导弹供电控制组合故障预测方法研究

霍晓云杨立峰钟 恒

（1.北京机械设备研究所，北京 100039；2.海军驻北京地区舰空导弹系统军事代表室，北京 100039）

导弹供电控制组合故障预测方法研究

霍晓云1杨立峰2钟 恒1

（1.北京机械设备研究所，北京 100039；2.海军驻北京地区舰空导弹系统军事代表室，北京 100039）

通过分析导弹供电控制组合核心控制部件的故障机理，选定导弹供电控制继电器作为关键研究对象，利用时间序列分析方法建立继电器的故障预测数学模型，并通过超程时间和吸合时间两种特征量对预测数学模型进行辨识，分析了基于两种特征量的寿命预测计算结果。搭建实验室特征参数采集装置进行实际工况模拟，试验结果验证了预测结果的正确性。

导弹供电控制组合 故障预测 时间序列分析

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

随着现代武器装备性能的不断提高，装备系统组成的复杂性不断增加，系统故障诊断、维修保障等工作的难度也日益增大。武器装备的维修保养是个复杂的过程，项目繁多，故障形式多样。传统的维护方式是对武器装备进行定期维护和故障后更换维修，存在非正常使用下器件加速退化或损伤不能及时识别、对功能没有明显退化的器件（组合）进行定期更换将产生严重的浪费和增加额外的维修费用、基于实际更换数据的备件消耗分析不准确导致供给量难以衡量等问题。鉴于传统维护方式的不足，武器装备开始采用“视情维修”的方式对装备进行故障预测，即通过检测装备的状态来预测系统及其部件的故障情况，并确定部件的剩余寿命，从而对维修活动做出管理和决策。

导弹供电控制组合主要功能是响应计算机的指令，控制继电器组合进行电路切换，将来自地面供电电源的电能输出到筒弹，按照武器需要的加电时序实现武器的供电控制。作为直接给武器供电的设备，如果发生故障将直接导致发射流程异常，因此采用“视情维修”方式对导弹供电控制组合进行健康状态管理具有十分重要的意义。

本文以导弹供电控制组合为研究对象，根据装备组成及特点对其故障模式进行分解，最终选定继电器作为故障预测对象，利用时间序列分析方法建立继电器故障预测数学模型。设计了一套实验室特征参数采集装置进行典型工况加载试验分析，该装置能够模拟实际负载加载瞬间的电流冲击，连续采集导弹供电控制组合每次吸合瞬间至供电稳定过程的线圈电压/电流、触点电压/电流、超程时间、吸合时间等特征参数。利用实测结果对预测模型进行辨识，最后通过试验结果对预测模型进行验证。

2 故障机理分析

2.1 导弹供电组合的故障特征

导弹供电控制组合由I/O调理板、继电器组合、面板组合、底板组合组成。根据以往积累的可靠性数据，导弹供电控制组合故障原因主要包括I/O调理板故障和继电器故障。I/O调理板直接控制导弹供电控制组合继电器的动作，一般在系统内部采取冗余设计提高任务的可靠性，可以有效降低板卡故障后对系统任务的影响。同时在系统维护时能够在线监测I/O调理板的状态，能够实时地获取I/O调理板的健康状态。

武器系统中有需要按照时序加电的多种功率负载设备，由于继电器是具有隔离功能的自动化开关元件，因而被广泛应用于导弹供电控制组合中。由于实际使用工况不同，继电器的实际动作寿命与出厂指标有较大的差别；另一方面，产品在选型时考虑可靠性及降额要求，往往选择更高耐流等级的继电器，如果不判断继电器自身特征量的状态而仅以出厂寿命为依据进行更换将会造成较大的浪费。因此，建立继电器的故障预测模型对于分析导弹供电控制组合的健康状态、提升任务可靠性、实现精确保障要求是非常必要的。

2.2 继电器的故障模式分析

根据电磁继电器的功能特性和结构特点，由触点失效引起的该合不合失效（断开失效）和该断不断失效（粘结失效）是继电器的主要失效形式。触点作为继电器的重要部位，较易受到侵蚀破坏，是继电器的主要失效模式，占总失效的80%以上。引起这两种失效模式的原因多种多样，如表1所示。除此之外，其他失效一般是由设计、生产或工艺缺陷造成的，在可靠性筛选试验中可将存在这些失效模式的产品剔除。

表1继电器失效模式及失效机理

供电控制组合中使用的继电器的应用场合具有高精确性和高可靠性的要求，一种失效判据是断开失效和粘接失效等功能性的“硬失效”；为了保证武器装备的可靠性，当某些参数超出规定的范围或动作过程发生异常，也应判为失效。此时，继电器的循环闭合和开断功能仍然正常，这种失效常称为“软失效”。将“软失效”作为导弹供电组合的失效判据，发挥故障预测的优势，在发生“硬失效”之前实施维修或更换。

