风洞控制系统测试性的优化

陈天毅 陈旦 张永双 李树成

摘 要 现有风洞控制系统在设计过程中对测试性考虑较少，不便于系统的故障诊断，降低了风洞的效能，因此，通过对风洞控制系统的功能和结构进行分析，建立其系统级测试性模型，并对模型进行测试性分析，为测试性设计和故障诊断策略研究打下基础。

【关键词】测试性分析 测试性模型 控制系统 风洞

测试性（Testability）影响装备的可用性、可靠性和维修性，因而是影响装备战备完好性的重要因素。测试性良好的系统，能够减少装备维修保障过程中的繁琐而杂乱的维修活动，缩短故障检测和诊断的时间，降低对维修人员的技能要求。

风洞控制系统，作为确保整个风洞运行的基础，具有重要的作用，它包含多个工控机、PLC以及人机操作系统等多个设备，具有结构复杂，器件繁多，涉及面广等特点。而目前风洞控制系统在研制阶段对故障诊断考虑较少，（往往仅在智能部件或者网络节点处增加了故障自检能力）导致控制系统故障诊断效率低，经费高，降低了风洞的效能。因此，必须重视风洞控制系统的故障检测和故障诊断能力的提升，而只有从控制系统研制开始就进行测试性设计，才能从根本上解决这个问题。

1 测试性分析及诊断策略优化理论

目前，基于相关性模型的测试优化设计方法成为国内外研究的热点，测试性分析是测试性设计的关键。测试性分析主要用于解决导致诊断能力降低的系统拓扑逻辑缺陷。测试性分析结束后可以得到模型的测试性参数，将这些参数与系统测试性指标要求比较，分析是否满足指标和实际需要，如果不满足，需要对故障模糊组、不可检测故障、冗余测试、反馈回路等内容进行分析，并考虑修改系统测试方案和调整测试性模型。风洞控制系统测试性分析流程为：首先对控制系统进行相关性建模，得到相关性矩阵，然后通过测试性分析该系统的测试性指标是否满足要求，如果满足则可以进行诊断策略优化设计，如果不满足则需要考虑改进系统结构，直到满足测试性指标为止。

据统计，在实际系统中，电子设备发生单故障的概率是故障总数的70%-80%，发生多故障的概率较低，且一些多故障往往又是相互联系的，因此多故障可以看作单故障的简单组合，另外，一般来说多故障更多表现在卫星等长时间在太空运行而无人维护的航天器上，对于风洞等定期维护的设备来说以单故障结论居多。因此，本课题主要针对单故障情况进行研究。

2 风洞设计的测试性研究

风洞类型不同，各测控分系统也不同，课题以某型连续式风洞为例进行研究。为了准确的隔离故障，需要将系统划分成较小的现场可更换单元。综合考虑结构、电气性能、复杂程度、可靠性及费用等因素，风洞控制系统按照功能可以划分成图1所示单元。

为了便于精确地隔离故障，要求尽可能的提高故障隔率，因此，需要对各子系统进行更详细的功能划分，为便于描述，以图2的增压排气控制系统为例，本课题按照故障检测率（Fault Detection Rate，FDR）为100%对其进行测试性初步设计。由于电机驱动装置和闸阀本身具有故障报警（到位指示）的功能，所以不需要对其额外添加测试点，从而得到系统相关性模型如图3所示。

该测试性模型建立的前提是：

（1）风洞洞体及结构故障率低，所以忽略其所带来的采集参数的故障；

（2）PLC失效为增压排气系统的小概率事件，所以也不考虑；

（3）忽略线端（线路的接触不良，短路，断路）故障。

增压排气控制系统测试性模型要素如表1。

由测试性模型可以看出，该系统包含两个回路，当其中的某个单元发生故障将在回路中循环传播，从而产生故障模糊组。按照多回路系统理论，需要断开其中的公共边，因此，综合费用和复杂度等因素，在PLC和AO模块之间中断反馈回路，同时注入正常的计算机输出值给AO，利用相关性模型算法，得到中断后增压排气控制系统测试性模型相关性矩阵如表2所示。

对表2进行测试性分析，发现存在故障模糊组{f2、f3}，但是由于在设计中对不同闸阀考虑了到位指示的报警功能，所以借助其能够隔离此模糊组。这样就得到了增压排气控制系统的故障测试相关性矩阵，对其进行分析，得到系统的FDR为100%，故障隔离率（Fault Isolation Rate，FIR）为100%，满足测试性设计指标要求，因此，可利用其进行下一步的诊断策略优化设计。

3 风洞设计的测试性改进

通过上述分析，为了提高测试性设计指标，同时减少改进风险，并降低维修保障成本，需要考虑一下方面以增强测试性水平，主要包括：

（1）尽可能选用智能型部件，即包含报警或者机内自检功能，这样能够减少增加测试點所带来的第三方的可靠性风险。

（2）避免电磁或者其他因素干扰带来的失效或者功能故障。

4 结论

本文对风洞控制系统建立了测试性模型，并进行了测试性分析，依据风洞的功能特性，综合考虑诊断费用和测试性指标要求，通过合理配置测试点（测试接口），能够基本满足故障检测率和故障隔离率指标要求。同时，由于测试点配置越多，得到的测试性指标越高，但是费用和可靠性风险也就越大，所以也需要根据实际诊断的需要，对指标和测试点数进行综合权衡，以达到最大的诊断效率。

参考文献

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[2]贺海.装甲车辆电源系统测试性设计理论与方法实现[D].北京：装甲兵工程学院，2008.

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[6]杨鹏.基于相关性模型的诊断策略优化设计技术[D].长沙：国防科学技术大学，2008.

作者简介

陈天毅（1966-），男，重庆市开县人。硕士学位。高级工程师。四川绵阳中国空气动力研究与发展中心4所。机电一体化专业。

陈旦（1986-），男，四川省邻水县人。硕士学位。工程师。四川绵阳中国空气动力研究与发展中心4所。自动控制专业。

张永双（1976-），男，四川省蓬溪县人。硕士学位。工程师。四川绵阳中国空气动力研究与发展中心4所。自动控制专业。

李树成（1979-），男，河南省太康县人。硕士学位。工程师。四川绵阳中国空气动力研究与发展中心4所。液压控制专业。

作者单位

中国空气动力研究与发展中心 四川省绵阳市 621000