一種復雜機電系統(tǒng)符號化質(zhì)量特性灰色預測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于復雜機電系統(tǒng)可靠性建模及質(zhì)量預測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種復雜機 電系統(tǒng)符號化質(zhì)量特性灰色預測方法的設(shè)計。
【背景技術(shù)】
[0002] 復雜機電系統(tǒng)是機、電、熱、磁、液等多物理過程融合于載體的復雜物理系統(tǒng)，也是 將多種單元技術(shù)集成于機電載體，形成特定功能的復雜裝備。裝備運行時，其內(nèi)部各子系統(tǒng) 與環(huán)境進行著能量、物質(zhì)與信息流的多種傳遞、轉(zhuǎn)換和演變?，F(xiàn)代各種高效生產(chǎn)設(shè)備、大型 空天運載工具、高速列車等無一不是耦合高度復雜、功能異常豐富、運行控制能力十分強大 的復雜機電系統(tǒng)。
[0003] 隨著我國制造業(yè)步伐的加快和國防工業(yè)水平的提升，一些高技術(shù)、高精度和高性 能的復雜產(chǎn)品的需求量與日倶增。我國相繼開展了一系列重大機械裝備工程項目和計劃， 如大型戰(zhàn)機、重型數(shù)控機床、高檔汽車、核潛艇、航空母艦等復雜程度很高的機電產(chǎn)品。這些 復雜產(chǎn)品對性能、可靠性、安全性等關(guān)鍵質(zhì)量特性有特殊要求。長期以來，由于在基礎(chǔ)理論 和質(zhì)量控制策略創(chuàng)新性方面的研究不夠深入，導致我國質(zhì)量管理技術(shù)相對落后。同時，由于 缺乏產(chǎn)品設(shè)計、制造以及質(zhì)量管理控制方面的技術(shù)和經(jīng)驗，造成我國自主研發(fā)的這類復雜 產(chǎn)品質(zhì)量性能和安全性差，可靠性水平低。
[0004] 在實際生產(chǎn)制造過程中，復雜機電系統(tǒng)或產(chǎn)品關(guān)鍵質(zhì)量特性往往受到多種因素的 影響，即使在相同操作環(huán)境下生產(chǎn)出的同類同批次產(chǎn)品的關(guān)鍵質(zhì)量特性值也總存在一定差 異。在時域上質(zhì)量特性是不斷變化的，呈現(xiàn)出波動性和隨機性。從質(zhì)量控制角度看，當產(chǎn)品 質(zhì)量處于可控的狀態(tài)范圍內(nèi)，關(guān)鍵質(zhì)量特性的波動會呈現(xiàn)某些特殊的統(tǒng)計特性，即質(zhì)量特 性數(shù)據(jù)序列的統(tǒng)計分布具有規(guī)律性。質(zhì)量控制過程中，控制模式與效果在很大程度上取決 于質(zhì)量特性波動在質(zhì)量系統(tǒng)中的傳遞趨勢與影響程度。對于復雜機電系統(tǒng)而言，質(zhì)量傳遞 鏈長、質(zhì)量特性和影響因素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系復雜;傳遞鏈通常是非線性的、復雜的以及不確 定的。質(zhì)量系統(tǒng)的復雜程度決定著質(zhì)量異常波動在傳遞過程中的無序與混沌程度，如何準 確識別質(zhì)量波動源是一大難題，特別是對于經(jīng)過多個過程和多次迭代演進之后的質(zhì)量問 題。因此，研究并建立面向復雜機電系統(tǒng)或復雜機電產(chǎn)品的質(zhì)量特性波動預測模型極為重 要。
[0005] 復雜機電系統(tǒng)在設(shè)計、制造和服役過程中，可以收集到一系列反映系統(tǒng)質(zhì)量特性 的各類數(shù)據(jù)，按照一定順序排列從而形成質(zhì)量特性時間序列。探索此類時間序列的波動和 統(tǒng)計特性，以此反映系統(tǒng)質(zhì)量特性變化趨勢對系統(tǒng)質(zhì)量特性的預測和控制具有極大的實用 意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中對于經(jīng)過多個過程和多次迭代演進之后的 質(zhì)量問題難以準確識別質(zhì)量波動源的問題，提出了一種復雜機電系統(tǒng)符號化質(zhì)量特性灰色 預測方法。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種復雜機電系統(tǒng)符號化質(zhì)量特性灰色預測方法，包括以 下步驟：
