霍曉云楊立峰鐘 恒

（1.北京機械設(shè)備研究所，北京 100039；2.海軍駐北京地區(qū)艦空導彈系統(tǒng)軍事代表室，北京 100039）

導彈供電控制組合故障預測方法研究

霍曉云1楊立峰2鐘 恒1

（1.北京機械設(shè)備研究所，北京 100039；2.海軍駐北京地區(qū)艦空導彈系統(tǒng)軍事代表室，北京 100039）

通過分析導彈供電控制組合核心控制部件的故障機理，選定導彈供電控制繼電器作為關(guān)鍵研究對象，利用時間序列分析方法建立繼電器的故障預測數(shù)學模型，并通過超程時間和吸合時間兩種特征量對預測數(shù)學模型進行辨識，分析了基于兩種特征量的壽命預測計算結(jié)果。搭建實驗室特征參數(shù)采集裝置進行實際工況模擬，試驗結(jié)果驗證了預測結(jié)果的正確性。

導彈供電控制組合 故障預測 時間序列分析

AbstractIn this paper，the relay was selected as a key part by analyzing the fault modes of missile power supply control unit.Based on time series analysis，the mathematical model for fault forecasting was built，and the mathematical model was identified for super-path time and pick-up time of relays.The computing results were obtained and analyzed by comparing the model based on super-path time with pick-up time.The test device of parameter collecting was designed to simulate the loads under the actual working condition.And the forecasting result was validated by the experiment data.

Key wordsMissile power supply control unit Fault forecasting Time series analysis

1 引言

隨著現(xiàn)代武器裝備性能的不斷提高，裝備系統(tǒng)組成的復雜性不斷增加，系統(tǒng)故障診斷、維修保障等工作的難度也日益增大。武器裝備的維修保養(yǎng)是個復雜的過程，項目繁多，故障形式多樣。傳統(tǒng)的維護方式是對武器裝備進行定期維護和故障后更換維修，存在非正常使用下器件加速退化或損傷不能及時識別、對功能沒有明顯退化的器件（組合）進行定期更換將產(chǎn)生嚴重的浪費和增加額外的維修費用、基于實際更換數(shù)據(jù)的備件消耗分析不準確導致供給量難以衡量等問題。鑒于傳統(tǒng)維護方式的不足，武器裝備開始采用“視情維修”的方式對裝備進行故障預測，即通過檢測裝備的狀態(tài)來預測系統(tǒng)及其部件的故障情況，并確定部件的剩余壽命，從而對維修活動做出管理和決策。

導彈供電控制組合主要功能是響應(yīng)計算機的指令，控制繼電器組合進行電路切換，將來自地面供電電源的電能輸出到筒彈，按照武器需要的加電時序?qū)崿F(xiàn)武器的供電控制。作為直接給武器供電的設(shè)備，如果發(fā)生故障將直接導致發(fā)射流程異常，因此采用“視情維修”方式對導彈供電控制組合進行健康狀態(tài)管理具有十分重要的意義。

本文以導彈供電控制組合為研究對象，根據(jù)裝備組成及特點對其故障模式進行分解，最終選定繼電器作為故障預測對象，利用時間序列分析方法建立繼電器故障預測數(shù)學模型。設(shè)計了一套實驗室特征參數(shù)采集裝置進行典型工況加載試驗分析，該裝置能夠模擬實際負載加載瞬間的電流沖擊，連續(xù)采集導彈供電控制組合每次吸合瞬間至供電穩(wěn)定過程的線圈電壓/電流、觸點電壓/電流、超程時間、吸合時間等特征參數(shù)。利用實測結(jié)果對預測模型進行辨識，最后通過試驗結(jié)果對預測模型進行驗證。

2 故障機理分析

2.1 導彈供電組合的故障特征

導彈供電控制組合由I/O調(diào)理板、繼電器組合、面板組合、底板組合組成。根據(jù)以往積累的可靠性數(shù)據(jù)，導彈供電控制組合故障原因主要包括I/O調(diào)理板故障和繼電器故障。I/O調(diào)理板直接控制導彈供電控制組合繼電器的動作，一般在系統(tǒng)內(nèi)部采取冗余設(shè)計提高任務(wù)的可靠性，可以有效降低板卡故障后對系統(tǒng)任務(wù)的影響。同時在系統(tǒng)維護時能夠在線監(jiān)測I/O調(diào)理板的狀態(tài)，能夠?qū)崟r地獲取I/O調(diào)理板的健康狀態(tài)。