2.3 继电器寿命预测特征参数的选取

继电器寿命预测是指在继电器可靠性设计、生产及制造过程中严格控制其失效模式，即在不存在早期失效和使用期偶然失效的前提条件下，研究其某些特征参数内在物理变化的规律，主要是研究磨损失效的物理过程，一般通过继电器可靠性寿命试验来考核继电器在工作时触点的电器耐磨情况。

表征继电器触点健康状态的特征参数主要有接触电阻、表面粗糙度、损耗质量和频谱、有效接触距离等[1，2]。其中，接触电阻很难获得较高的测量准确度；触点磨损量测量繁琐，耗费人力物力较大；损耗质量和频谱较难在线测量和分析，尤其不适用于密封继电器；继电器自由行程和超程测量方法烦琐，且也无法在线测量，所以上述特征参数的实用性均较差。而继电器的超程时间和吸合时间可以定量描述触点超程和自由行程的变化，并且较容易测出，且随着继电器动作次数的增加分别呈现出减小和增加的趋势，能够有效地表征出继电器的寿命趋势[3]。

继电器的超程，一般是指继电器从动触点与静触点接触瞬间起到衔铁闭合为止，触点的移动距离。超程时间就是指继电器触点在超程阶段移动所需的时间，吸合时间是指继电器线圈加电到动触点第一次碰撞静触点所需的时间。吸合时间和超程时间均可以通过继电器线圈电流和触点电压动态测试波形直观地表示出来。图1（a）和（b）分别为继电器线圈加电及触点吸合瞬间的动态波形示意图和利用数字示波器采集的被测继电器动态测试波形图，超程时间tc=t2-t1，吸合时间tx=t1。

3 特征参数采集装置的设计

3.1 特征参数采集装置设计

本文设计了一套试验室特征参数采集装置，该试验装置能够模拟实际负载加载瞬间的电流冲击，并以额定电压采用单步控制或连续周期控制的方式激励被测继电器控制输出，在继电器导通瞬间同步加载负载。特征参数采集装置连续自动采集导弹供电控制组合中继电器每次吸合瞬间至供电稳定过程的继电器电磁线圈电压/电流、继电器触点电压/电流、继电器吸合时间和超程时间等特征参数，以继电器全寿命周期的动作次数作为索引保存各类特征参数的变化情况。

采集装置原理图如图2所示。

采集装置的控制功能包括两部分，分别为继电器通断控制和电子负载的控制。为了模拟实际负载系统冲击电流的发生时间，控制测试组合采用外部触发方式，触发可编程直流负载在继电器吸合瞬间同步输出预置的电流波形。继电器与电子负载的同步控制如图3所示，以第一个动作周期为例说明，当继电器线圈得电经过t0后，在继电器触点吸合导通的同时负载输出峰值电流ia；在t1时刻输出稳态电流ib，在t2时刻输出稳态电流ic，t3时刻继电器关断后负载电流为零。

3.2 负载特性数据

试验以导弹供电控制组合中使用的典型继电器作为被测继电器，以实际使用过程记录的导弹供电控制组合加载时电压、电流曲线数据作为负载特特性。选取一种继电器样品和一种典型负载特性进行加载试验，典型负载特性见表2。

表2 负载特性

4 故障预测数学模型的建立

由试验测试数据可知，随着动作次数的增加，吸合时间呈逐渐增大的趋势，超程时间呈逐渐减小的趋势，两种数据都具有一定分散性。针对这两种特征参数，可采用时间序列分析方法[4]建立寿命预测数学模型。

继电器的寿命预测是非平稳时间序列预测问题，可将继电器动作N次所采集的特性参数Xt，Xt-1，Xt-2，…，Xt-N+1记为一个非平稳随机过程。根据Cramer分解定理，该非平稳随机过程的预测数学模型可表示为

式中：Yt——Xt中的趋势项时间序列分量；Zt——Xt中的平稳项时间序列分量。

因此，继电器寿命预测数学模型包括两部分：趋势项时间序列预测数学模型和平稳项时间序列预测数学模型。

4.1 趋势项时间序列预测数学模型

趋势项时间序列预测数学模型是研究随动作次数变化的确定性函数的数学模型，由继电器的某些特性参数的磨损失效因素决定。对继电器某特性参数的测试数据X1，X2，…，XN，可采用相对的时间单位表示，即取

则，趋势项时间序列预测数学模型的一般描述为：

式中：a,b,Cj(j=1,2,…11)——待定参数。

4.2 平稳项时间序列预测数学模型

平稳项时间序列预测数学模型是应用数理统计与模型辨识理论建立的继电器特性参数随机变化的数学模型，由继电器特性参数的分散性决定。通过观察图4所示特征参数的自相关系数（ACF）和偏自相关系数（PACF）可知，样本自相关函数呈拖尾状，偏自相关系数呈p阶截尾状，因此判定时间序列为AR（p）模型。

