基于元胞機(jī)的伺服系統(tǒng)故障傳播分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明提供一種基于元胞機(jī)的伺服系統(tǒng)故障傳播分析方法，用以確定產(chǎn)品的故障 傳播過(guò)程，屬于可靠性工程技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 伺服系統(tǒng)是一個(gè)由相互關(guān)聯(lián)，相互作用，相互影響的電路模塊、子設(shè)備和子系統(tǒng)以 一定的層次結(jié)構(gòu)組織而形成的系統(tǒng)。一般來(lái)講，對(duì)于功能結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的伺服系統(tǒng)，根據(jù)其層 次關(guān)系和各層次內(nèi)組成單元之間的邏輯關(guān)系，對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行層次化分解，可將伺服系統(tǒng) 分為系統(tǒng)、子系統(tǒng)、電路板、功能模塊、單元電路/元器件等多個(gè)層次，各層次組成單元間存 在一定的功能邏輯關(guān)系。
[0003] 伺服系統(tǒng)故障傳播研究的是故障信號(hào)在伺服系統(tǒng)中的傳遞情況，以及局部故障造 成的周?chē)娐坊螂娐氛w功能的影響。伺服系統(tǒng)的各組成元器件之間的連接決定了故障的 信號(hào)是可以傳播的，通過(guò)故障的傳播性可揭示出電路各元器件故障對(duì)周?chē)骷约八欧?系統(tǒng)整體功能的影響。
[0004] 目前關(guān)于故障傳播的方法有基于圖論、基于petri網(wǎng)、基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、和定性推理 方法，它們能夠從定性的角度建立故障傳播推理機(jī)制，但不能建立定量的模型，而元胞自動(dòng) 機(jī)是一個(gè)時(shí)間、空間和狀態(tài)都離散的動(dòng)力系統(tǒng)，能夠通過(guò)算法推理傳播的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的為了解決上述問(wèn)題，提出一種基于元胞機(jī)的伺服系統(tǒng)故障傳播分析 方法，它是確定產(chǎn)品的故障傳播過(guò)程的方法，可以為故障傳播模型的建立，過(guò)程的分析提供 支持。
[0006] 本發(fā)明是將伺服系統(tǒng)劃分為多個(gè)元胞，根據(jù)各元胞間的相互作用關(guān)系，在一些局 部的規(guī)則作用下不斷演化，來(lái)處理伺服系統(tǒng)的仿真和預(yù)測(cè)的方法，即基于元胞機(jī)的伺服系 統(tǒng)故障傳播分析方法
[0007] 本發(fā)明是通過(guò)研究現(xiàn)有故障傳播建模方法和定性推理理論，詳細(xì)分析方法中的關(guān) 鍵技術(shù)以及實(shí)施過(guò)程中可能存在的問(wèn)題；在此基礎(chǔ)上，建立基于元胞機(jī)的、適用于伺服系統(tǒng) 的能夠?qū)崿F(xiàn)故障傳播的模型。
[0008] -種基于元胞機(jī)的伺服系統(tǒng)故障傳播分析方法，包括以下幾個(gè)步驟：
[0009] 步驟1 :根據(jù)伺服系統(tǒng)層次關(guān)系和各層次內(nèi)組成單元之間的邏輯關(guān)系，對(duì)伺服系 統(tǒng)進(jìn)行層次化分解，確定伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成；
[0010] 步驟2 :從產(chǎn)品的最高層次系統(tǒng)級(jí)開(kāi)始，確定子系統(tǒng)的鄰居關(guān)系，建立鄰居關(guān)系矩 陣，并對(duì)系統(tǒng)級(jí)建立元胞機(jī)故障傳播模型；
[0011] 步驟3 :從每個(gè)子系統(tǒng)級(jí)開(kāi)始，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功能模塊級(jí)以上單元建立相應(yīng)的元 胞機(jī)模型，生成系統(tǒng)的多層級(jí)元胞機(jī)模型；
[0012] 步驟4 :確定組成單元對(duì)故障信號(hào)的傳遞函數(shù)G(s)
