基于模型重构的航天器部件级故障建模方法

刘睿, 李朋, 周军, 刘莹莹

(西北工业大学 精确制导与控制研究所, 陕西 西安 710072)

目前国内外研究的故障建模方法归纳起来主要有2大类:①直接从故障的角度对系统进行描述,如故障模式影响分析(failure mode effect analysis, FMEA)、故障树方法、失效物理技术等;②对系统从功能的角度进行描述,如先进设计环境原型工具分析技术、多级流程建模方法、功能可靠性仿真技术等。各种建模方法各有优势和不足,FMEA分析系统组成部件对系统的影响时需要依靠人为经验分析[1-2];故障树方法仅限于分析系统的故障逻辑关系[3];失效物理是微观的机理考虑,无法表示出系统故障状态和正常状态之间的转换。功能建模方法一般应用于详细设计阶段。以上研究方法多是基于已知故障的经验知识,在先验知识的基础上进行总结分析推理等。

本文提出的从对象仿真模型出发,以功能单元作为研究故障的最小单位,建立部件故障模型的方法尚未出现相关文献研究。

1 故障建模方法

本文在前期电动伺服系统、红外地平仪、陀螺、动量轮等部件故障模式分析的基础上,做了大量的故障建模方法研究,在这些工作的基础上,总结归纳部件级故障建模方法的步骤分为对象仿真模型建立、功能单元划分、功能单元分析、功能单元故障模型、部件级故障模型、模型仿真分析6个步骤。

故障模型的建立必须基于对象仿真模型的建立,仿真模型是故障建模的前提。在仿真模型中,研究对象被抽象成传递函数、延迟环节、饱和环节等形式,并按照物理连接和信号流向联系成统一的整体。

在部件级故障建模中,将研究故障的最小单位用功能单元来表示。功能单元划分是部件级故障建模的基础。本步骤的主要工作是在熟悉对象组成、工作原理的基础上,将对象内部组成构件按照其在整体部件中发挥的功能划分为若干个功能单元。功能单元的划分应该依据独立性、单输入单输出、故障影响、最大化4个准则。其中,故障影响准则是指功能单元会受到故障的影响,并在输出上有某种明确的表现;最大化准则强调任务要求与故障关心到的层次有关,功能单元的划分在满足任务要求的前提下最大化。

进行功能单元分析,总结常见故障,为在仿真模型基础上建立故障建模打好基础。

为了便于建立故障模型,我们将功能单元故障模型采用统一形式表示,正常状态下单输入单输出功能单元如下图所示,G(s)表示功能单元正常状态的数学模型,功能单元正常模型简图如图1所示,输出表达式为

y=G(s)u

(1)

图1 功能单元正常模型简图

在正常仿真模型的基础上,故障仿真模型可以通过对原有数学模型串联和并联相应的故障描述环节来表示,G(s)为功能单元正常工作情况下的仿真模型,引入以下函数对在仿真模型的基础上进行模型重构:K1和K2为增益系数,用于描述由故障引起的功能单元输出增益的变化;f1(t)为非线性函数,描述串入到功能单元中的故障因素;f2(t)也为非线性函数,用于描述并入到功能单元的故障信号变化规律;g1(t)和g2(t)为引发故障的外部影响函数或外部引入的故障干扰因素;β1和β2为选通变量,取值为0或1。

故障描述函数根据故障类型确定,它具有不同的形式可以是线性也可以是非线性,如开关函数、常值、分段函数及其它线性函数、非线性函数等。

功能单元故障模型建好后,可以在功能单元故障模型的基础上按照物理连接和信号流向建立部件整体的故障模型。

不同的部件有可能包含同一类功能单元,如红外地球敏感器和陀螺中都包含二次电源功能单元,因此,通过修改功能单元模型的参数取值,同一个功能单元仿真模型就可以应用于不同的部件中。在功能单元故障建模时,每个功能单元建模完毕,就对其进行封装,留出输入、输出及供调节的参数接口,将建好的功能单元模型整理成模型库。每个功能单元模型独立封装,作为独立的部分,是故障建模研究的最小单元,不考虑功能单元内部的具体结构组成。在进行部件级建模时,就可以根据需要调用功能单元模型。需要新的功能单元时,根据同样的方法建立新功能单元,并对模型库进行补充,在工作中可以逐步完善扩充模块库。模块库足够丰富时,就可以随时方便调用,将各个功能单元按照物理连接和信号流向整合,完成常见部件建模。整个部件级故障建模过程可以用流程图表示,如图2所示。

