基于相關(guān)性模型的電源濾波組合測(cè)試性設(shè)計(jì)

梁海波 姜 蘋 董世茂 孟 恭

1. 北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854 2. 宇航智能控制技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100854

測(cè)試性是武器裝備重要的設(shè)計(jì)特性，良好的測(cè)試性設(shè)計(jì)可以快速地實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)、故障隔離，對(duì)提高裝備的戰(zhàn)備完好性和任務(wù)成功性、減少對(duì)維修人力和其它資源的要求、降低全壽命周期費(fèi)用有著重要的意義。

在武器裝備的研制過(guò)程中建立測(cè)試性模型，并利用模型對(duì)裝備測(cè)試性設(shè)計(jì)情況進(jìn)行分析和評(píng)估，既有利于在裝備研制早期及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的測(cè)試性問(wèn)題并加以解決，避免將問(wèn)題帶入下一研制階段，又有利于裝備研制過(guò)程中對(duì)測(cè)試性設(shè)計(jì)的掌控，從而提高裝備的測(cè)試性水平[1-2]。

電源濾波組合是導(dǎo)彈武器裝備測(cè)發(fā)控系統(tǒng)中的重要設(shè)備，需要為測(cè)發(fā)控系統(tǒng)確保武器裝備能夠可靠穩(wěn)定地工作提供高品質(zhì)的供電電源。因此，在對(duì)武器裝備測(cè)發(fā)控系統(tǒng)開(kāi)展測(cè)試性設(shè)計(jì)工作時(shí)，電源濾波組合的測(cè)試性設(shè)計(jì)非常重要。這里，以電源濾波組合為研究對(duì)象，利用相關(guān)性建模分析方法建立了相關(guān)性圖示模型和D矩陣模型，確定了故障檢測(cè)和隔離用測(cè)試點(diǎn)，并制定了故障診斷策略，為整個(gè)武器裝備測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的測(cè)試性設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

1 基于相關(guān)性模型的測(cè)試性設(shè)計(jì)方法

基于相關(guān)性模型的測(cè)試性分析流程如圖1所示。首先，對(duì)設(shè)備開(kāi)展故障模式影響及危害性分析(Failure Mode, Effects, and Criticality Analysis, FMECA)，即通過(guò)分析確定各組成單元在設(shè)計(jì)和使用過(guò)程中所有可能存在的故障模式，以及每個(gè)故障模式的原因及影響。然后，對(duì)設(shè)備的功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，結(jié)合可用的測(cè)試手段和測(cè)試點(diǎn)，建立相關(guān)性圖示模型，進(jìn)而建立D矩陣模型。隨后，進(jìn)行測(cè)試點(diǎn)優(yōu)選計(jì)算并建立故障診斷樹。最后，利用生成的診斷策略，計(jì)算故障檢測(cè)率、故障隔離率等指標(biāo)。

根據(jù)設(shè)備的功能信息流方向，逐個(gè)分析各組成單元Fi的故障信息在測(cè)試點(diǎn)Tj上的反映F=DT，即可得到對(duì)應(yīng)的D矩陣模型[3]：

(1)

其中，

圖1 基于相關(guān)性模型的測(cè)試性設(shè)計(jì)流程圖

在建立設(shè)備的D矩陣模型以后，就可以利用此模型來(lái)優(yōu)選故障檢測(cè)用測(cè)試點(diǎn)和故障隔離用測(cè)試點(diǎn)，進(jìn)而確定故障診斷策略，一般步驟如下[4]：

1)簡(jiǎn)化D矩陣。為了簡(jiǎn)化后續(xù)的計(jì)算工作量，將D矩陣中相等的列或行合并，識(shí)別出冗余測(cè)試點(diǎn)和故障隔離的模糊組；

2)優(yōu)選故障檢測(cè)用測(cè)試點(diǎn)。優(yōu)選故障檢測(cè)用測(cè)試點(diǎn)的關(guān)鍵在于選取的測(cè)試點(diǎn)能夠提供盡可能多的檢測(cè)信息，這里用故障檢測(cè)權(quán)值WFD表示。對(duì)于簡(jiǎn)化后的D矩陣，其第j個(gè)測(cè)試點(diǎn)的WFDj定義為