武器系統(tǒng)中有需要按照時序加電的多種功率負載設(shè)備，由于繼電器是具有隔離功能的自動化開關(guān)元件，因而被廣泛應(yīng)用于導彈供電控制組合中。由于實際使用工況不同，繼電器的實際動作壽命與出廠指標有較大的差別；另一方面，產(chǎn)品在選型時考慮可靠性及降額要求，往往選擇更高耐流等級的繼電器，如果不判斷繼電器自身特征量的狀態(tài)而僅以出廠壽命為依據(jù)進行更換將會造成較大的浪費。因此，建立繼電器的故障預測模型對于分析導彈供電控制組合的健康狀態(tài)、提升任務(wù)可靠性、實現(xiàn)精確保障要求是非常必要的。

2.2 繼電器的故障模式分析

根據(jù)電磁繼電器的功能特性和結(jié)構(gòu)特點，由觸點失效引起的該合不合失效（斷開失效）和該斷不斷失效（粘結(jié)失效）是繼電器的主要失效形式。觸點作為繼電器的重要部位，較易受到侵蝕破壞，是繼電器的主要失效模式，占總失效的80%以上。引起這兩種失效模式的原因多種多樣，如表1所示。除此之外，其他失效一般是由設(shè)計、生產(chǎn)或工藝缺陷造成的，在可靠性篩選試驗中可將存在這些失效模式的產(chǎn)品剔除。

表1繼電器失效模式及失效機理

供電控制組合中使用的繼電器的應(yīng)用場合具有高精確性和高可靠性的要求，一種失效判據(jù)是斷開失效和粘接失效等功能性的“硬失效”；為了保證武器裝備的可靠性，當某些參數(shù)超出規(guī)定的范圍或動作過程發(fā)生異常，也應(yīng)判為失效。此時，繼電器的循環(huán)閉合和開斷功能仍然正常，這種失效常稱為“軟失效”。將“軟失效”作為導彈供電組合的失效判據(jù)，發(fā)揮故障預測的優(yōu)勢，在發(fā)生“硬失效”之前實施維修或更換。

2.3 繼電器壽命預測特征參數(shù)的選取

繼電器壽命預測是指在繼電器可靠性設(shè)計、生產(chǎn)及制造過程中嚴格控制其失效模式，即在不存在早期失效和使用期偶然失效的前提條件下，研究其某些特征參數(shù)內(nèi)在物理變化的規(guī)律，主要是研究磨損失效的物理過程，一般通過繼電器可靠性壽命試驗來考核繼電器在工作時觸點的電器耐磨情況。

表征繼電器觸點健康狀態(tài)的特征參數(shù)主要有接觸電阻、表面粗糙度、損耗質(zhì)量和頻譜、有效接觸距離等[1，2]。其中，接觸電阻很難獲得較高的測量準確度；觸點磨損量測量繁瑣，耗費人力物力較大；損耗質(zhì)量和頻譜較難在線測量和分析，尤其不適用于密封繼電器；繼電器自由行程和超程測量方法煩瑣，且也無法在線測量，所以上述特征參數(shù)的實用性均較差。而繼電器的超程時間和吸合時間可以定量描述觸點超程和自由行程的變化，并且較容易測出，且隨著繼電器動作次數(shù)的增加分別呈現(xiàn)出減小和增加的趨勢，能夠有效地表征出繼電器的壽命趨勢[3]。

繼電器的超程，一般是指繼電器從動觸點與靜觸點接觸瞬間起到銜鐵閉合為止，觸點的移動距離。超程時間就是指繼電器觸點在超程階段移動所需的時間，吸合時間是指繼電器線圈加電到動觸點第一次碰撞靜觸點所需的時間。吸合時間和超程時間均可以通過繼電器線圈電流和觸點電壓動態(tài)測試波形直觀地表示出來。圖1（a）和（b）分別為繼電器線圈加電及觸點吸合瞬間的動態(tài)波形示意圖和利用數(shù)字示波器采集的被測繼電器動態(tài)測試波形圖，超程時間tc=t2-t1，吸合時間tx=t1。

3 特征參數(shù)采集裝置的設(shè)計

3.1 特征參數(shù)采集裝置設(shè)計

本文設(shè)計了一套試驗室特征參數(shù)采集裝置，該試驗裝置能夠模擬實際負載加載瞬間的電流沖擊，并以額定電壓采用單步控制或連續(xù)周期控制的方式激勵被測繼電器控制輸出，在繼電器導通瞬間同步加載負載。特征參數(shù)采集裝置連續(xù)自動采集導彈供電控制組合中繼電器每次吸合瞬間至供電穩(wěn)定過程的繼電器電磁線圈電壓/電流、繼電器觸點電壓/電流、繼電器吸合時間和超程時間等特征參數(shù)，以繼電器全壽命周期的動作次數(shù)作為索引保存各類特征參數(shù)的變化情況。

