CN101738499A - 一种在加速度表八表配置下的故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

一种在加速度表八表配置下的故障诊断方法，步骤如下：第一步，构建加速度表视加速度一致性判别的五个公式；第二步，根据惯性测量器件的测量误差，设定AX表、AY表、AZ表、AS表的一致性故障门限；第三步，对八只加速度表输出的脉冲转换为视速度增量；第四步，将八个加速度表的视速度增量，进行滚动累加；第五步，将第四步的结果代入上式进行计算，并按照视加速度一致性故障判别定位表进行判别定位，得到八个加速度表的故障判别定位情况，并对每个加速度表的连续故障次数进行计数；第六步，对连续故障次数超过切除门限的加速度表进行切除；第七步，将切除后剩余的无故障加速度表的视速度增量取平均值，作为箭体视速度增量，用于导航计算。

Description

一种在加速度表八表配置下的故障诊断方法

技术领域

本发明涉及一种对加速度表的故障诊断方法，主要应用于惯性导航系统领域。

背景技术

随着对可靠性指标要求的日益提高，双捷联惯组配置方案逐步进入实用阶段。对于双惯组八加速度表配置而言，两套惯组配置相同，分别各有四只加表，其中三只正交安装(x1、y1、z1表)，一只斜置安装(s1表)，斜置加表可以通过投影到正交轴的方式对正交加表输出的一致性进行检验。

一致性概念描述：此处是指在不同惯组的同方向轴输出值偏差在一定范围内(门限)的情况，则认为二者是一致的，否则，认为二者之间出现了一致性故障。

现有的双惯组冗余方式主要有：惯组整体切换模式，即单个惯组中某个器件出现故障时，整个惯组放弃不用，将其中的部分正常信息放弃不用，是对冗余信息的浪费。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种加速度表八表配置下的故障诊断方法，该方法解决在两路加速度表不超过一致性门限检验范围内出现缓慢漂移时的故障检出问题，能够提供无故障的箭体视速度增量，用于导航计算。

本发明的技术解决方案是：一种在加速度表八表配置下的故障诊断方法，所述的加速度表分为两组，每组四只加速度表，分别表示为AX表、AY表、AZ表、AS表；AX表、AY表、AZ表正交安装，AS表斜置安装；步骤如下：

第一步，构建加速度表视加速度一致性判别的五个公式，视加速度一致性判别公式为：

$|\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\δw}}_{x1}-\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{x2}|\≤{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ax}}---\left(1\right)$

$|\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{y1}-\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{y2}|\≤{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ay}}---\left(2\right)$

$|\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{z1}-\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{z2}|\≤{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{az}}---\left(3\right)$

$|\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{s1}-(k_{s\_x1}\·\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{x1}+k_{s\_y1}\·\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{y1}+k_{s\_z1}\·\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{z1})|\≤{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{as}}---\left(4\right)$

$|\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{s2}-(k_{s\_x2}\·\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{x2}+k_{s\_y2}\·\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{y2}+k_{s\_z2}\·\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{z2})|\≤{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{as}}---\left(5\right)$

其中，k_{s_x1}、k_{s_y1}、k_{s_z1}为AS1加速度表在正交轴的投影系数；

      k_{s_x2}、k_{s_y2}、k_{s_z2}为AS2加速度表在正交轴的投影系数；

Δt1为滚动累加周期，Δt1＝n·τ，τ为控制周期，n为累加周期数；

第二步，根据惯性测量器件的测量误差σ，设定AX表、AY表、AZ表、AS表的一致性故障门限：ε_ax、ε_ay、ε_az、ε_as；

第三步，对八只加速度表输出的脉冲转换为视速度增量δw_αn，其中，α＝x、y、z、s；n＝1、2

第四步，将八个加速度表的视速度增量δw_αn，在滚动累加周期Δt1内进行滚动累加，得到

其中，α＝x、y、z、s；n＝1、2；

第五步，将第四步的结果代入公式(1)～(5)进行计算，并将计算结果按照视加速度一致性故障判别定位表进行判别定位，得到八个加速度表的故障判别定位情况，并对每个加速度表的连续故障次数进行计数；所述的加速度一致性故障判别定位表为：

序号	公式1	公式2	公式3	公式4	公式5	判别结果
							1	-	-	-	√	√	无故障
2	√	√	√	×	√	AS1故障
							3	×	√	√	×	√	AX1故障
4	√	×	√	×	√	AY1故障
							5	√	√	×	×	√	AZ1故障
6	√	√	√	√	×	AS2故障
							7	×	√	√	√	×	AX2故障
8	√	×	√	√	×	AY2故障
							9	√	√	×	√	×	AZ2故障
10	×	×	√	×	√	AX1、AY1故障
							11	√	×	×	×	√	AY1、AZ1故障
12	×	√	×	×	√	AX1、AZ1故障
							13	×	×	√	√	×	AX2、AY2故障
14	√	×	×	√	×	AY2、AZ2故障
							15	×	√	×	√	×	AX2、AZ2故障
16	√	√	√	×	×	AS1、AS2故障