[0013] 底層單元對(duì)故障信號(hào)的傳遞函數(shù)G(s)通過(guò)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中的輸入信號(hào)r(t)和輸出信 號(hào)c(t)，并經(jīng)過(guò)拉普拉斯變換計(jì)算得到；高一層模塊的故障信號(hào)的傳遞函數(shù)G(s)通過(guò)底層 單元對(duì)故障信號(hào)的傳遞函數(shù)組合得到；
[0014] 步驟5:在步驟3建好的多層級(jí)元胞機(jī)模型基礎(chǔ)上，獲取元胞機(jī)模型的演化規(guī)則；
[0015] 步驟6:輸入故障源，通過(guò)步驟4中的傳遞函數(shù)確定故障傳遞函數(shù)，迭代得到穩(wěn)定 時(shí)刻元胞機(jī)故障程度矩陣和狀態(tài)矩陣，穩(wěn)定時(shí)刻，即令C(t) =C(t-l)，輸入初始的故障程 度矩陣和狀態(tài)矩陣，通過(guò)迭代得到結(jié)果，并得到整個(gè)伺服系統(tǒng)的故障傳播結(jié)果和故障傳播 路徑。
[0016] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0017] (1)通過(guò)多級(jí)元胞模型可以對(duì)電路板之間的故障傳播模型進(jìn)行分析；
[0018] (2)本發(fā)明結(jié)合元胞自動(dòng)機(jī)這一強(qiáng)大的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)將復(fù)雜的系統(tǒng)劃分為多 個(gè)元胞，通過(guò)一些簡(jiǎn)單的演化規(guī)則便可以對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行仿真和預(yù)測(cè)；
[0019] (3)本發(fā)明可以對(duì)電路系統(tǒng)的故障傳播進(jìn)行定量分析。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1為本發(fā)明的方法流程圖；
[0021] 圖2為二維元胞自動(dòng)機(jī)的鄰居模型；
[0022] 圖3為多層級(jí)元胞機(jī)故障傳播模型與電路系統(tǒng)層次間的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖；
[0023] 圖4為星載天線伺服系統(tǒng)控制器層次化分解圖；
[0024] 圖5控制器系統(tǒng)元胞機(jī)模型；
[0025] 圖6控制器系統(tǒng)元胞機(jī)模型；
[0026] 圖7故障狀態(tài)元胞機(jī)運(yùn)行結(jié)果；
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0028] 本發(fā)明為一種基于元胞機(jī)的伺服系統(tǒng)故障傳播分析方法，它將伺服系統(tǒng)劃分為多 個(gè)元胞，根據(jù)各元胞間的相互作用關(guān)系，在一些局部的規(guī)則作用下不斷演化，來(lái)處理伺服系 統(tǒng)的仿真和預(yù)測(cè)。本發(fā)明一方面建立基于元胞機(jī)的伺服系統(tǒng)故障傳播模型。在伺服系統(tǒng)及 其故障特性分析基礎(chǔ)上提出了多層級(jí)元胞機(jī)模型。另一方面在已經(jīng)建立的模型基礎(chǔ)上模擬 伺服系統(tǒng)故障傳播，包括正常信號(hào)和故障信號(hào)的橫向傳播和縱向傳播，并對(duì)傳播過(guò)程進(jìn)行 定性和定量的分析。
[0029] 本發(fā)明是一種基于元胞機(jī)的伺服系統(tǒng)故障傳播分析方法，流程如圖1所示，包括 以下幾個(gè)步驟：
[0030] 步驟1:根據(jù)伺服系統(tǒng)層次關(guān)系和各層次內(nèi)組成單元之間的邏輯關(guān)系，對(duì)伺服系 統(tǒng)進(jìn)行層次化分解，確定伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成；
[0031] 具體步驟為：
[0032] 1)確定伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成；
[0033] 2)根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組成，將產(chǎn)品自上而下劃分為若干個(gè)約定層次，其中獨(dú)立的功 能單元為一個(gè)約定層次，最低約定層次為功能模塊。
[0034] 步驟2 :從產(chǎn)品的最高層次系統(tǒng)級(jí)開(kāi)始，確定子系統(tǒng)的鄰居關(guān)系，建立鄰居關(guān)系矩 陣，并對(duì)系統(tǒng)級(jí)建立元胞機(jī)故障傳播模型。
