[發明專利]一種基于率模可靠性理論的航天器健康評估方法

有效

• 申請號: 201310311481.3
• 申請日: 2013-07-23
• 公開（公告）號: CN103425874A
• 公開（公告）日: 2013-12-04
• 發明（設計）人: 蔡開元;趙振巖;趙峙堯;全權;金迪;張香燕;李學東
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學;北京空間飛行器總體設計部
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

1.一種基于率模可靠性理論的航天器健康評估方法，其特征在于：該方法具體步驟如下：

步驟一：航天器運行狀態空間劃分

航天器系統的隸屬度μ∈[0,1]，將航天器系統的隸屬度在區間[0,1]上進行狀態劃分，依照需要劃分為若干狀態{S₁,S₂,…,S_n}，每一狀態對應相應的隸屬度μ取值范圍為：

步驟二：設計航天器狀態轉移概率矩陣計算方法

計算狀態轉移概率需要知道航天器運行的健康狀態空間{S₁,S₂,…,S_n}和各采樣時刻的健康狀態隸屬度μ(k)(k=0,1,2,…)；航天器健康狀態空間是指通過專家經驗劃分的航天器運行的模糊狀態集合組成的，健康狀態隸屬度μ是指通過航天器各個模糊狀態隸屬度函數得到的；本計算方法是在{S₁,S₂,…,S_n}和μ(k)已知的前提下進行的航天器狀態轉移概率矩陣的計算；

假設航天器的運行狀態空間為{S₁,S₂,…,S_n}，S(k)∈{S₁,S₂,…,S_n}表示航天器第k次采樣時的運行狀態，p_ij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,n)表示航天器系統由狀態S_i轉移到狀態S_j的概率，由轉移概率p_ij組成一個矩陣

P=p11p12···p1np21p22···p2n············pn1pn2···pnn]]>

稱為狀態轉移概率矩陣；

選擇采樣時間窗口為T_w=N.T，采樣周期為T，在時間窗口T_w內進行N+1次采樣，根據航天器的遙測參數將航天器各采樣時刻的運行狀態S(k)∈{S₁,S₂,…,S_n}進行統計記錄，并對相鄰時刻的航天運行狀態轉移進行統計記錄，設航天器運行狀態由S_i(i=1,2,…,n)轉移到狀態S_j(j=1,2,…,n)的次數為m_ij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,n)，則時間窗口T_w內航天器運行各狀態S_i出現的總次數分別為則航天器的狀態轉移概率矩陣P計算方法為：如果某個狀態S_i在時間窗口T_w內始終沒有出現過，則令p_ii=1,p_ij=0(i≠j)，至此就獲得了狀態轉移概率矩陣P；

其它時刻的航天器狀態轉移概率矩陣P的求法與上述方式相同，只是時間窗口T_w向下一采樣時刻進行移動，并始終保持時間窗口T_w內有N+1次采樣點；

步驟三：設計航天器穩態概率計算方法

穩態概率是用來計算率模可靠度的重要參數，它描述了系統最終穩定在某一狀態S_i的概率，對應于系統的若干狀態{S₁,S₂,…,S_n}，系統的穩態概率為一個向量[p₁,p₂,…,p_n]^T，p_n對應于狀態S(k)=S_n，表示系統穩定在狀態S_n的概率；

這里采用一種隨時間窗口移動的穩態概率計算方法，選取的求解狀態轉移概率矩陣P的時間窗口為T_w=N.T，系統遙測參數的采樣周期為T，隨時間窗口T_w移動的穩態概率計算方法為：用T_w=N.T內的狀態轉移概率矩陣P，計算得到系統當前時刻的穩態概率[p1,Tw(k),p2,Tw(k),···,pn,Tw(k)]T;]]>

由穩態概率的性質，令X=[p1,Tw(k),p2,Tw(k),···,pn,Tw(k)]T,]]>則

(PT-In)X=0Σi=1npi,Tw(k)=10≤pi,Tw(k)≤1---(1)]]>

其中：I_n表示n×n的單位陣；

解(1)采用求解矩陣最小特征值對應的特征向量的方法，令A=(P^T-I)^T(P^T-I)，利用Matlab2009b環境下的.m文件編程求取矩陣A的最小特征值對應的特征向量，為

X′=[p1,Tw′(k),p2,Tw′(k),···,pn,Tw′(k)]T;]]>

由公式(1)中可知穩態概率的約束條件為令pi,Tw(k)=|pi,Tw′(k)|/Σi=1n|pi,Tw′(k)|,]]>得到新特征向量為X=[p1,Tw(k),p2,Tw(k),···,pn,Tw(k)]T,]]>這就是航天器最終的穩態概率；

步驟四：設計航天器系統率模可靠度估計方法

航天器健康評估中，系統率模可靠度是進行航天器健康等級確定的基礎，所設計的航天器系統率模可靠度計算方法為

R^Tw(k)=p1,Tw(k)μ1+p2,Tw(k)μ2+···+pn,Tw(k)μn---(2)]]>

其中：

表示k.T時刻航天器系統率模可靠度的估計值；

表示k.T時刻航天器系統各狀態S_i的穩態概率；

μ_i(i=1,…,n)表示航天器系統各狀態S_i的隸屬度μ取值區間的標稱值；

其中μ_i表示的為航天器系統狀態隸屬度μ區間的標稱值，是一常量；假設系統在狀態S₁的隸屬度范圍為μ∈[0.3,0.6)，則令μ₁=(0.3+0.6)/2=0.45；是通過上述第三步得到的航天器健康狀態穩態概率；為k.T時刻航天器系統率模可靠度的估計值，且越接近1表示航天器越健康，反之，航天器越不健康；

步驟五：設計航天器健康等級級別確定方法

按照專家經驗將航天器系統進行健康等級劃分，按照實際需求劃分為合理的等級段，估計不同等級航天器率模可靠度的取值范圍，由第四步中獲得的航天器率模可靠度估計值進行航天器健康等級率模可靠度比較就得知當前航天器所處的健康級別；

步驟六：設計航天器系統平均模糊故障時間MTFF計算方法

在第四步中求得了航天器在時間窗口T_w內的率模可靠度估計值航天器的平均模糊故障時間計算方法為

MTFF(k)≈R^Tw(k)·t0]]>

其中：

MTFF(k)表示k.T時刻航天器系統的平均模糊故障時間；

表示k.T時刻航天器系統率模可靠度的估計值；

t₀表示航天器系統的設計壽命；

步驟七：設計結束

整個設計過程重點考慮了三個方面的健康評估需求，分別為航天器系統的率模可靠度，航天器健康等級和航天器的平均模糊故障時間；圍繞這三個方面，首先在上述第一步給定了航天器的運行狀態空間劃分；第二步中給定了航天器狀態轉移概率矩陣的計算方法；第三步給定了航天器穩態概率的計算方法；第四步給定了航天器率模可靠度的估計方法；第五步中給出了航天器的健康等級評判標準確定方法，這個條件根據獲得的航天器率模可靠度估計值判別當前航天器所處的健康級別；第六步中給出了航天器的平均模糊故障時間估計方法；經上述各步驟后，設計結束。