)試點(diǎn)，共13個(gè)測(cè)試信號(hào)；

（2）可以從部分內(nèi)部電路板輸出端接口引出測(cè)試信號(hào)，本文分別從電子箱中溫控板及加速度計(jì)、陀螺儀A/D轉(zhuǎn)換板以及二次電源分立電源板中添加測(cè)試點(diǎn)，共16個(gè)測(cè)試信號(hào)。利用TEAMS軟件進(jìn)行測(cè)試性分析，得到兩種改進(jìn)測(cè)試性分析的結(jié)果如表3和表4所示。

表3 改進(jìn)的測(cè)試性分析結(jié)果

表4 改進(jìn)后模糊組分布情況

表3和表4兩種改進(jìn)后的測(cè)試性分析結(jié)果表明，多信號(hào)模型表征的系統(tǒng)信號(hào)傳遞關(guān)系可以用來(lái)判讀故障位置，與以往根據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)判讀的結(jié)果基本吻合，且根據(jù)TEAMS測(cè)試性分析報(bào)告可以給出慣性測(cè)量組合滿足要求的診斷策略。相比以往利用技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)的做法，多信號(hào)模型進(jìn)行測(cè)試性分析效率更高，結(jié)果更可靠。

上述慣性測(cè)量組合測(cè)試性建模及分析實(shí)例表明，多信號(hào)建模方法在對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試性建模分析和評(píng)估中是可行、有效的，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的測(cè)試性評(píng)估，進(jìn)而改進(jìn)測(cè)試性設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的固有測(cè)試性。

4 結(jié)束語(yǔ)

慣性測(cè)量組合是飛行器控制系統(tǒng)中的核心部件之一，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含大量模數(shù)混合電路，元器件數(shù)目巨大，因此其故障的快速定位及診斷是急需解決的難題。針對(duì)目前慣組故障診斷主要依靠技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)帶來(lái)的弊端，結(jié)合多信號(hào)建模思想，利用TEAMS軟件構(gòu)建了某型慣組的多信號(hào)流圖模型，并對(duì)其固有測(cè)試性進(jìn)行了分析，利用軟件給出的測(cè)試性結(jié)果，結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際結(jié)構(gòu)，提出了兩種增加測(cè)試點(diǎn)的改進(jìn)方案，測(cè)試性結(jié)果表明改進(jìn)方法能夠更加有效和準(zhǔn)確地定位故障。同時(shí)，說(shuō)明對(duì)于復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)，利用多信號(hào)建模思想可以方便地獲取其模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)測(cè)試性的分析與改進(jìn)。

[1]侯青劍，王宏力.基于TEAMS的慣性測(cè)量組合故障診斷[J].現(xiàn)代防御技術(shù)，2009，37（5）：64-67.

[2]田仲，石君友.系統(tǒng)測(cè)試性設(shè)計(jì)分析與驗(yàn)證[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003：8-10.

[3]劉海明，易曉山.多信號(hào)流圖的測(cè)試性建模與分析[J].中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2007，33（1）：49-50.

[4]Deb S，Pattipati K R，Raghavan V，et al.Multi-signal flow graphs:a novel approach for system testability analysis and fault diagnosis[J].Aerospace and Electronic System Magazine，1995，10（5）：14-25.

[5]Hindson W，Sanderfer D，Deb S，et al.A modelbased health monitoring and diagnostic system for the UH-60 helicopter[C]∥Proceedings of the AHS International 57th Annual Forum and Technology Display，2001：331-338.

[6]Wen F，Willett P K，Deb S.Signal Processing and fault detection with application to CH-46 helicopter data[C]∥Proceedings of the IEEE Aerospace Conference，2000：2113-2120.

[7]龔勇，景小寧，陳云翔，等.基于多信號(hào)流圖的飛控系統(tǒng)實(shí)時(shí)故障診斷[J].電光與控制，2006，13（6）：89-92.

[8]林志文，賀喆，楊士元.基于多信號(hào)模型的雷達(dá)測(cè)試性設(shè)計(jì)分析[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2009，31（11）：2781-2784.

[9]何光進(jìn)，葉曉慧，王紅慧.多信號(hào)模型在故障診斷中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2009，17（1）：25-27.