表中“√”表示公式成立，“×”表示公式不成立，“-”表示不考虑该信息状态；

第六步，根据上一步的加速度表的连续故障次数，对连续故障次数超过切除门限的加速度表进行切除；

第七步，将切除后剩余的无故障加速度表的视速度增量取平均值，作为箭体视速度增量，用于导航计算。

所述第一步中的累加周期数n取值范围5～10。

所述第二步中的一致性故障门限ε_ax、ε_ay、ε_az、ε_as根据惯性测量器件的测量误差σ来确定，取6σ～9σ。

所述第六步中的切除门限m＞n。

所述第六步中的切除门限m取值范围10～20。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本方法在加速度表八表配置下，可以运用测量信息和公式组进行一致性判别公式来鉴别、切除故障信息，使用正确信息，方法简单实用。

(2)本发明相对于传统的整体切换模式，冗余信息利用度高，并且本方法通过五个判别公式进行综合判别，相对于传统的整体切换模式，能够判别并定位具体出故障的单个或两个加速度表，对故障判别的覆盖率高。

(3)本发明通过构造判别公式组(五个判别公式)，从而可以采用单轴切换的方式，仅将发生故障的加速度表切换掉，而保留该惯组内的正常加速度表继续进行冗余判别，提高系统抗多度故障的能力。另外，本发明所提出的依据判别公式进行单轴切换模式的方法简单易行，计算量小，通过设计合理的判别门限可最大程度避免漏判及误判。

(4)本方法的判别公式只要求已知斜表在三个正交轴方向的投影系数即可，可以不要求两个斜置加表严格的同轴安装，降低了对装配的高精度要求。

(5)本发明一致性故障门限根据惯性测量器件的测量误差σ来确定，根据数学仿真和试验验证，取6σ～9σ，既留有足够的余量，又能够保证避免误判和漏判。

(6)为降低高频干扰信号对故障诊断的影响，对视加速度一致性判别进行滚动累加，并且累加周期数n的选取要避免误检或漏检，本发明根据数学仿真确定n取5～10时能够满足要求。

(7)本发明的切除门限m的选取是经过仿真试验确定的，并且要求切除门限应大于滚动累加周期数n，防止单个周期内出现的较大偏差影响整个滚动过程中的判别结果，能够避免引入过多的故障信息分量，影响导航精度。

附图说明

图1为本发明惯性仪表安装定向示意图；

图2为本发明双惯组八加速度表配置图；

图3为本发明的方法流程图。

具体实施方式

一种在加速度表八表配置下的故障诊断方法，所述的加速度表分为两组，每组四只加速度表，如图1、2，图中，Ax、Ay、Az、As为四个加速度表，Ax、Ay、Az成正交安装，测量轴正向为箭头所指方向，As为斜置，测量轴具体指向可以由单机确定；O-X₁Y₁Z₁为箭体坐标系，其中OX₁为纵轴，OY₁为法向轴，OZ₁为横向轴；O-XsYsZs为惯性组合坐标系。两惯组固定在同一支架上或两个支架上，二者平行安装。如图3所示，方法具体步骤如下：

第一步，构建五个加速度表视加速度一致性判别公式，视加速度一致性判别公式为：

$|\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\δw}}_{x1}-\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{x2}|\≤{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ax}}---\left(1\right)$

$|\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{y1}-\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{y2}|\≤{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ay}}---\left(2\right)$

$|\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{z1}-\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{z2}|\≤{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{az}}---\left(3\right)$

$|\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{s1}-(k_{s\_x1}\·\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{x1}+k_{s\_y1}\·\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{y1}+k_{s\_z1}\·\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{z1})|\≤{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{as}}---\left(4\right)$

$|\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{s2}-(k_{s\_x2}\·\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{x2}+k_{s\_y2}\·\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{y2}+k_{s\_z2}\·\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{z2})|\≤{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{as}}---\left(5\right)$

