基于LabVIEW和Access的陀螺仪组故障诊断专家系统

秦旭东　李英顺

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【摘 要】为了对坦克陀螺仪组故障诊断问题进行研究，满足陀螺仪的可靠性要求，提出一种基于LabVIEW和Access的陀螺仪组故障诊断专家系统。本系统构建了专家系统的知识库和推理机，利用LabVIEW和Access工具建立相应的软件环境并编写相应程序，开发陀螺仪故障诊断系统。该系统在测试过程中发挥了专家系统的智能性，能够快速准确地诊断陀螺仪组的故障位置及故障原因，并能给出有效的维修建议，适合于陀螺仪组的故障诊断。

【关键词】陀螺仪组；LabVIEW；专家系统；故障诊断

0 引言

陀螺仪是一种感测旋转的装置，被广泛应用于航海等诸多领域。陀螺仪组是坦克炮控系统中最重要的部分之一，炮控系统的稳定功能主要依靠陀螺仪的工作来实现。陀螺仪能够自动保持炮身轴线方向不受车体振动的影响，将火炮稳定在所赋予的射角和射向上，以减小车体俯仰振动和水平振动对行进间射击的影响，提高射击精度[1]，所以保持陀螺仪组正常工作以及快速检测故障维修设备，对炮控系统正常稳定地工作是非常重要的。故此，本文提出基于LabVIEW和Access的陀螺仪组故障诊断专家系统，并将故障树分析法应用于陀螺仪故障诊断中，从陀螺仪故障状态出发，自上而下逐层展开，逐级推理分析找出故障原因，其特点是逻辑清晰明了使人易懂。利用LabVIEW和Access工具建立相应的软件环境并编写相应程序，开发陀螺仪故障诊断系统。LabVIEW是一种图形化的编程语言的开发环境，其图形化的界面使得编程简单易懂，其软件系统集成了与满足 GPIB、VXI、RS-232和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能，功能强大灵活性强，且兼容Access数据库，所以便于与Access建立陀螺仪组故障诊断专家系统。

1 专家系统

专家系统将领域专家知识和经验以知识库的形式存入计算机，并模仿领域专家解决问题的推理方式和思维过程运用专家的知识与经验进行推理、判断和决策。其主要由知识库、综合数据库、推理机、解释系统、人机接口组成。下面为专家系统结构图。

专家系统的工作过程

将从专家获取的知识送给知识获取系统，建立故障树并通过历史故障分析将所有的事实转化为规则集存储到知识库中，用户通过人机接口（用户界面）输入初始事实，推理机把存放在数据库中的事实与知识库中的规则进行匹配，推理过程中的中间结果存储到数据库中，推理完毕推理机将故障结果送给人机接口显示，而解释系统将可能导致故障的原因及维修建议送给人机接口显示。

2 陀螺仪组故障诊断专家系统设计

2.1 知识获取

根据对陀螺仪组故障的分析，该故障诊断专家系统的知识获取方法包括以下几方面：

1）查阅陀螺仪组资料，了解陀螺仪组的工作原理，找出可能发生故障的原因。

2）建立故障树：收集陀螺仪组工作过程中出现的故障，从这些故障中选择顶事件来绘制故障树。同时，根据陀螺仪组的结构和故障情况，将陀螺仪组整体逐层分解。对故障树的底事件进行故障模式和影响分析，为查找故障原因提供依据。图2为故障树。

3）故障发生概率：应尽可能地收集故障树中故障发生的客观概率，特别是陀螺仪组的故障历史记录。在难以估计其概率时，可由维修人员和专家给出故障发生可能的概率。

4）经验知识：从陀螺仪组维修专家、试验员获取故障排除的经验知识，这是故障诊断的主要依据。

2.2 知识表示方式

知识表示方式有许多种，其中产生式规则表示方式是模仿人的思考问题方式和解决问题的方法，而且在推理过程中容易保留中间推理结果及推理路径[2]。故陀螺仪组故障诊断专家系统采用基于规则的知识表示方式。以下简要介绍这种方法在系统中的应用。

