基于元胞机的伺服系统故障传播分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明提供一种基于元胞机的伺服系统故障传播分析方法，用以确定产品的故障 传播过程，属于可靠性工程技术领域。
【背景技术】
[0002] 伺服系统是一个由相互关联，相互作用，相互影响的电路模块、子设备和子系统以 一定的层次结构组织而形成的系统。一般来讲，对于功能结构较复杂的伺服系统，根据其层 次关系和各层次内组成单元之间的逻辑关系，对伺服系统进行层次化分解，可将伺服系统 分为系统、子系统、电路板、功能模块、单元电路/元器件等多个层次，各层次组成单元间存 在一定的功能逻辑关系。
[0003] 伺服系统故障传播研究的是故障信号在伺服系统中的传递情况，以及局部故障造 成的周围电路或电路整体功能的影响。伺服系统的各组成元器件之间的连接决定了故障的 信号是可以传播的，通过故障的传播性可揭示出电路各元器件故障对周围元器件以及伺服 系统整体功能的影响。
[0004] 目前关于故障传播的方法有基于图论、基于petri网、基于复杂网络、和定性推理 方法，它们能够从定性的角度建立故障传播推理机制，但不能建立定量的模型，而元胞自动 机是一个时间、空间和状态都离散的动力系统，能够通过算法推理传播的动态过程。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的为了解决上述问题，提出一种基于元胞机的伺服系统故障传播分析 方法，它是确定产品的故障传播过程的方法，可以为故障传播模型的建立，过程的分析提供 支持。
[0006] 本发明是将伺服系统划分为多个元胞，根据各元胞间的相互作用关系，在一些局 部的规则作用下不断演化，来处理伺服系统的仿真和预测的方法，即基于元胞机的伺服系 统故障传播分析方法
[0007] 本发明是通过研究现有故障传播建模方法和定性推理理论，详细分析方法中的关 键技术以及实施过程中可能存在的问题；在此基础上，建立基于元胞机的、适用于伺服系统 的能够实现故障传播的模型。
[0008] -种基于元胞机的伺服系统故障传播分析方法，包括以下几个步骤：
[0009] 步骤1 :根据伺服系统层次关系和各层次内组成单元之间的逻辑关系，对伺服系 统进行层次化分解，确定伺服系统的结构组成；
[0010] 步骤2 :从产品的最高层次系统级开始，确定子系统的邻居关系，建立邻居关系矩 阵，并对系统级建立元胞机故障传播模型；
[0011] 步骤3 :从每个子系统级开始，对整个系统的功能模块级以上单元建立相应的元 胞机模型，生成系统的多层级元胞机模型；
[0012] 步骤4 :确定组成单元对故障信号的传递函数G(s)
[0013] 底层单元对故障信号的传递函数G(s)通过检测实验中的输入信号r(t)和输出信 号c(t)，并经过拉普拉斯变换计算得到；高一层模块的故障信号的传递函数G(s)通过底层 单元对故障信号的传递函数组合得到；
[0014] 步骤5:在步骤3建好的多层级元胞机模型基础上，获取元胞机模型的演化规则；
[0015] 步骤6:输入故障源，通过步骤4中的传递函数确定故障传递函数，迭代得到稳定 时刻元胞机故障程度矩阵和状态矩阵，稳定时刻，即令C(t) =C(t-l)，输入初始的故障程 度矩阵和状态矩阵，通过迭代得到结果，并得到整个伺服系统的故障传播结果和故障传播 路径。
[0016] 本发明的优点在于：
[0017] (1)通过多级元胞模型可以对电路板之间的故障传播模型进行分析；
[0018] (2)本发明结合元胞自动机这一强大的动力学系统，通过将复杂的系统划分为多 个元胞，通过一些简单的演化规则便可以对复杂系统进行仿真和预测；
[0019] (3)本发明可以对电路系统的故障传播进行定量分析。
【附图说明】
[0020] 图1为本发明的方法流程图；
[0021] 图2为二维元胞自动机的邻居模型；
[0022] 图3为多层级元胞机故障传播模型与电路系统层次间的对应关系图；
[0023] 图4为星载天线伺服系统控制器层次化分解图；
[0024] 图5控制器系统元胞机模型；
[0025] 图6控制器系统元胞机模型；
[0026] 图7故障状态元胞机运行结果；
【具体实施方式】