其中，k_{s_x1}、k_{s_y1}、k_{s_z1}为AS1加速度表在正交轴的投影系数；

      k_{s_x2}、k_{s_y2}、k_{s_z2}为AS2加速度表在正交轴的投影系数；

Δt1为滚动累加周期，Δt1＝n·τ，τ为控制周期，如取为10ms，n为累加周期数；

n、m选取时考虑的因素有：

1)视加速度不一致故障导致切除门限应大于滚动累加周期数(即m＞n)。

2)累加周期数n应适当选取，避免误检或漏检。本发明根据数学仿真确定n取5～10时能够满足要求，如取为5。

3)切除门限m不宜过大，以免引入过多的故障信息分量，影响导航精度；本发明综合考虑上述因素，经过数学仿真试验后m取值范围10～20。

第二步，根据惯性测量器件的测量误差σ，设定AX表、AY表、AZ表、AS表的一致性故障门限：ε_ax、ε_ay、ε_az、ε_as；

故障门限通过理论计算和分析得到，在计算一致性门限值时，按各项误差的6σ～9σ取值，并对各项因素的影响采用代数和计算。

上述预设的门限εx根据惯性测量器件的测量误差σ来确定，一般取6σ～9σ，惯性测量器件的测量误差σ是在对惯性测量器件进行标定后得到的，至于具体的标定方法是本领域的公知技术，这里不再详细进行说明。

加速度一致性故障门限考虑因素为(表1)：

表1加速度表一致性故障门限考虑因素

序号	考虑因素
		1	加表零位误差
2	加表比例误差
		3	加表采样误差
4	加表安装误差
		5	两惯组相对安装误差
6	飞行中最大过载

具体例如：加速度相关故障门限考虑因素见表2

表2设计门限时所考虑的因素及量值大小

序号	考虑因素
		1	加表零位误差1·10-3g
2	加表比例误差1·10-3
		3	加表采样误差5·10-3g
4	加表安装误差4′
		5	轴向最大过载8g
6	横、法向最大过载2g

例如，按上表2中的x加表的零次项测量误差，比例误差，安装误差，采样误差，对应方向的最大加速度分别是8g，2g，2g，则门限ε_ax可以取6×((1·10^-3g+1·10^-3×8g+4/60/57.3×(2+2)g)×0.1+5·10^-3g)＝0.038g。

上述给出的例子只是简单的示例门限ε_ax的确定方法，实际工程应用中，考虑的误差项可能更复杂，也可以采用均方和等其它数学处理方式，本领域技术人员根据上述示例就可以类推出其他复杂的确定的方法，这里不再赘述。

第三步，对八只加速度表输出的脉冲转换为视速度增量δw_αn，其中，α＝x、y、z、s；n＝1、2；α＝x、y、z代表不同的加速度表；

通过飞行器惯性测量设备的加速度表测得采样周期内箭体坐标系O₁X₁Y₁Z₁下正负通道的脉冲值，P_αn+、P_αn-，其中X₁从飞行器质心指向头部方向为正向，Y₁与X₁垂直，在其纵向对称面X₁O₁Y₁内从飞行器质心指向上方为正向，Z₁与纵向对称面X₁O₁Y₁垂直，从飞行器质心指向右为正向，O₁为飞行器质心，j是自然数；则视速度增量δw_αn计算公式：

δw_αn＝K_αn+·P_αn+-K_αn-·P_αn--K_0αn·τ

其中，K_αn+、K_αn-是加速度表标定得到的当量系数，K_0αn是加速度表的零次项系数；α＝x、y、z、s；n＝1、2；代表不同的加速度表。

第四步，将八个加速度表的视速度增量δw_αn，在滚动累加周期Δt1内进行滚动累加，得到

其中，α＝x、y、z、s；n＝1、2；

第五步，将第四步的结果代入公式(1)～(5)进行计算，并将计算结果按照视加速度一致性故障判别定位表(表3)进行判别定位，得到八个加速度表的故障判别定位情况，并对每个加速度表的连续故障次数进行计数；所述的加速度一致性故障判别定位表为：

表3视加速度一致性故障判别定位表

序号	公式1	公式2	公式3	公式4	公式5	判别结果
							1	-	-	-	√	√	无故障
2	√	√	√	×	√	AS1故障
							3	×	√	√	×	√	AX1故障
4	√	×	√	×	√	AY1故障
							5	√	√	×	×	√	AZ1故障
6	√	√	√	√	×	AS2故障
							7	×	√	√	√	×	AX2故障
8	√	×	√	√	×	AY2故障
							9	√	√	×	√	×	AZ2故障
10	×	×	√	×	√	AX1、AY1故障
							11	√	×	×	×	√	AY1、AZ1故障
12	×	√	×	×	√	AX1、AZ1故障
							13	×	×	√	√	×	AX2、AY2故障
14	√	×	×	√	×	AY2、AZ2故障
							15	×	√	×	√	×	AX2、AZ2故障
16	√	√	√	×	×	AS1、AS2故障

