专利名称：基于灰色模型的动调陀螺仪寿命预测方法
技术领域：
本发明涉及一种基于灰色模型的动调陀螺仪寿命预测方法，适用于陀螺仪以及航天领域其它机电部件的寿命评估和预测，属于陀螺仪寿命预测技术领域。
背景技术：
随着我国航天技术的发展，航天器越来越向着高可靠、长寿命、高有效性方向发展，卫星在轨运行时间在3年以上甚至达到5～10年。在这些卫星中，飞轮、陀螺仪、红外地平仪等机电部件都是必不可少的姿态控制执行机构和姿态测量部件。由于这些航天产品的高成本、小批量，如何评估这些产品及其部件的可靠性寿命成为一个迫切需要解决的难题。另外由于陀螺仪、飞轮、红外地平仪等机电转动部件与电子元器件相比子样少，缺乏实用的加速寿命试验的规范和方法，并且没有证据显示陀螺仪、飞轮等产品的寿命与温度、压力等环境参数有明显的关系。因此随着这些产品要求的寿命时间的增加，1∶1完全寿命试验在物力、财力上消耗大，成本高，这将成为拖延卫星等航天器研制进度的关键因素之一。
国内外已有的缩短陀螺仪、飞轮等机电部件的可靠性寿命的寿命试验时间的方法主要是采用加速寿命试验的方法，在对航天产品进行加速寿命试验时，由于航天产品本身的高成本、小批量的特点，加速寿命试验存在着经费、时间和样本数量的难点，因此如何预测和评估陀螺仪的寿命是我国现有航天技术研究领域中一个急需解决且难度很大的研究课题之一。
目前在航天领域(特别是卫星)也开展了利用电子元器件的试验数据扩大可靠性评估的信息量，在极小子样条件下对整机进行可靠性评估的研究。但对陀螺仪这种批量小、生产周期长、成本较高的机电类产品，评价其寿命时主要是利用实时1∶1连续通电寿命试验，这种方法评估寿命可靠性要求较多的子样数，会带来财力和物力上的极大浪费。而且，已有的寿命可靠性评估的理论主要有指数型寿命分布理论、威布尔寿命分布理论和正态型寿命分布理论等，这些常规的寿命可靠性估计方法归属于统计和概率论的范畴，很难引入扩大评估可靠性参数的验前信息，因而所需的子样数较多。由于动调陀螺仪这个特定的研究对象，采用较多的子样数是不现实的，也是不可能的。因此，如何在极小子样的条件下，对动调陀螺仪进行寿命预测目前仍然是一个问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于灰色模型的动调陀螺仪寿命预测方法，通过测试与寿命相关的多个参数，寻找出寿命运行的规律，提供寿命判断依据，方法简单易行，经济可靠。
为实现这样的目的，本发明提出一种新的寿命预测思路，对与动调陀螺仪寿命相关的多个参数测试和数据分析，研究各个参数的变化规律和影响寿命的关键因子，寻求这些参数与陀螺仪可靠性和寿命运行之间的规律，从而确定出用于寿命预测的关键因素，利用小波变换精度可调节特性，提取出关键因素的趋势项，然后对趋势项建立灰色模型，运用性能参数外推法，并结合寿命测试数据的容限值，对动调陀螺仪的寿命进行预测。
本发明的动调陀螺仪寿命预测方法包括如下步骤(1)寿命预测参数选择和数据采集，选择振动、漂移和环境温度为寿命预测参数。衡量振动的指标用振动有效值。参数选择的依据为由于动调陀螺仪是一机电陀螺，其寿命很大程度上受制于轴承的寿命。陀螺仪在运转过程中可能出现的主要故障通常是由于陀螺电机轴承的磨损而引起的，当陀螺电机轴承发生故障时会产生一系列的故障振动脉冲。漂移是动调陀螺仪的一个非常重要的参数，一旦陀螺发生故障，其输出信号的特征量也在一定程度上发生变化，势必会在陀螺漂移中显现出来。因此测量陀螺马达的振动和陀螺漂移能够反映陀螺的工作状态。此外，温度对测试的振动和漂移信号产生影响，所以还需测试环境温度。