[0035] 確定子系統(tǒng)級(jí)的鄰居關(guān)系矩陣，將子系統(tǒng)填入系統(tǒng)級(jí)的元胞機(jī)模型，其中具有鄰 居關(guān)系的子系統(tǒng)在系統(tǒng)級(jí)的元胞機(jī)模型中處于相鄰位置。
[0036] 對(duì)系統(tǒng)級(jí)建立元胞機(jī)故障傳播模型。首先是確定系統(tǒng)級(jí)中的子系統(tǒng)的鄰居關(guān)系矩 陣。本發(fā)明建立的模型中元胞的鄰居采用Moore鄰居，如附圖2所示。元胞鄰居規(guī)則根據(jù) 鄰居關(guān)系確定，鄰居關(guān)系由鄰居方向和耦合系數(shù)e表示。根據(jù)組件中信號(hào)流的方向，將鄰居 分為入鄰居和出鄰居。
[0037] 鄰居定義如下：設(shè)信號(hào)由A輸出流向B，則A是B的入鄰居，B是A的出鄰居。
[0038] 耦合系數(shù)e即元胞的傳遞函數(shù)在鄰居間的作用系數(shù)，取值0、1和-1，0表示兩元胞 無(wú)直接作用關(guān)系，1表示正作用關(guān)系，-1表示負(fù)作用關(guān)系，即
[0039]
[0040] 為了表達(dá)簡(jiǎn)便，用矩陣的形式來(lái)表達(dá)系統(tǒng)級(jí)元胞機(jī)故障傳播模型中子系統(tǒng)的鄰居 關(guān)系，稱為鄰居關(guān)系矩陣。
[0041] 設(shè)Μ為ηΧη子模型中鄰居關(guān)系矩陣。第i行表示非空元胞代表的組成單元，用ηι 表示，同時(shí)將組成單元作為列標(biāo)列出。對(duì)于每i行，依次分析第j列單元是否為其入鄰居， 若不是，則1^= 0 ;若是其入鄰居，判斷兩元胞作用關(guān)系，正作用關(guān)系，則mi]= 1 ;負(fù)作用關(guān) 系，貝1J11^= -1。由此推得Μ矩陣表達(dá)式：
[0042]
[0043]
[0044] 鄰居關(guān)系矩陣中全零行是信號(hào)輸入單元，由鄰居關(guān)系矩陣Μ生成元胞機(jī)模型，生 成步驟如下：
[0045] (1)查找鄰居關(guān)系矩陣中全零行對(duì)應(yīng)的單元作為中心元胞，放入元胞機(jī)中任意位 置，此時(shí)元胞機(jī)中只有該中心元胞；
[0046] (2)查找Μ中以此單元ID所在的列的非零元素對(duì)應(yīng)的行，這些行對(duì)應(yīng)的單元與該 單元直接相聯(lián)，為以上中心元胞的鄰居，放入元胞機(jī)中心元胞的空鄰居中；
[0047] (3)根據(jù)M，判斷中心元胞的其他鄰居元胞與（2)中置入元胞是否存在鄰居關(guān)系。 若存在，則須放置在既是中心元胞的鄰居又是鄰居元胞的鄰居的位置；若不存在鄰居關(guān)系， 則須放在中心元胞鄰居范圍內(nèi)，與另外鄰居非相鄰位置；
[0048] (4)當(dāng)關(guān)系矩陣中中心元胞對(duì)應(yīng)單元所在列的非零元素均轉(zhuǎn)化為元胞機(jī)中元胞， 該中心元胞的鄰居生成完成；否則重復(fù)（2)、（3)步驟；
[0049] (5)依次以中心元胞的鄰居元胞作為中心元胞，重復(fù)以上（2)、（3)、（4)自動(dòng)生成 步驟，直至鄰居關(guān)系矩陣中所有行對(duì)應(yīng)的單元均在元胞機(jī)模型中生成對(duì)應(yīng)的元胞。
[0050] 步驟3:從每個(gè)子系統(tǒng)級(jí)開(kāi)始，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功能模塊級(jí)以上單元建立相應(yīng)的元 胞機(jī)模型，生成系統(tǒng)的多層級(jí)元胞機(jī)模型.
[0051] 其中對(duì)每個(gè)單元建立元胞機(jī)模型的方法與步驟2中的相同，附圖3為步驟3建立 的多層級(jí)元胞機(jī)故障傳播模型與步驟1中伺服系統(tǒng)層次化分解圖的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
[0052] 步驟4:確定組成單元對(duì)故障信號(hào)的傳遞函數(shù)G(s)
[0053] 底層單元對(duì)故障信號(hào)的傳遞函數(shù)G(s)通檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中的輸入信號(hào)r(t)和輸出信號(hào) c(t)，并經(jīng)過(guò)拉普拉斯變換計(jì)算得到。高一層模塊的故障信號(hào)的傳遞函數(shù)G(s)通過(guò)底層單