基于规则的表示方式

= （IF THEN（ELSE））

= （AND{}）

=（OR{}|（）

antecedent（前提）action（执行结论） condition（条件）

If D[如果证据D存在]

then C（F（C，D））[那么，结论存在的置信度为F（C，D）]

例如：If D={角度传感器故障为偏离理论值}

then C={炮控故障}（F（C，D）=0.977），基于规则表达式表示了故障现象的知识[2]。

2.3 推理机

根据故障诊断专家系统中的推理逻辑，经过分析比较，陀螺仪组故障诊断专家系统软件采用故障树分析法建立推理逻辑，并采用正逆双向混合推理两种方式，这种推理策略结合了正向推理和逆向推理的优点，在整个推理过程中，两种推理策略交替进行，正向推理时不期望从初始证据一直推到最终目标，反向推理时也不期望从某个假设一直推到原始事实，而是期望推理过程在中间的某处汇合。这样的专家系统推理策略非常适合陀螺仪组管理智能化的故障诊断要求。它具有推理灵活、简便性，不会受到被诊断系统的影响。

3 软件实现

结合陀螺仪组故障诊断专家系统和LabVIEW以及Access数据库软件特点，软件设计采用模块化的思想，陀螺仪组故障诊断专家系统主要包括信号采集模块、知识获取模块、知识库模块、知识管理模块、规则库模块、推理机模块、解释系统模块、系统帮助模块软件流程图如图。模块化的软件管理逻辑明了方便操作者的使用。

LabVIEW程序包括程序框图和前面板两部分，前面板为友好人机界面，有各种精美的显示控件，用户可以直接观察所采集的各项参数以及查看检测结果是否正常，而且LabVIEW与数据库利用DSN方式连接操作简单。LabVIEW利用ADO模块及SQL语句可以对数据进行修改、删除、存储等操作，将实时采集数据及诊断结果大量数据分类存储到表格中，非常有利于数据管理。知识库和规则库的管理也可利用以上原理。

4 结论

LabVIEW程序框图将采集到设备各项参数指标显示在前面板，经过和数据库中正常指标的对比判断设备故障部位，并调用数据库中的知识库的知识，利用正反向混合推理相结合的算法快速准确地判断出现故障的原因，并给出排除故障的建议，这样检查人员不仅可以知道设备故障原因，而且也大大减少了故障定位和查找故障原因的时间，这是非常有利于设备维修的。

【参考文献】

[1]坦克炮控系统液浮陀螺仪故障机理分析.

[2]飞机燃油系统故障诊断方法分析.

[3]基于LabVIEW的飞机电源故障诊断专家系统.

[责任编辑：王伟平]

【摘 要】“误差理论与数据处理”课程是测控技术与仪器专业的一门重要的专业基础课，该课程主要讲述常见物理量测量中的误差理论及其数据处理方法，使学生掌握误差理论与数据处理的基本概念、基本原理、基本计算方法，培养学生分析处理实验数据的能力。由于课时、教学条件的制约，开设该课程的高校普遍对传统的静态测量的数据处理讲授较多，对现代误差理论、不确定度评定及动态测试的数据处理讲述较少，这已经不能适应信息时代的要求。近年来，本课题组致力于该课程的教学改革，在理论与实践教学内容、教学条件、教学方法、教师队伍等多方面开展了卓有成效的改革，取得了良好的效果。

【关键词】课程建设；教学改革；误差理论与数据处理

【Abstract】“Error theory and data processing”course is an important professional basic course of measurement and control technology and instrument specialty， this course mainly talks about the error theory and data processing method of the common physical quantity measurement， to make the students master the basic concepts， basic principles and calculation methods of error theory and data processing，and cultivate students ability to analyze and process the experimental data. Due to the constraints of class hours and teaching conditions， generally the traditional static measurement data processing teaching more， the modern error theory， uncertainty evaluation and dynamic testing of the data processing is involved less， this has not adapted to the requirements of the information age.In recent years， our research group worked on the teaching reform of the course， in many aspects of the theory and practice of teaching content， teaching conditions， teaching methods and teachers to carry out the effective reform， and achieved good results.