(2)数据的预处理，目的是为了将环境温度对振动有效值和漂移的影响去除掉。采用径向基神经网络(RBF)的方法拟合一个关于漂移和环境温度，以及一个关于振动有效值和环境温度的关系表达式，经过网络的训练学习，其关系隐含在训练好的网络连接权值中。选用RBF神经网络进行拟合是因为此方法的拟合精度较高，根据关系表达式，当用实际测试值减去拟合值时，其中拟合误差可以忽略，这样，得到只和时间相关的漂移和振动有效值数据，再对漂移数据求均值得到漂移常值项，减去此漂移常值项，就得到随机漂移值。
(3)用小波变换提取振动有效值和随机漂移值的趋势项。采用道贝切斯Daubechies紧支撑双正交小波，运用马勒特Mallat分解算法分别提取出随机漂移和振动有效值的趋势项。
(4)对随机漂移值和振动有效值的趋势项分别建立灰色单变量一阶模型，即GM(1，1)模型。从振动有效值和随机漂移值的趋势项中提出缓变增长的100～130天的数据来进行建模。分析趋势项中缓变增长的数据是因为对于寿命，其涉及的是故障的一个变化过程，故障通常按其输出的偏差分表现为缓变型和突变型两种形式。对于动调陀螺仪这样一个机电系统的寿命来讲，研究的是缓变型的故障形式。因此，分析参数缓变增长的部分，便于建立寿命预测模型。
(5)定义随机漂移值和振动有效值的标称值或两倍标称值为容限值，分别用建立好的随机漂移值和振动有效值的灰色GM(1，1)模型进行陀螺仪寿命预测，当预测值超过容限值时，则认为此陀螺仪失效，寿命终止。
(6)将陀螺仪寿命终止时的随机漂移预测值和振动有效值预测值进行比较，取其中数值小的为动调陀螺仪预测的寿命。
本发明的方法不同于传统的寿命预测方法，它利用寿命试验期产品的性能参数来预测寿命，揭示性能参数与动调陀螺仪寿命的规律。此方法简单，易于实现，也适用其它机电部件的寿命评估和预测。
图1为本发明实施例中寿命预测模型的流程图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
在本实施例中，基于灰色模型的动调陀螺仪寿命预测方法实施的流程图如图1所示。首先采集来自寿命测试系统的动调陀螺仪的振动有效值、漂移和环境温度参数，并对其进行预处理，运用径向基神经网络预处理方法去除环境温度对漂移和振动有效值的影响，漂移还需减去漂移常值项，得到只和时间有关的随机漂移值和振动有效值。然后采用小波变换提取出随机漂移值和振动有效值的趋势项，再根据趋势项分别建立灰色GM(1，1)模型。最后，用建立好的参数模型去预测，当预测值超过给出的容限值时，判断寿命终止。比较寿命终止时的随机漂移预测值和振动有效值预测值，数值小的为动调陀螺仪预测的寿命。
下面给出本发明方法对动调陀螺仪进行寿命预测的具体过程。
(1)测试采集振动有效值、环境温度和陀螺仪漂移值。此实施例中漂移数据我们选择X轴漂移值，得到一组300天的测试数据。
(2)采用径向基(RBF)神经网络预处理方法拟合一个关于漂移和环境温度，振动有效值和环境温度的关系表达式，经过网络的训练学习，其关系隐含在训练好的网络连接权值中。然后，根据关系表达式，在实际测试值中减去由于环境温度所引起的漂移值和由于环境温度引起的振动有效值，就可以得到只和时间相关的漂移数据和振动有效值。再将漂移求均值得到漂移的常值项，减去漂移常值项，得到随机漂移值。
(3)对随机漂移数据和振动有效值数据进行小波变换，此实施例选择的道贝切斯Daubechies紧支撑双正交小波，其阶数为5，运用马勒特Mallat分解算法，对数据进行了8层小波分解，提取随机漂移数据和振动有效值数据的发展趋势。