[0008] S1、根據(jù)復雜機電系統(tǒng)服役實際環(huán)境工況、系統(tǒng)功能、性能以及系統(tǒng)組成，綜合分 析系統(tǒng)故障模式和系統(tǒng)質(zhì)量的影響因素，確定并抽象出系統(tǒng)的關(guān)鍵質(zhì)量特性；
[0009] S2、根據(jù)步驟S1中系統(tǒng)的關(guān)鍵質(zhì)量特性，調(diào)研和實時監(jiān)測收集相關(guān)數(shù)據(jù)，提取系統(tǒng) 關(guān)鍵質(zhì)量特性時間序列數(shù)據(jù)；
[0010] S3、選取符號劃分規(guī)則處理步驟S2中得到的系統(tǒng)關(guān)鍵質(zhì)量特性時間序列數(shù)據(jù)，得 到相應(yīng)的質(zhì)量特性符號化序列，并對系統(tǒng)的關(guān)鍵質(zhì)量特性進行初步預測；
[0011] S4、應(yīng)用GM(1，1) 一階灰色模型對質(zhì)量特性符號化序列進行預測建模，建立微分方 程模型求出擬合曲線，最終實現(xiàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵質(zhì)量特性預測。
[0012] 進一步地，步驟S1中關(guān)鍵質(zhì)量特性為平均可用度。
[0013] 進一步地，步驟S3具體包括以下分步驟：
[0014] S31、選取符號劃分規(guī)則，將步驟S2中得到的系統(tǒng)關(guān)鍵質(zhì)量特性時間序列數(shù)據(jù)作為 原始時間序列并劃分為若干離散區(qū)域，當原始時間序列中的某個數(shù)據(jù)屬于某區(qū)域時，用代 表此區(qū)域的符號表示該數(shù)據(jù)，從而將原始時間序列轉(zhuǎn)換為新的質(zhì)量特性符號化序列；
[0015] S32、研究質(zhì)量特性符號化序列的波動特性，計算表征質(zhì)量特性符號化序列波動大 小的Shannon熵，確定最佳的字長L;
[0016] S33、繪制質(zhì)量特性符號化序列的頻率統(tǒng)計直方圖，從而反映各字長為L的編碼序 列的概率分布情況，通過頻率統(tǒng)計直方圖可以看出各種符號模式的相對重要度，最終確定 質(zhì)量特性符號化序列的主要變化模式；
[0017] S34、根據(jù)步驟S33中質(zhì)量特性符號化序列的頻率統(tǒng)計直方圖和主要變化模式，運 用全概率公式對系統(tǒng)的關(guān)鍵質(zhì)量特性進行初步預測。
[0018] 進一步地，步驟S31中的符號劃分規(guī)則選取為等概率符號化方法。
[0019] 進一步地，步驟S4具體包括以下分步驟：
[0020] S41、將步驟S3中得到的質(zhì)量特性符號化序列記為So;
[0021] S42、對序列So中的所有元素進行一次累加生成操作，得到新的序列S1;
[0022] S43、由序列&生成緊鄰序列&;
[0023] S44、建立GM(1，1)一階灰色模型，應(yīng)用最小二乘法對GM(1，1)一階灰色模型中的參 數(shù)進行估計；
[0024] S45、形成GM(1，1) 一階灰色模型的白化方程和基本型方程，并分別得到其時間響 應(yīng)函數(shù)，求得序列Si中元素的模擬值;根據(jù)序列31與序列So中元素間的關(guān)系，求出序列So中 元素的模擬值；
[0025] S46、對序列SdPSi中元素的模擬值進行誤差檢驗，計算殘差和相對誤差，驗證方法 的可行性和結(jié)果的正確性。
