專利名稱：基于灰色模型的動調陀螺儀壽命預測方法
技術領域：
本發明涉及一種基于灰色模型的動調陀螺儀壽命預測方法，適用于陀螺儀以及航天領域其它機電部件的壽命評估和預測，屬于陀螺儀壽命預測技術領域。
背景技術：
隨著我國航天技術的發展，航天器越來越向著高可靠、長壽命、高有效性方向發展，衛星在軌運行時間在3年以上甚至達到5～10年。在這些衛星中，飛輪、陀螺儀、紅外地平儀等機電部件都是必不可少的姿態控制執行機構和姿態測量部件。由于這些航天產品的高成本、小批量，如何評估這些產品及其部件的可靠性壽命成為一個迫切需要解決的難題。另外由于陀螺儀、飛輪、紅外地平儀等機電轉動部件與電子元器件相比子樣少，缺乏實用的加速壽命試驗的規范和方法，并且沒有證據顯示陀螺儀、飛輪等產品的壽命與溫度、壓力等環境參數有明顯的關系。因此隨著這些產品要求的壽命時間的增加，1∶1完全壽命試驗在物力、財力上消耗大，成本高，這將成為拖延衛星等航天器研制進度的關鍵因素之一。
國內外已有的縮短陀螺儀、飛輪等機電部件的可靠性壽命的壽命試驗時間的方法主要是采用加速壽命試驗的方法，在對航天產品進行加速壽命試驗時，由于航天產品本身的高成本、小批量的特點，加速壽命試驗存在著經費、時間和樣本數量的難點，因此如何預測和評估陀螺儀的壽命是我國現有航天技術研究領域中一個急需解決且難度很大的研究課題之一。
目前在航天領域(特別是衛星)也開展了利用電子元器件的試驗數據擴大可靠性評估的信息量，在極小子樣條件下對整機進行可靠性評估的研究。但對陀螺儀這種批量小、生產周期長、成本較高的機電類產品，評價其壽命時主要是利用實時1∶1連續通電壽命試驗，這種方法評估壽命可靠性要求較多的子樣數，會帶來財力和物力上的極大浪費。而且，已有的壽命可靠性評估的理論主要有指數型壽命分布理論、威布爾壽命分布理論和正態型壽命分布理論等，這些常規的壽命可靠性估計方法歸屬于統計和概率論的范疇，很難引入擴大評估可靠性參數的驗前信息，因而所需的子樣數較多。由于動調陀螺儀這個特定的研究對象，采用較多的子樣數是不現實的，也是不可能的。因此，如何在極小子樣的條件下，對動調陀螺儀進行壽命預測目前仍然是一個問題。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，提出一種基于灰色模型的動調陀螺儀壽命預測方法，通過測試與壽命相關的多個參數，尋找出壽命運行的規律，提供壽命判斷依據，方法簡單易行，經濟可靠。
為實現這樣的目的，本發明提出一種新的壽命預測思路，對與動調陀螺儀壽命相關的多個參數測試和數據分析，研究各個參數的變化規律和影響壽命的關鍵因子，尋求這些參數與陀螺儀可靠性和壽命運行之間的規律，從而確定出用于壽命預測的關鍵因素，利用小波變換精度可調節特性，提取出關鍵因素的趨勢項，然后對趨勢項建立灰色模型，運用性能參數外推法，并結合壽命測試數據的容限值，對動調陀螺儀的壽命進行預測。
本發明的動調陀螺儀壽命預測方法包括如下步驟(1)壽命預測參數選擇和數據采集，選擇振動、漂移和環境溫度為壽命預測參數。衡量振動的指標用振動有效值。參數選擇的依據為由于動調陀螺儀是一機電陀螺，其壽命很大程度上受制于軸承的壽命。陀螺儀在運轉過程中可能出現的主要故障通常是由于陀螺電機軸承的磨損而引起的，當陀螺電機軸承發生故障時會產生一系列的故障振動脈沖。漂移是動調陀螺儀的一個非常重要的參數，一旦陀螺發生故障，其輸出信號的特征量也在一定程度上發生變化，勢必會在陀螺漂移中顯現出來。因此測量陀螺馬達的振動和陀螺漂移能夠反映陀螺的工作狀態。此外，溫度對測試的振動和漂移信號產生影響，所以還需測試環境溫度。