采集裝置原理圖如圖2所示。

采集裝置的控制功能包括兩部分，分別為繼電器通斷控制和電子負載的控制。為了模擬實際負載系統(tǒng)沖擊電流的發(fā)生時間，控制測試組合采用外部觸發(fā)方式，觸發(fā)可編程直流負載在繼電器吸合瞬間同步輸出預置的電流波形。繼電器與電子負載的同步控制如圖3所示，以第一個動作周期為例說明，當繼電器線圈得電經(jīng)過t0后，在繼電器觸點吸合導通的同時負載輸出峰值電流ia；在t1時刻輸出穩(wěn)態(tài)電流ib，在t2時刻輸出穩(wěn)態(tài)電流ic，t3時刻繼電器關(guān)斷后負載電流為零。

3.2 負載特性數(shù)據(jù)

試驗以導彈供電控制組合中使用的典型繼電器作為被測繼電器，以實際使用過程記錄的導彈供電控制組合加載時電壓、電流曲線數(shù)據(jù)作為負載特特性。選取一種繼電器樣品和一種典型負載特性進行加載試驗，典型負載特性見表2。

表2 負載特性

4 故障預測數(shù)學模型的建立

由試驗測試數(shù)據(jù)可知，隨著動作次數(shù)的增加，吸合時間呈逐漸增大的趨勢，超程時間呈逐漸減小的趨勢，兩種數(shù)據(jù)都具有一定分散性。針對這兩種特征參數(shù)，可采用時間序列分析方法[4]建立壽命預測數(shù)學模型。

繼電器的壽命預測是非平穩(wěn)時間序列預測問題，可將繼電器動作N次所采集的特性參數(shù)Xt，Xt-1，Xt-2，…，Xt-N+1記為一個非平穩(wěn)隨機過程。根據(jù)Cramer分解定理，該非平穩(wěn)隨機過程的預測數(shù)學模型可表示為

式中：Yt——Xt中的趨勢項時間序列分量；Zt——Xt中的平穩(wěn)項時間序列分量。

因此，繼電器壽命預測數(shù)學模型包括兩部分：趨勢項時間序列預測數(shù)學模型和平穩(wěn)項時間序列預測數(shù)學模型。

4.1 趨勢項時間序列預測數(shù)學模型

趨勢項時間序列預測數(shù)學模型是研究隨動作次數(shù)變化的確定性函數(shù)的數(shù)學模型，由繼電器的某些特性參數(shù)的磨損失效因素決定。對繼電器某特性參數(shù)的測試數(shù)據(jù)X1，X2，…，XN，可采用相對的時間單位表示，即取

則，趨勢項時間序列預測數(shù)學模型的一般描述為：

式中：a,b,Cj(j=1,2,…11)——待定參數(shù)。

4.2 平穩(wěn)項時間序列預測數(shù)學模型

平穩(wěn)項時間序列預測數(shù)學模型是應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計與模型辨識理論建立的繼電器特性參數(shù)隨機變化的數(shù)學模型，由繼電器特性參數(shù)的分散性決定。通過觀察圖4所示特征參數(shù)的自相關(guān)系數(shù)（ACF）和偏自相關(guān)系數(shù)（PACF）可知，樣本自相關(guān)函數(shù)呈拖尾狀，偏自相關(guān)系數(shù)呈p階截尾狀，因此判定時間序列為AR（p）模型。

設(shè)繼電器動作N次采集某特征參數(shù)的平穩(wěn)項時間序列向量為{}zt，t=1,2,…,N，則可利用平穩(wěn)時間序列的p階自回歸模型表示zt的預測數(shù)學模型為

5 預測數(shù)學模型的辨識

5.1 趨勢項時間序列數(shù)學模型的辨識

根據(jù)部分壽命周期的趨勢項采集數(shù)據(jù)，建立趨勢項回歸模型。以吸合時間為例，根據(jù)前6000次動作的吸合時間，將每10次動作數(shù)據(jù)取平均后得到600點的吸合時間。對式（3）所描述的數(shù)學模型，采用線性回歸模型、多項式回歸模型、指數(shù)回歸模型、冪回歸模型四種常用的函數(shù)進行回歸分析，建立并辨識出相應(yīng)的回歸模型。