(2)

3)優(yōu)選故障隔離用測(cè)試點(diǎn)。與優(yōu)選故障檢測(cè)用測(cè)試點(diǎn)類似，選擇故障隔離用測(cè)試點(diǎn)的關(guān)鍵在于選取的測(cè)試點(diǎn)能夠提供盡可能多的故障隔離信息，這里用故障隔離權(quán)值WFI表示。

經(jīng)分析可知，D矩陣中每一列所反映的正常與故障狀態(tài)信息量雖然不同，但各列的“0”元素和“1”元素的總和是常數(shù)。根據(jù)A+B=C(常數(shù))，當(dāng)A=B=C/2時(shí)，A*B的值是最大的原理，從故障隔離目的來(lái)考慮，選取A*B為最大數(shù)值的測(cè)試點(diǎn)做為優(yōu)先選取的故障隔離測(cè)試入口。

對(duì)于簡(jiǎn)化后的D矩陣，其第j個(gè)測(cè)試點(diǎn)的WFIj定義為

(3)

4)制定測(cè)試策略。以上述測(cè)試點(diǎn)的優(yōu)選結(jié)果為基礎(chǔ)，先檢測(cè)后隔離，依次用選出的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，按測(cè)試結(jié)果的正常與否確定下一次測(cè)試。如果測(cè)試結(jié)果正常則繼續(xù)進(jìn)行檢測(cè)，否則開(kāi)始故障隔離，這種故障診斷策略可以用故障樹來(lái)形象地表達(dá)。

2 電源濾波組合測(cè)試性設(shè)計(jì)

2.1 電源濾波組合功能分析

電源濾波組合作為一種電源預(yù)處理和變換裝置，其供電品質(zhì)的優(yōu)劣，直接決定著外部用電設(shè)備工作狀態(tài)的穩(wěn)定性和可靠性。電源濾波組合以交流220V電源作為輸入，對(duì)外輸出4路直流24V和3路經(jīng)過(guò)濾波處理的交流220V供電信號(hào)，為外部設(shè)備供電，其功能框圖如圖2所示。其中直流24V供電輸出電路由AC/DC電源模塊、開(kāi)關(guān)控制單元以及4路串行配置的繼電器控制單元組成。當(dāng)啟/停開(kāi)關(guān)接通時(shí)，繼電器電路1～4依次接通，分別為外部的光端機(jī)、PLC1、PLC2和PLC3供電，由于各外部設(shè)備加電時(shí)間依次錯(cuò)開(kāi)，避免了同時(shí)加電對(duì)AC/DC電源模塊造成沖擊，提高了供電可靠性。

交流220V電源供電電路分為3個(gè)獨(dú)立的供電通路，每個(gè)通路上均串聯(lián)了電源濾波器。在為外部計(jì)算機(jī)供電的同時(shí)，還確保了自身通路的電磁兼容性。

圖2 電源濾波組合功能結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 相關(guān)性分析與建模

結(jié)合電源濾波組合功能分析結(jié)果，在對(duì)其進(jìn)行FMECA的基礎(chǔ)上，開(kāi)展相關(guān)性分析與建模工作?？紤]測(cè)試點(diǎn)設(shè)置的難易程度、成本等因素，在電源濾波組合的各組成單元上設(shè)置測(cè)試點(diǎn)，并標(biāo)注在功能信息流圖上，即得到了電源濾波組合的相關(guān)性圖示模型，如圖3所示。

圖3 電源濾波組合測(cè)試性框圖

根據(jù)電源濾波組合的功能信息流方向，得到如下D矩陣模型：

(4)

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，此模型不存在數(shù)值相同的行或列，即不存在冗余測(cè)試情況和模糊組，不需要對(duì)D矩陣進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。

2.3 選取檢測(cè)用測(cè)試點(diǎn)