(4)从随机漂移和振动有效值的趋势数据中提出缓变增长的部分数据用于建模。根据测试数据，在此实施例中从趋势项中提出100天的数据，分别建立随机漂移值的灰色GM(1，1)模型和振动有效值的灰色GM(1，1)模型。
(5)运用性能参数外推法，并结合测试参数容限值，对动调陀螺仪的寿命进行预测。用建立好的灰色模型进行预测，当预测值超过容限值时，可认为陀螺失效，即寿命终止，从而预测出陀螺仪的寿命来。
在进行寿命预测时，需要确立随机漂移和振动有效值的容限值。在此实施例中定义随机漂移参数的两倍标称值为容限值，如此实施例中随机漂移为0.05deg./h的陀螺，当其预测的随机漂移值超过0.1deg./h时，判断陀螺仪失效，寿命终止；对于振动有效值，定义其标称值即为容限值。
根据100天随机漂移所建立的灰色模型进行陀螺仪的寿命预测，随着时间的推移，当预测值超过随机漂移容限值时，即可认为陀螺仪失效。此时预测的的陀螺仪失效时间为38,150小时，即即其所能达到的寿命为38,150小时。
同样，根据100天振动有效值所建立的模型进行陀螺仪寿命预测，随着时间的推移，当预测值超过振动有效值的容限值时，即可认为陀螺仪失效。此时预测的陀螺仪失效时间为35,496小时，即其所能达到的寿命为35,496小时。
(6)比较这两个寿命预测值，数值小的则为此动调陀螺仪的寿命。则在此实施例中，陀螺仪的寿命为35,496小时。
权利要求
1.一种基于灰色模型的动调陀螺仪寿命预测方法，其特征在于包括以下步骤(1)测试采集动调陀螺仪的振动、漂移和环境温度数据作为寿命预测参数，衡量振动的指标用振动有效值；(2)采用径向基神经网络的方法拟合一个关于漂移和环境温度，以及振动有效值和环境温度的关系表达式，根据所得到的关系表达式，在实际测试值中去除由于环境温度所引起的那部分漂移和振动有效值，得到只和时间相关的漂移值和振动有效值，再对漂移数据求均值得到漂移常值项，减去此漂移常值项，得到随机漂移值；(3)采用道贝切斯Daubechies紧支撑双正交小波，运用马勒特Mallat分解算法分别提取出随机漂移和振动有效值的趋势项；(4)从振动有效值和随机漂移值的趋势项中提出缓变增长的100～130天的数据，分别建立灰色单变量一阶模型，即GM(1，1)模型；(5)定义随机漂移值和振动有效值的标称值或两倍标称值为容限值，分别用建立好的随机漂移值和振动有效值的灰色GM(1，1)模型进行寿命预测，当预测值超过容限值时，则认为此陀螺仪失效，寿命终止；(6)将寿命终止时的随机漂移预测值和振动有效值预测值进行比较，取其中数值小的为动调陀螺仪预测的寿命。
全文摘要
本发明涉及一种基于灰色模型的动调陀螺仪寿命预测方法，通过对寿命测试期间的振动有效值、随机漂移和环境温度参数的数据采集，并运用径向基神经网络进行预处理，去除环境温度对振动有效值和漂移的影响，再减去漂移常值项，得到只和时间相关的随机漂移数据和振动有效值数据，然后采用小波变换提取出振动有效值和随机漂移的趋势项，对它们的趋势项分别建立灰色单变量一阶模型，当预测值超过性能参数容限值时，认为动调陀螺仪失效，预测的两个寿命值中，数据小的则为动调陀螺仪的寿命。本发明利用寿命试验期产品的性能参数来预测寿命，揭示性能参数与动调陀螺仪寿命的规律，简单易行，经济可靠。
文档编号G01N35/00GK1587989SQ20041005286
公开日2005年3月2日 申请日期2004年7月15日 优先权日2004年7月15日
发明者樊春玲, 金志华 申请人:上海交通大学