【Key words】Course construction； Teaching reform； Error theory and data processing

1 课程建设的背景及思路

1.1 课程建设的背景

“误差理论与数据处理”课程是测控技术与仪器专业的一门重要的专业基础课，主要讲述几何量、机械量以及其他有关物理量的静态测量和动态测量的误差理论与数据处理。该课程的主要任务是通过各教学环节，使学生掌握误差理论与数据处理的基本概念、基本原理、基本计算方法，培养学生分析、处理数据的能力，为学习后续课程的学习以及从事工程技术，科学研究等工作打下坚实的基础。

由于课时、教学条件的限制，以往该课程教学过程中对传统的静态测量的数据处理讲授较多，对现代误差理论、不确定度评定及动态测试的数据处理讲述较少，这已经明显落后于现代测试技术的发展。该课程具有较强的实践性，但在以往的教学过程中主要侧重理论内容讲授，没有设置实践性环节。在学生对课程教学的评价中也提到主要教学内容都是原理及算法，内容有些枯燥。以上问题导致学生对该课程在专业人才培养方案中的作用认识不足，影响了教学效果，不利于培养学生分析解决实际工程应用问题的能力和创新能力。由于该课程和前期的概率论与数理统计、互换性与测量技术、信号分析与处理以及后续的传感器与测试技术、自动检测技术、精密测量技术等课程联系较为紧密，所以也需要从整个知识体系和学生能力培养的高度对其教学内容、教学计划进行统筹规划。

1.2 课程建设的基本思路

本课程教学建设的基本思路主要包括以下几个方面：一是，对该课程在人才培养方案中的定位和教学目标进行全面认真地分析、讨论，从信息化的视角并结合相应的职业岗位要求，全面理清学生应掌握的知识点、能力点和技能点；二是，在此基础上制定教学大纲（课程标准），包括各单元教学内容及基本要求、学时分配、考核评价方式、实践教学内容等；三是，着力进行教学方法与教学手段的改革，授课教师全程参与到课堂教学、实验指导、大作业以及毕业设计的各个教学环节中，采用多层次、全方位、反复训练的教学方法，培养学生的各项技能，并充分利用现代化教学手段进行辅助教学；四是，以教学改革、科研为抓手，进一步提高主讲教师的教学科研水平，建立一支结构合理、师德高尚、素质优良、充满活力的教师队伍。

2 课程教学改革的具体实践过程

2.1 教学内容建设

2.1.1 理论教学内容改革

该课程的教学内容从总体上遵循“理论够用、强化应用”的原则，突破了传统的教学方式。课程以不同的测量方式下的误差理论与测量数据的处理方法为主线，层次主线清晰，结构科学合理，注重教学内容和课程体系创新。以教学大纲为基本依据，遵循教学内容的科学性、先进性和适用性的原则，充分考虑了我校应用型人才的培养目标，强化了数据处理实际应用方面的训练，做到思路开阔，注重应用。增加了现代误差理论、不确定度分析和动态测量的误差处理方面的内容。在讲授系统不确定度评定时，就以实际的测量系统为例，结合传感器、转换电路、A/D转换等环节的精度分析，进行系统的总体精度评定，把“传感器原理及应用”、“产品质量检测技术”、“模拟电子技术”、“数字逻辑与系统”等课程的相关内容很好地结合起来。通过这样的讲授，学生就会了解这些课程及教学内容在实际工程应用中的具体作用，为后续各环节的教学打下了良好的基础。同时我们针对不同的专业方向，在教学内容的设置上有所侧重。在讲授应用举例时“检测技术与质量工程”方向突出产品质量检测中的精度分析与数据处理，“计算机测控技术”方向突出测量系统集成设计中的不确定度评定和系统特性分析中的数据处理方法的讲解。