表中“√”表示公式成立，“×”表示公式不成立，“-”表示不考虑该信息状态，即序号1中不管公式1～3成立还是不成立，对序号1中的判别不产生影响。

例如，当5个公式计算结果满足情况1，则表明无故障，当五个公式计算结果满足情况2，则表明AS1故障，以此类推。

第六步，根据上一步的加速度表的连续故障次数，对连续故障次数超过切除门限的加速度表进行切除；

第七步，将切除后剩余的无故障加速度表的视速度增量取平均值，作为箭体视速度增量，用于导航计算。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (5)

1.一种在加速度表八表配置下的故障诊断方法，所述的加速度表分为两组，每组四只加速度表，分别表示为AX表、AY表、AZ表、AS表；AX表、AY表、AZ表正交安装，AS表斜置安装；其特征在于步骤如下：

第一步，构建加速度表视加速度一致性判别的五个公式，视加速度一致性判别公式为：

$|\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{x1}-\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\δw}}_{x2}|\≤{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ax}}---\left(1\right)$

$|\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{y1}-\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\δw}}_{y2}|\≤{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ay}}---\left(2\right)$

$|\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{z1}-\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\δw}}_{z2}|\≤{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{az}}---\left(3\right)$

$|\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{s1}-(k_{s\_x1}\·\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{x1}+k_{s\_y1}\·\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{y1}+k_{s\_z1}\·\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{z1})|\≤{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{as}}---\left(4\right)$

$|\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{s2}-(k_{s\_x2}\·\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{x2}+k_{s\_y2}\·\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{y2}+k_{s\_z2}\·\stackrel{\mathrm{\Δt}1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}{w}_{z2})|\≤{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{as}}---\left(5\right)$

其中，k_{s_x1}、k_{s_y1}、k_{s_z1}为AS1加速度表在正交轴的投影系数；

k_{s_x2}、k_{s_y2}、k_{s_z2}为AS2加速度表在正交轴的投影系数；

Δt1为滚动累加周期，Δt1＝n·τ，τ为控制周期，n为累加周期数；

第二步，根据惯性测量器件的测量误差σ，设定AX表、AY表、AZ表、AS表的一致性故障门限：ε_ax、ε_ay、ε_az、ε_as；

第三步，对八只加速度表输出的脉冲转换为视速度增量δw_an，其中，α＝x、y、z、s；n＝1、2

第四步，将八个加速度表的视速度增量δw_an，在滚动累加周期Δt1内进行滚动累加，得到

其中，α＝x、y、z、s；n＝1、2；

第五步，将第四步的结果代入公式(1)～(5)进行计算，并将计算结果按照视加速度一致性故障判别定位表进行判别定位，得到八个加速度表的故障判别定位情况，并对每个加速度表的连续故障次数进行计数；所述的加速度一致性故障判别定位表为：

  序号   公式1   公式2   公式3   公式4   公式5   判别结果   1   -   -   -   √   √   无故障   2   √   √   √   ×   √   AS1故障   3   ×   √   √   ×   √   AX1故障   4   √   ×   √   ×   √   AY1故障

  序号   公式1   公式2   公式3   公式4   公式5   判别结果   5   √   √   ×   ×   √   AZ1故障   6   √   √   √   √   ×   AS2故障   7   ×   √   √   √   ×   AX2故障   8   √   ×   √   √   ×   AY2故障   9   √   √   ×   √   ×   AZ2故障   10   ×   ×   √   ×   √   AX1、AY1故障   11   √   ×   ×   ×   √   AY1、AZ1故障   12   ×   √   ×   ×   √   AX1、AZ1故障   13   ×   ×   √   √   ×   AX2、AY2故障   14   √   ×   ×   √   ×   AY2、AZ2故障   15   ×   √   ×   √   ×   AX2、AZ2故障   16   √   √   √   ×   ×   AS1、AS2故障

表中“√”表示公式成立，“×”表示公式不成立，“-”表示不考虑该信息状态；

第六步，根据上一步的加速度表的连续故障次数，对连续故障次数超过切除门限的加速度表进行切除；

第七步，将切除后剩余的无故障加速度表的视速度增量取平均值，作为箭体视速度增量，用于导航计算。

2.根据权利要求1所述的一种在加速度表八表配置下的故障诊断方法，其特征在于：所述第一步中的累加周期数n取值范围5～10。

3.根据权利要求1所述的一种在加速度表八表配置下的故障诊断方法，其特征在于：所述第二步中的一致性故障门限ε_ax、ε_ay、ε_az、μ_as根据惯性测量器件的测量误差σ来确定，取6σ～9σ。

4.根据权利要求1所述的一种在加速度表八表配置下的故障诊断方法，其特征在于：所述第六步中的切除门限m＞n。

5.根据权利要求1所述的一种在加速度表八表配置下的故障诊断方法，其特征在于：所述第六步中的切除门限m取值范围10～20。

Images