采用式(2)計(jì)算故障檢測(cè)權(quán)值列于表2中，顯然，故障檢測(cè)權(quán)值WFD=6最大，即將測(cè)試點(diǎn)T6作為第1個(gè)檢測(cè)用測(cè)試點(diǎn)。從功能上看，T6設(shè)置在直流24V供電電路的末端，通過(guò)對(duì)T6進(jìn)行測(cè)試，可實(shí)現(xiàn)對(duì)直流24V供電電路的功能狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。

針對(duì)T6所在的列，對(duì)D矩陣進(jìn)行“0-1”分割，將D矩陣一分為二，如表2所示。對(duì)“0”子矩陣再次進(jìn)行故障檢測(cè)權(quán)值計(jì)算，T7，T8和T9對(duì)應(yīng)的故障檢測(cè)權(quán)值均為1。通過(guò)對(duì)電源濾波組合的功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，T7，T8和T9三個(gè)測(cè)試點(diǎn)地位均等、功能獨(dú)立，只要對(duì)D矩陣再進(jìn)行任意次序的“0-1”分割，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)3路交流220V供電通道工作狀態(tài)的檢測(cè)，這里不再詳述。

表1 檢測(cè)用測(cè)試點(diǎn)選取數(shù)據(jù)處理表1

表2 檢測(cè)用測(cè)試點(diǎn)選取數(shù)據(jù)處理表2

根據(jù)對(duì)D矩陣進(jìn)行4次分割及故障檢測(cè)權(quán)值計(jì)算結(jié)果，最終選取T6，T7，T8和T9作為故障檢測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源濾波組合4個(gè)輸出通道的故障檢測(cè)。

2.4 選取隔離用測(cè)試點(diǎn)

在單故障假設(shè)下，由于F7，F(xiàn)8，F(xiàn)9相互獨(dú)立，且故障檢測(cè)后F7，F(xiàn)8和F9已經(jīng)成為單行，即在進(jìn)行故障檢測(cè)的同時(shí)也完成了隔離，此后分析就可以不再考慮。在進(jìn)行故障隔離用測(cè)試點(diǎn)選取時(shí)，首先在故障檢測(cè)點(diǎn)中選取T6作為第1個(gè)故障隔離用測(cè)試點(diǎn)，用式(3)計(jì)算故障隔離權(quán)值最大值WFI=9，對(duì)應(yīng)測(cè)試點(diǎn)T3，即選取T3作為第2個(gè)隔離用測(cè)試點(diǎn)。

利用測(cè)試點(diǎn)T3所對(duì)應(yīng)的列對(duì)D矩陣進(jìn)行“0-1”分割，將D矩陣分割為3個(gè)子矩陣，再次計(jì)算各測(cè)試點(diǎn)的隔離權(quán)值最大值為2，對(duì)應(yīng)T1，T2，T4和T5這4個(gè)測(cè)試點(diǎn)，理論上4個(gè)測(cè)試點(diǎn)開(kāi)展下一步故障隔離所耗費(fèi)的時(shí)間資源均等，此時(shí)可根據(jù)測(cè)試點(diǎn)的數(shù)據(jù)獲取難易程度等方面綜合考慮，優(yōu)先選取獲取數(shù)據(jù)方便的測(cè)試點(diǎn)。這里，選取T1作為第3個(gè)故障隔離用測(cè)試點(diǎn)。

同理，再經(jīng)過(guò)4次計(jì)算和矩陣分割，F(xiàn)1～F6已經(jīng)先后被分割為單行。因此，根據(jù)矩陣分割的先后順序，依次選取T2，T4和T5作為后續(xù)故障隔離用測(cè)試點(diǎn)。

表3 隔離用測(cè)試點(diǎn)選取數(shù)據(jù)處理表

2.5 制定故障診斷策略

電源濾波組合的故障診斷策略可以用故障診斷樹的形式表示。從第1個(gè)故障檢測(cè)用測(cè)試點(diǎn)開(kāi)始，按測(cè)試結(jié)果的正常與否畫2個(gè)分支：