四種時間序列回歸曲線如圖5所示。

計算上述四種回歸數(shù)學模型的回歸標準偏差見表3。比較各種回歸數(shù)學模型的回歸標準偏差，取回歸標準偏差最小者所對應(yīng)的數(shù)學模型作為趨勢項壽命預測數(shù)學模型，因此采用指數(shù)回歸模型為繼電器趨勢項壽命預測數(shù)學模型。

同理可得，以超程時間為變量的趨勢項時間序列預測數(shù)學模型

表3 四種回歸模型偏差統(tǒng)計

5.2 平穩(wěn)項時間序列數(shù)學模型的辨識

首先針對AR（p）模型根據(jù)AIC或FPE定階準則為函數(shù)定階。根據(jù)FPE、AIC定階準則，可以得到特征參數(shù)相應(yīng)的兩種準則函數(shù)曲線，如圖6所示。從圖中可知，隨著模型階次升高，總體趨勢是下降的。在n較小時，下降很快，隨著n的增加，下降趨勢變慢；不論用哪種準則進行檢驗，都是在n=8時模型最為合適，因此模型階數(shù)p定為8。

由于最小二乘估計充分應(yīng)用了每一個觀察值所提供的信息，因此估計精度高。本文采用最小二乘法對AR模型進行參數(shù)估計，方程組可表示為

寫成矩陣形式為

利用Matlab軟件System identification toolbox中的AR（）函數(shù)及最小二乘法分別求得兩種特征參數(shù)壽命預測平穩(wěn)項時間序列自回歸模型。

以吸合時間為變量的預測平穩(wěn)項模型

以超程時間為變量的預測平穩(wěn)項模型

對吸合時間AR（8）模型的前5499個平穩(wěn)項時間序列預測分析曲線如圖7（a）所示，平穩(wěn)項時間序列預測曲線與實測曲線吻合度較高，預測值誤差不超過3%。對超程時間AR（7）模型的前1399個平穩(wěn)項時間序列預測分析曲線如圖7（b）所示，平穩(wěn)項時間序列預測曲線與實測曲線吻合度較q高。由于受典型負載工況的電流脈沖幅值影響，電磁線圈電流波動較大，導致超程時間平穩(wěn)項比吸合時間平穩(wěn)項波動大，但預測值誤差不超過10%。

6 試驗結(jié)果分析

根據(jù)式（7）、（9）、（12）和式（13）得到，基于吸合時間特征參數(shù)的壽命預測數(shù)學模型為

基于超程時間特征參數(shù)的壽命預測數(shù)學模型為

在典型負載模擬工況下，通過實驗研究給出吸合時間和超程時間的失效判別準則，供電控制組合繼電器的特征值極限參數(shù)分別為tcmin=0.3ms，txmax=15.8ms。采用預測數(shù)學模型對繼電器壽命的預測結(jié)果見表4，試驗結(jié)果繼電器的壽命達到19.2萬次，基于吸合時間的壽命預測結(jié)果為17.68萬次，基于超程時間的壽命預測結(jié)果為17.26萬次，計算結(jié)果與試驗結(jié)果的相對誤差分別為7.8%、10.1%?？芍晕蠒r間和超程時間為特征參數(shù)的壽命預測方法均是有效的，吸合時間的相對誤差略小，說明以吸合時間為特征參數(shù)的壽命預測方法有效性相對較好一些。

表4 故障預測結(jié)果

7 結(jié)束語

本文以導彈供電控制組合為研究對象，根據(jù)裝備組成及特點對其故障模式進行分析，選定繼電器作為故障預測對象，基于吸合時間和超程時間兩個表征供電控制組合繼電器接觸性能退化的特征參數(shù)，采用時間序列分析方法建立故障預測數(shù)學模型。設(shè)計了一套實驗室特征參數(shù)采集裝置進行典型工況加載模擬及參數(shù)采集，利用采集的特征參數(shù)辨識預測模型，并完成被試繼電器樣品的壽命試驗，試驗結(jié)果驗證了預測結(jié)果的正確性。該方法為導彈供電控制組合的故障預測和健康管理提供了一種思路。

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Research on Fault Forecasting Method of Missile Power Supply Control Unit

HUO Xiao-yun1YANG Li-feng2ZHONG Heng1
（1.Beijing Mechanical Equipment Institute，Beijing，100039；2.Air-ship Missile Military Representative Office of Navy in Beijing，Beijing，100039，China）

TP206.3

A

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.03.10

2016-11-14，

2017-04-10

霍曉云，（1981.11-）女，高級工程師，主要研究方向：發(fā)射系統(tǒng)自動測試技術(shù)。

1000-7202（2017）03-0044-07