[0027] 下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0028] 本发明为一种基于元胞机的伺服系统故障传播分析方法，它将伺服系统划分为多 个元胞，根据各元胞间的相互作用关系，在一些局部的规则作用下不断演化，来处理伺服系 统的仿真和预测。本发明一方面建立基于元胞机的伺服系统故障传播模型。在伺服系统及 其故障特性分析基础上提出了多层级元胞机模型。另一方面在已经建立的模型基础上模拟 伺服系统故障传播，包括正常信号和故障信号的横向传播和纵向传播，并对传播过程进行 定性和定量的分析。
[0029] 本发明是一种基于元胞机的伺服系统故障传播分析方法，流程如图1所示，包括 以下几个步骤：
[0030] 步骤1:根据伺服系统层次关系和各层次内组成单元之间的逻辑关系，对伺服系 统进行层次化分解，确定伺服系统的结构组成；
[0031] 具体步骤为：
[0032] 1)确定伺服系统的结构组成；
[0033] 2)根据产品的结构组成，将产品自上而下划分为若干个约定层次，其中独立的功 能单元为一个约定层次，最低约定层次为功能模块。
[0034] 步骤2 :从产品的最高层次系统级开始，确定子系统的邻居关系，建立邻居关系矩 阵，并对系统级建立元胞机故障传播模型。
[0035] 确定子系统级的邻居关系矩阵，将子系统填入系统级的元胞机模型，其中具有邻 居关系的子系统在系统级的元胞机模型中处于相邻位置。
[0036] 对系统级建立元胞机故障传播模型。首先是确定系统级中的子系统的邻居关系矩 阵。本发明建立的模型中元胞的邻居采用Moore邻居，如附图2所示。元胞邻居规则根据 邻居关系确定，邻居关系由邻居方向和耦合系数e表示。根据组件中信号流的方向，将邻居 分为入邻居和出邻居。
[0037] 邻居定义如下：设信号由A输出流向B，则A是B的入邻居，B是A的出邻居。
[0038] 耦合系数e即元胞的传递函数在邻居间的作用系数，取值0、1和-1，0表示两元胞 无直接作用关系，1表示正作用关系，-1表示负作用关系，即
[0039]
[0040] 为了表达简便，用矩阵的形式来表达系统级元胞机故障传播模型中子系统的邻居 关系，称为邻居关系矩阵。
[0041] 设Μ为ηΧη子模型中邻居关系矩阵。第i行表示非空元胞代表的组成单元，用ηι 表示，同时将组成单元作为列标列出。对于每i行，依次分析第j列单元是否为其入邻居， 若不是，则1^= 0 ;若是其入邻居，判断两元胞作用关系，正作用关系，则mi]= 1 ;负作用关 系，贝1J11^= -1。由此推得Μ矩阵表达式：
[0042]
[0043]
[0044] 邻居关系矩阵中全零行是信号输入单元，由邻居关系矩阵Μ生成元胞机模型，生 成步骤如下：
[0045] (1)查找邻居关系矩阵中全零行对应的单元作为中心元胞，放入元胞机中任意位 置，此时元胞机中只有该中心元胞；
[0046] (2)查找Μ中以此单元ID所在的列的非零元素对应的行，这些行对应的单元与该 单元直接相联，为以上中心元胞的邻居，放入元胞机中心元胞的空邻居中；
[0047] (3)根据M，判断中心元胞的其他邻居元胞与（2)中置入元胞是否存在邻居关系。 若存在，则须放置在既是中心元胞的邻居又是邻居元胞的邻居的位置；若不存在邻居关系， 则须放在中心元胞邻居范围内，与另外邻居非相邻位置；
[0048] (4)当关系矩阵中中心元胞对应单元所在列的非零元素均转化为元胞机中元胞， 该中心元胞的邻居生成完成；否则重复（2)、（3)步骤；
[0049] (5)依次以中心元胞的邻居元胞作为中心元胞，重复以上（2)、（3)、（4)自动生成 步骤，直至邻居关系矩阵中所有行对应的单元均在元胞机模型中生成对应的元胞。
[0050] 步骤3:从每个子系统级开始，对整个系统的功能模块级以上单元建立相应的元 胞机模型，生成系统的多层级元胞机模型.
[0051] 其中对每个单元建立元胞机模型的方法与步骤2中的相同，附图3为步骤3建立 的多层级元胞机故障传播模型与步骤1中伺服系统层次化分解图的对应关系。
[0052] 步骤4:确定组成单元对故障信号的传递函数G(s)
[0053] 底层单元对故障信号的传递函数G(s)通检测实验中的输入信号r(t)和输出信号 c(t)，并经过拉普拉斯变换计算得到。高一层模块的故障信号的传递函数G(s)通过底层单