1)對(duì)于正常分支(以“0”表示)，繼續(xù)用第2個(gè)故障檢測(cè)用測(cè)試點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，畫出兩個(gè)分支，若測(cè)試結(jié)果為異常，則轉(zhuǎn)入下一步，否則仍繼續(xù)進(jìn)行測(cè)試，直到用完所有故障檢測(cè)用測(cè)試點(diǎn)，表示被測(cè)系統(tǒng)無(wú)故障；

2)對(duì)于異常分支(以“1”表示)，使用第1個(gè)故障隔離用測(cè)試點(diǎn)，按其結(jié)果是否正常(“0”和“1”)分為2個(gè)分支；再用第2個(gè)故障隔離用測(cè)試點(diǎn)，畫出2個(gè)分支，直到所用分支為單個(gè)組成部件為止，表示故障隔離完成[5]。

按照上述方法，得到故障診斷樹如圖4所示，使用故障檢測(cè)用測(cè)試點(diǎn)T6對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，將系統(tǒng)劃分為2個(gè)分支，正常分支由F7～F9組成，異常分支由F1～F6組成。

針對(duì)正常分支，利用檢測(cè)用測(cè)試點(diǎn)T7對(duì)正常分支進(jìn)行檢測(cè)，如果測(cè)試結(jié)果異常，則判定F7故障，反之需要對(duì)F8～F9分支繼續(xù)進(jìn)行檢測(cè)，以此類推，再依次采用測(cè)試點(diǎn)F8和F9進(jìn)行測(cè)試，可判定整個(gè)系統(tǒng)有無(wú)故障。

針對(duì)異常分支F1～F6，依次采用隔離用測(cè)試點(diǎn)T3，T1，T4，T2和T5進(jìn)行隔離性測(cè)試，可將故障隔離到單個(gè)組成部件。

圖4 故障診斷樹

3 測(cè)試性分析與評(píng)估

測(cè)試性分析與評(píng)估的目的是對(duì)測(cè)試診斷策略的診斷能力做客觀量化的考核，同時(shí)指出測(cè)試診斷策略設(shè)計(jì)中存在的不足，便于進(jìn)一步改進(jìn)。

通常，測(cè)試性分析與評(píng)估工作基于以下3點(diǎn)假設(shè)[6]：

1)單故障假設(shè)，即在任何時(shí)候當(dāng)被測(cè)對(duì)象處于故障狀態(tài)時(shí)，認(rèn)為只有一個(gè)組成單元發(fā)生了故障;

2)被測(cè)對(duì)象各組成單元故障率相等，各個(gè)測(cè)試點(diǎn)測(cè)試所需的時(shí)間和費(fèi)用均不予考慮，即不考慮被測(cè)對(duì)象組成單元的可靠性、測(cè)試時(shí)間和費(fèi)用的影響;

3)信號(hào)傳輸通道正常，不存在連接錯(cuò)誤和通道中斷。

通過(guò)分析，電源濾波組合的測(cè)試診斷策略中不存在冗余測(cè)試和模糊組，對(duì)內(nèi)部各組成單元的故障檢測(cè)率和故障隔離率均為100%。根據(jù)故障診斷樹，將故障診斷平均測(cè)試步驟計(jì)算如下：

平均故障檢測(cè)測(cè)試步驟數(shù)為

平均故障隔離測(cè)試步驟數(shù)為

可見(jiàn)，針對(duì)電源濾波組合的測(cè)試診斷，該策略平均通過(guò)3.3步即可實(shí)現(xiàn)所有組成單元的故障診斷與隔離，可大大減少故障檢測(cè)與隔離時(shí)間。

4 結(jié)束語(yǔ)

在對(duì)電源濾波組合測(cè)試信息進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，利用相關(guān)性模型優(yōu)選了故障檢測(cè)用測(cè)試點(diǎn)和故障隔離用測(cè)試點(diǎn)，制定了故障診斷測(cè)試策略，故障診斷率和故障隔離率均達(dá)到了100%，且測(cè)試效率較高。

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[6] 石君友.測(cè)試性設(shè)計(jì)分析與驗(yàn)證[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2011.