设继电器动作N次采集某特征参数的平稳项时间序列向量为{}zt，t=1,2,…,N，则可利用平稳时间序列的p阶自回归模型表示zt的预测数学模型为

5 预测数学模型的辨识

5.1 趋势项时间序列数学模型的辨识

根据部分寿命周期的趋势项采集数据，建立趋势项回归模型。以吸合时间为例，根据前6000次动作的吸合时间，将每10次动作数据取平均后得到600点的吸合时间。对式（3）所描述的数学模型，采用线性回归模型、多项式回归模型、指数回归模型、幂回归模型四种常用的函数进行回归分析，建立并辨识出相应的回归模型。

四种时间序列回归曲线如图5所示。

计算上述四种回归数学模型的回归标准偏差见表3。比较各种回归数学模型的回归标准偏差，取回归标准偏差最小者所对应的数学模型作为趋势项寿命预测数学模型，因此采用指数回归模型为继电器趋势项寿命预测数学模型。

同理可得，以超程时间为变量的趋势项时间序列预测数学模型

表3 四种回归模型偏差统计

5.2 平稳项时间序列数学模型的辨识

首先针对AR（p）模型根据AIC或FPE定阶准则为函数定阶。根据FPE、AIC定阶准则，可以得到特征参数相应的两种准则函数曲线，如图6所示。从图中可知，随着模型阶次升高，总体趋势是下降的。在n较小时，下降很快，随着n的增加，下降趋势变慢；不论用哪种准则进行检验，都是在n=8时模型最为合适，因此模型阶数p定为8。

由于最小二乘估计充分应用了每一个观察值所提供的信息，因此估计精度高。本文采用最小二乘法对AR模型进行参数估计，方程组可表示为

写成矩阵形式为

利用Matlab软件System identification toolbox中的AR（）函数及最小二乘法分别求得两种特征参数寿命预测平稳项时间序列自回归模型。

以吸合时间为变量的预测平稳项模型

以超程时间为变量的预测平稳项模型

对吸合时间AR（8）模型的前5499个平稳项时间序列预测分析曲线如图7（a）所示，平稳项时间序列预测曲线与实测曲线吻合度较高，预测值误差不超过3%。对超程时间AR（7）模型的前1399个平稳项时间序列预测分析曲线如图7（b）所示，平稳项时间序列预测曲线与实测曲线吻合度较q高。由于受典型负载工况的电流脉冲幅值影响，电磁线圈电流波动较大，导致超程时间平稳项比吸合时间平稳项波动大，但预测值误差不超过10%。

6 试验结果分析

根据式（7）、（9）、（12）和式（13）得到，基于吸合时间特征参数的寿命预测数学模型为

基于超程时间特征参数的寿命预测数学模型为

在典型负载模拟工况下，通过实验研究给出吸合时间和超程时间的失效判别准则，供电控制组合继电器的特征值极限参数分别为tcmin=0.3ms，txmax=15.8ms。采用预测数学模型对继电器寿命的预测结果见表4，试验结果继电器的寿命达到19.2万次，基于吸合时间的寿命预测结果为17.68万次，基于超程时间的寿命预测结果为17.26万次，计算结果与试验结果的相对误差分别为7.8%、10.1%。可知以吸合时间和超程时间为特征参数的寿命预测方法均是有效的，吸合时间的相对误差略小，说明以吸合时间为特征参数的寿命预测方法有效性相对较好一些。

表4 故障预测结果

7 结束语

本文以导弹供电控制组合为研究对象，根据装备组成及特点对其故障模式进行分析，选定继电器作为故障预测对象，基于吸合时间和超程时间两个表征供电控制组合继电器接触性能退化的特征参数，采用时间序列分析方法建立故障预测数学模型。设计了一套实验室特征参数采集装置进行典型工况加载模拟及参数采集，利用采集的特征参数辨识预测模型，并完成被试继电器样品的寿命试验，试验结果验证了预测结果的正确性。该方法为导弹供电控制组合的故障预测和健康管理提供了一种思路。

[1]Rieder W F.，Strof T.W.Relay Life Tests With Contact Resistance Measurement After Each Operation[J].IEEE Transactions on Components，Hybrids，and Manufacturing Technology，1991，14（1）：109～112.

[2]魏梅芳，李震彪，宋晓亮等.开关触头电寿命预测方法分析[J].低压电器，2006（1）：11～14.

[3]翟国富，王淑娟，许峰等.基于超程时间和吸合时间建模的继电器双变量寿命预测方法的研究[J].中国电机工程学报，2002，22（7）：76～80.

[4]肖枝洪.时间序列分析与SAS应用（第二版）[M].武汉大学出版社，2012.

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

霍晓云，（1981.11-）女，高级工程师，主要研究方向：发射系统自动测试技术。

1000-7202（2017）03-0044-07