[0026]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明針對復雜機電系統(tǒng)質(zhì)量控制和質(zhì)量特性預測建模方 面的不足，從復雜機電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和服役工況入手，提取影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素，確 定系統(tǒng)關(guān)鍵質(zhì)量特性。收集在設(shè)計、制造和服役過程的一系列反映系統(tǒng)質(zhì)量特性的時間序 列數(shù)據(jù)，采用符號化建模分析方法，將原始質(zhì)量特性時間序列轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的符號序列;計算 表征符號化序列波動特性的Shannon熵值，得到序列直方圖及主要變化模式;接著基于主要 變化模式對系統(tǒng)質(zhì)量特性進行初步預測。運用灰色理論對數(shù)據(jù)序列趨勢變動較好的擬合能 力，采用GM(1，1)一階灰色模型對符號化質(zhì)量特性序列進行預測建模，從而最終實現(xiàn)整個復 雜機電系統(tǒng)相應(yīng)質(zhì)量特性預測。符號化序列能夠捕捉原始數(shù)據(jù)序列的大尺度特征，并且能 夠降低動力學噪聲和測量不確定性的影響，其計算效率也相對較高。對復雜機電系統(tǒng)質(zhì)量 特性進行預測能夠反映其質(zhì)量特性設(shè)計指標的合理性，能否滿足用戶的需求。同時，通過質(zhì) 量特性預測對復雜機電系統(tǒng)的質(zhì)量進行評估，進一步查明質(zhì)量影響因素和故障原因，從而 制定相應(yīng)的維護策略對系統(tǒng)加以改善，提高整體質(zhì)量。
【附圖說明】
[0027] 圖1為本發(fā)明提供的一種復雜機電系統(tǒng)符號化質(zhì)量特性灰色預測方法流程圖。
[0028] 圖2為本發(fā)明實施例提供的某重型數(shù)控機床電器控制與驅(qū)動系統(tǒng)平均可用度概率 密度函數(shù)散點圖。
[0029] 圖3為本發(fā)明實施例提供的某重型數(shù)控機床電器控制與驅(qū)動系統(tǒng)平均可用度經(jīng)驗 分布函數(shù)散點圖。
[0030] 圖4為本發(fā)明實施例提供的某重型數(shù)控機床電器控制與驅(qū)動系統(tǒng)平均可用度符號 化序列直方圖。
【具體實施方式】
[0031] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作進一步的說明。
[0032] 本發(fā)明提供了一種復雜機電系統(tǒng)符號化質(zhì)量特性灰色預測方法，如圖1所示，包括 以下步驟：
[0033] S1、根據(jù)復雜機電系統(tǒng)服役實際環(huán)境工況、系統(tǒng)功能、性能以及系統(tǒng)組成，綜合分 析系統(tǒng)故障模式和系統(tǒng)質(zhì)量的影響因素，確定并抽象出系統(tǒng)的關(guān)鍵質(zhì)量特性。重型數(shù)控機 床結(jié)構(gòu)復雜，對工作環(huán)境有較嚴格的要求，作為機床加工任務(wù)的核心系統(tǒng)，重型數(shù)控機床電 器控制與驅(qū)動系統(tǒng)控制機床各部分協(xié)調(diào)工作。從產(chǎn)品可靠性的角度，首次故障間隔時間、故 障間隔時間、平均維修時間、平均可用度、可靠度、故障率等指標都是評價產(chǎn)品可靠性的關(guān) 鍵指標;而從質(zhì)量的角度，可靠性、可用性、精度、精度保持性、外觀造型等都屬于復雜產(chǎn)品 關(guān)鍵質(zhì)量特性。本發(fā)明實施例中選取平均可用度作為重型數(shù)控機床電器控制與驅(qū)動系統(tǒng)的 關(guān)鍵質(zhì)量特性。
[0034] S2、根據(jù)步驟S1中系統(tǒng)的關(guān)鍵質(zhì)量特性，調(diào)研和實時監(jiān)測收集相關(guān)數(shù)據(jù)，提取系統(tǒng) 關(guān)鍵質(zhì)量特性時間序列數(shù)據(jù)。
[0035] 本發(fā)明實施例中，收集重型數(shù)控機床電器控制與驅(qū)動系統(tǒng)平均可用度作為分析使 用的數(shù)據(jù)源。根據(jù)前期調(diào)研和對各企業(yè)各型號重型機床產(chǎn)品的可靠性統(tǒng)計分析，機床每年 的運行時間按16h每天，每月