(2)數據的預處理，目的是為了將環境溫度對振動有效值和漂移的影響去除掉。采用徑向基神經網絡(RBF)的方法擬合一個關于漂移和環境溫度，以及一個關于振動有效值和環境溫度的關系表達式，經過網絡的訓練學習，其關系隱含在訓練好的網絡連接權值中。選用RBF神經網絡進行擬合是因為此方法的擬合精度較高，根據關系表達式，當用實際測試值減去擬合值時，其中擬合誤差可以忽略，這樣，得到只和時間相關的漂移和振動有效值數據，再對漂移數據求均值得到漂移常值項，減去此漂移常值項，就得到隨機漂移值。
(3)用小波變換提取振動有效值和隨機漂移值的趨勢項。采用道貝切斯Daubechies緊支撐雙正交小波，運用馬勒特Mallat分解算法分別提取出隨機漂移和振動有效值的趨勢項。
(4)對隨機漂移值和振動有效值的趨勢項分別建立灰色單變量一階模型，即GM(1，1)模型。從振動有效值和隨機漂移值的趨勢項中提出緩變增長的100～130天的數據來進行建模。分析趨勢項中緩變增長的數據是因為對于壽命，其涉及的是故障的一個變化過程，故障通常按其輸出的偏差分表現為緩變型和突變型兩種形式。對于動調陀螺儀這樣一個機電系統的壽命來講，研究的是緩變型的故障形式。因此，分析參數緩變增長的部分，便于建立壽命預測模型。
(5)定義隨機漂移值和振動有效值的標稱值或兩倍標稱值為容限值，分別用建立好的隨機漂移值和振動有效值的灰色GM(1，1)模型進行陀螺儀壽命預測，當預測值超過容限值時，則認為此陀螺儀失效，壽命終止。
(6)將陀螺儀壽命終止時的隨機漂移預測值和振動有效值預測值進行比較，取其中數值小的為動調陀螺儀預測的壽命。
本發明的方法不同于傳統的壽命預測方法，它利用壽命試驗期產品的性能參數來預測壽命，揭示性能參數與動調陀螺儀壽命的規律。此方法簡單，易于實現，也適用其它機電部件的壽命評估和預測。
圖1為本發明實施例中壽命預測模型的流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明的技術方案作進一步的說明。
在本實施例中，基于灰色模型的動調陀螺儀壽命預測方法實施的流程圖如圖1所示。首先采集來自壽命測試系統的動調陀螺儀的振動有效值、漂移和環境溫度參數，并對其進行預處理，運用徑向基神經網絡預處理方法去除環境溫度對漂移和振動有效值的影響，漂移還需減去漂移常值項，得到只和時間有關的隨機漂移值和振動有效值。然后采用小波變換提取出隨機漂移值和振動有效值的趨勢項，再根據趨勢項分別建立灰色GM(1，1)模型。最后，用建立好的參數模型去預測，當預測值超過給出的容限值時，判斷壽命終止。比較壽命終止時的隨機漂移預測值和振動有效值預測值，數值小的為動調陀螺儀預測的壽命。
下面給出本發明方法對動調陀螺儀進行壽命預測的具體過程。
(1)測試采集振動有效值、環境溫度和陀螺儀漂移值。此實施例中漂移數據我們選擇X軸漂移值，得到一組300天的測試數據。
(2)采用徑向基(RBF)神經網絡預處理方法擬合一個關于漂移和環境溫度，振動有效值和環境溫度的關系表達式，經過網絡的訓練學習，其關系隱含在訓練好的網絡連接權值中。然后，根據關系表達式，在實際測試值中減去由于環境溫度所引起的漂移值和由于環境溫度引起的振動有效值，就可以得到只和時間相關的漂移數據和振動有效值。再將漂移求均值得到漂移的常值項，減去漂移常值項，得到隨機漂移值。
(3)對隨機漂移數據和振動有效值數據進行小波變換，此實施例選擇的道貝切斯Daubechies緊支撐雙正交小波，其階數為5，運用馬勒特Mallat分解算法，對數據進行了8層小波分解，提取隨機漂移數據和振動有效值數據的發展趨勢。