图2 部件仿真模型建立过程流程图

由于在故障诊断中,专家知识的获取一直是研究的瓶颈和难点。对于航天器控制系统,通过物理实验的方法获取经验知识比较有限,且代价较高。我们的仿真结果可以应用于故障征兆信息变换提取,形成知识库。将仿真结果保存,为知识库等的建立储存数据。同时,可以通过改变故障模型的参数,预测常见故障以外的未知故障。分析具有明确物理意义的模型参数和未知异常输出值的关系,可以得到故障模式表,是对我们前期故障模式分析的补充。

2 功能单元故障建模举例

部件故障建模的核心是功能单元故障模型的建立,本节举例说明功能单元故障模型建立过程。

电动伺服机构是航天器上的一类常用部件,其主要功能是根据控制指令,利用机电系统完成相应机构的运动和操作。电动伺服系统的基本结构如图3所示。

图3 电动伺服系统结构示意图

根据前面结构示意图和仿真模型,电动伺服系统通常由5个部分组成,包括:控制器、功率驱动器、伺服电机、减速器、反馈传感器。功率驱动器的仿真模型为非线性饱和环节,以这个典型功能单元为例介绍功能单元故障建模。故障模型建立的过程就是确定图3中故障模型中各个参数的过程,即确定参数K1、K2、f1(t)、f2(t)、g1(t)、g2(t)、β1和β2的过程。

2.1 功率模块故障模型

功率驱动器的数学模型为一饱和环节。功率模块的故障主要出现在H桥功率放大电路部分,主要包括:(1)功率管开路、(2)功率管短路、(3)功率电压异常、(4)引出线接触不良。

当故障(1)发生时,例如Q1开路,电流只能沿单一方向Q3→M→Q2方向流动,导致电机只能单方向运动,无法跟踪指令;当故障(2)发生时将导致系统烧毁,电机停止工作;当故障(3)发生时,即电源电压超出电机所允许的范围,电机将无法正常工作,例如电压较低(低于UL)时电机无法启动,而电压较高(高于UH)时电机或功率模块则有可能烧毁;当故障(4)发生时,电机两端电压时有时无,将使电机性能下降。

图4 功率电路

控制器故障模型如图5所示。

图5 功率模块故障模型

因此,功率模块故障与参数的对应关系为:

故障(1):考虑单个功率管开路,有

或

β1=1β2=0

故障(2):f1(t)=0,β1=1,β2=0;

故障(3):

β1=0,β2=1;

故障(4):f1(t)取值为0/1的随机函数,β1=1,β2=0。

2.2 功率模块故障模型验证举例

按照第一节中故障建模方法6个步骤可以进行故障模型的建立与数学仿真。通过进行故障模拟实验,由实际系统在故障条件下的物理表象来验证故障建模理论与方法的合理性和正确性。以功率模块输出引线接触不良实验为例,人为松动功率驱动器与伺服电机间的连接线,造成接触不良故障。

功率模块引出线松动故障下的仿真曲线和实测波形分别如图6和图7所示。

图6 功率模块引出线松动仿真曲线

功率模块引出线松动后,电机两端电源时有时无,从而导致系统运行不平稳。由图6和图7可知,引线松动对系统的快速性和稳定性造成一定影响,反馈信号波动量增大,实测波形与仿真曲线表象一致。

图7 功率模块引出线松动实测波形

3 结 论

本文针对目前故障建模方法存在的问题,提出了基于模型重构来建立对象故障模型的方法,此方法分6个步骤完成,分别是:对象仿真模型建立、对象功能单元划分与建模、功能单元分析、功能单元故障建模、部件级故障建模、以及正常模型仿真与故障模型仿真。定义研究故障的最小单位定义为功能单元,提出了对象功能单元划分准则:独立性、单输入单输出、故障影响、最大化4个准则。功能单元故障基于原仿真模型经增益变化、非线性转化等模型重构后描述。本文以电动伺服系统的典型功能单元为例说明功能单元故障模型建立方法并举例验证。

本文建立故障模型的方法可以方便的将仿真模型转化为故障模型,具有普遍的适用性。

参考文献：

[1] Haapanen P, Helminen A. Failure Mode and Effects Analysis of Software-Based Automation Systems Reliability and Maintainability[C]∥ 2004 Annual Symposium-RAMS,2004:201-206

[2] Herbert H, An X G, Myron H. Computer Aided Software FMEA for Unified Modeling Language Based Software[J]. IEEE Trans on Software Engineering,2004 (3):243-248

[3] Taylor J R. An Algorithm for Fault Tree Construction[J]. IEEE Trans on Reliability,1982, (31):137-146