風洞控制系統測試性的優化

陳天毅 陳旦 張永雙 李樹成

摘 要 現有風洞控制系統在設計過程中對測試性考慮較少，不便于系統的故障診斷，降低了風洞的效能，因此，通過對風洞控制系統的功能和結構進行分析，建立其系統級測試性模型，并對模型進行測試性分析，為測試性設計和故障診斷策略研究打下基礎。

【關鍵詞】測試性分析 測試性模型 控制系統 風洞

測試性（Testability）影響裝備的可用性、可靠性和維修性，因而是影響裝備戰備完好性的重要因素。測試性良好的系統，能夠減少裝備維修保障過程中的繁瑣而雜亂的維修活動，縮短故障檢測和診斷的時間，降低對維修人員的技能要求。

風洞控制系統，作為確保整個風洞運行的基礎，具有重要的作用，它包含多個工控機、PLC以及人機操作系統等多個設備，具有結構復雜，器件繁多，涉及面廣等特點。而目前風洞控制系統在研制階段對故障診斷考慮較少，（往往僅在智能部件或者網絡節點處增加了故障自檢能力）導致控制系統故障診斷效率低，經費高，降低了風洞的效能。因此，必須重視風洞控制系統的故障檢測和故障診斷能力的提升，而只有從控制系統研制開始就進行測試性設計，才能從根本上解決這個問題。

1 測試性分析及診斷策略優化理論

目前，基于相關性模型的測試優化設計方法成為國內外研究的熱點，測試性分析是測試性設計的關鍵。測試性分析主要用于解決導致診斷能力降低的系統拓撲邏輯缺陷。測試性分析結束后可以得到模型的測試性參數，將這些參數與系統測試性指標要求比較，分析是否滿足指標和實際需要，如果不滿足，需要對故障模糊組、不可檢測故障、冗余測試、反饋回路等內容進行分析，并考慮修改系統測試方案和調整測試性模型。風洞控制系統測試性分析流程為：首先對控制系統進行相關性建模，得到相關性矩陣，然后通過測試性分析該系統的測試性指標是否滿足要求，如果滿足則可以進行診斷策略優化設計，如果不滿足則需要考慮改進系統結構，直到滿足測試性指標為止。

據統計，在實際系統中，電子設備發生單故障的概率是故障總數的70%-80%，發生多故障的概率較低，且一些多故障往往又是相互聯系的，因此多故障可以看作單故障的簡單組合，另外，一般來說多故障更多表現在衛星等長時間在太空運行而無人維護的航天器上，對于風洞等定期維護的設備來說以單故障結論居多。因此，本課題主要針對單故障情況進行研究。

2 風洞設計的測試性研究

風洞類型不同，各測控分系統也不同，課題以某型連續式風洞為例進行研究。為了準確的隔離故障，需要將系統劃分成較小的現場可更換單元。綜合考慮結構、電氣性能、復雜程度、可靠性及費用等因素，風洞控制系統按照功能可以劃分成圖1所示單元。

為了便于精確地隔離故障，要求盡可能的提高故障隔率，因此，需要對各子系統進行更詳細的功能劃分，為便于描述，以圖2的增壓排氣控制系統為例，本課題按照故障檢測率（Fault Detection Rate，FDR）為100%對其進行測試性初步設計。由于電機驅動裝置和閘閥本身具有故障報警（到位指示）的功能，所以不需要對其額外添加測試點，從而得到系統相關性模型如圖3所示。

該測試性模型建立的前提是：

（1）風洞洞體及結構故障率低，所以忽略其所帶來的采集參數的故障；

（2）PLC失效為增壓排氣系統的小概率事件，所以也不考慮；

（3）忽略線端（線路的接觸不良，短路，斷路）故障。

增壓排氣控制系統測試性模型要素如表1。

由測試性模型可以看出，該系統包含兩個回路，當其中的某個單元發生故障將在回路中循環傳播，從而產生故障模糊組。按照多回路系統理論，需要斷開其中的公共邊，因此，綜合費用和復雜度等因素，在PLC和AO模塊之間中斷反饋回路，同時注入正常的計算機輸出值給AO，利用相關性模型算法，得到中斷后增壓排氣控制系統測試性模型相關性矩陣如表2所示。

對表2進行測試性分析，發現存在故障模糊組{f2、f3}，但是由于在設計中對不同閘閥考慮了到位指示的報警功能，所以借助其能夠隔離此模糊組。這樣就得到了增壓排氣控制系統的故障測試相關性矩陣，對其進行分析，得到系統的FDR為100%，故障隔離率（Fault Isolation Rate，FIR）為100%，滿足測試性設計指標要求，因此，可利用其進行下一步的診斷策略優化設計。

3 風洞設計的測試性改進

通過上述分析，為了提高測試性設計指標，同時減少改進風險，并降低維修保障成本，需要考慮一下方面以增強測試性水平，主要包括：

（1）盡可能選用智能型部件，即包含報警或者機內自檢功能，這樣能夠減少增加測試點所帶來的第三方的可靠性風險。

（2）避免電磁或者其他因素干擾帶來的失效或者功能故障。

4 結論

本文對風洞控制系統建立了測試性模型，并進行了測試性分析，依據風洞的功能特性，綜合考慮診斷費用和測試性指標要求，通過合理配置測試點（測試接口），能夠基本滿足故障檢測率和故障隔離率指標要求。同時，由于測試點配置越多，得到的測試性指標越高，但是費用和可靠性風險也就越大，所以也需要根據實際診斷的需要，對指標和測試點數進行綜合權衡，以達到最大的診斷效率。

參考文獻

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作者簡介

陳天毅（1966-），男，重慶市開縣人。碩士學位。高級工程師。四川綿陽中國空氣動力研究與發展中心4所。機電一體化專業。

陳旦（1986-），男，四川省鄰水縣人。碩士學位。工程師。四川綿陽中國空氣動力研究與發展中心4所。自動控制專業。

張永雙（1976-），男，四川省蓬溪縣人。碩士學位。工程師。四川綿陽中國空氣動力研究與發展中心4所。自動控制專業。

李樹成（1979-），男，河南省太康縣人。碩士學位。工程師。四川綿陽中國空氣動力研究與發展中心4所。液壓控制專業。

作者單位

中國空氣動力研究與發展中心 四川省綿陽市 621000