(4)從隨機漂移和振動有效值的趨勢數據中提出緩變增長的部分數據用于建模。根據測試數據，在此實施例中從趨勢項中提出100天的數據，分別建立隨機漂移值的灰色GM(1，1)模型和振動有效值的灰色GM(1，1)模型。
(5)運用性能參數外推法，并結合測試參數容限值，對動調陀螺儀的壽命進行預測。用建立好的灰色模型進行預測，當預測值超過容限值時，可認為陀螺失效，即壽命終止，從而預測出陀螺儀的壽命來。
在進行壽命預測時，需要確立隨機漂移和振動有效值的容限值。在此實施例中定義隨機漂移參數的兩倍標稱值為容限值，如此實施例中隨機漂移為0.05deg./h的陀螺，當其預測的隨機漂移值超過0.1deg./h時，判斷陀螺儀失效，壽命終止；對于振動有效值，定義其標稱值即為容限值。
根據100天隨機漂移所建立的灰色模型進行陀螺儀的壽命預測，隨著時間的推移，當預測值超過隨機漂移容限值時，即可認為陀螺儀失效。此時預測的的陀螺儀失效時間為38,150小時，即即其所能達到的壽命為38,150小時。
同樣，根據100天振動有效值所建立的模型進行陀螺儀壽命預測，隨著時間的推移，當預測值超過振動有效值的容限值時，即可認為陀螺儀失效。此時預測的陀螺儀失效時間為35,496小時，即其所能達到的壽命為35,496小時。
(6)比較這兩個壽命預測值，數值小的則為此動調陀螺儀的壽命。則在此實施例中，陀螺儀的壽命為35,496小時。
權利要求
1.一種基于灰色模型的動調陀螺儀壽命預測方法，其特征在于包括以下步驟(1)測試采集動調陀螺儀的振動、漂移和環境溫度數據作為壽命預測參數，衡量振動的指標用振動有效值；(2)采用徑向基神經網絡的方法擬合一個關于漂移和環境溫度，以及振動有效值和環境溫度的關系表達式，根據所得到的關系表達式，在實際測試值中去除由于環境溫度所引起的那部分漂移和振動有效值，得到只和時間相關的漂移值和振動有效值，再對漂移數據求均值得到漂移常值項，減去此漂移常值項，得到隨機漂移值；(3)采用道貝切斯Daubechies緊支撐雙正交小波，運用馬勒特Mallat分解算法分別提取出隨機漂移和振動有效值的趨勢項；(4)從振動有效值和隨機漂移值的趨勢項中提出緩變增長的100～130天的數據，分別建立灰色單變量一階模型，即GM(1，1)模型；(5)定義隨機漂移值和振動有效值的標稱值或兩倍標稱值為容限值，分別用建立好的隨機漂移值和振動有效值的灰色GM(1，1)模型進行壽命預測，當預測值超過容限值時，則認為此陀螺儀失效，壽命終止；(6)將壽命終止時的隨機漂移預測值和振動有效值預測值進行比較，取其中數值小的為動調陀螺儀預測的壽命。
全文摘要
本發明涉及一種基于灰色模型的動調陀螺儀壽命預測方法，通過對壽命測試期間的振動有效值、隨機漂移和環境溫度參數的數據采集，并運用徑向基神經網絡進行預處理，去除環境溫度對振動有效值和漂移的影響，再減去漂移常值項，得到只和時間相關的隨機漂移數據和振動有效值數據，然后采用小波變換提取出振動有效值和隨機漂移的趨勢項，對它們的趨勢項分別建立灰色單變量一階模型，當預測值超過性能參數容限值時，認為動調陀螺儀失效，預測的兩個壽命值中，數據小的則為動調陀螺儀的壽命。本發明利用壽命試驗期產品的性能參數來預測壽命，揭示性能參數與動調陀螺儀壽命的規律，簡單易行，經濟可靠。
文檔編號G01N35/00GK1587989SQ20041005286
公開日2005年3月2日 申請日期2004年7月15日 優先權日2004年7月15日
發明者樊春玲, 金志華 申請人:上海交通大學