論彈藥自動裝填子系統(tǒng)動作可靠性與故障診斷分析

唐茂華

（湖南國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411207）

1 火炮彈藥自動裝填系統(tǒng)概述

彈藥自動裝填系統(tǒng)是火炮武器系統(tǒng)當中十分重要的組成部分，其一方面可有效加快火炮的速度，增強火炮的威懾性，另一方面也在一定程度上轉(zhuǎn)變了以往火炮結(jié)構(gòu)以及作戰(zhàn)的方式，且在火炮發(fā)展中，彈藥自動裝填也成為了當前科技現(xiàn)代化的重要體現(xiàn)。彈藥自動裝填系統(tǒng)主要由自動彈倉、彈藥協(xié)調(diào)器、輸彈機和檢測與控制子系統(tǒng)構(gòu)成。其中，自動彈藥倉能夠完成彈藥的自動裝卸、貯存，并且還可將其傳遞到彈藥協(xié)調(diào)器上，這里的彈藥協(xié)調(diào)器主要的作用是接收彈丸和裝藥模塊，并將其輸送到炮尾的后方，之后再將其與炮膛軸線對齊校正。另外輸彈機能夠從炮尾輸入炮膛，同時還可自動檢查其在任意位置的準確性。

檢測與控制子系統(tǒng)主要的功能效用就是將獲取信息實行全方位的檢測，并第一時間發(fā)送動作指令。另外彈藥裝填是較為復(fù)雜的工作，首先要完成選彈和推彈，彈倉應(yīng)轉(zhuǎn)動一定彈距，由推彈器將彈藥送入?yún)f(xié)調(diào)器，之后還要利用協(xié)調(diào)器將彈藥向火炮射角協(xié)調(diào)，接著協(xié)調(diào)器上的擺彈裝置再旋轉(zhuǎn)托盤和彈丸，彈丸通過輸彈機送入炮膛。之后，輸彈機再進行收鏈操作，擺彈返回時托彈盤需回到原始的位置。最后是協(xié)調(diào)返回，即協(xié)調(diào)器必須返回到接彈口的位置。該過程的任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障都會直接導(dǎo)致任務(wù)的失敗。因此要對彈藥裝填進行建模處理，并且還要對故障進行全方位動態(tài)的分析與診斷。

2 彈藥裝填系統(tǒng)典型子系統(tǒng)動作可靠性評估及優(yōu)化

動作可靠性主要指的是機械系統(tǒng)定位在規(guī)定精度內(nèi)的概率。該系統(tǒng)的可靠性評估與其他機械有著諸多相似之處，但是其也有區(qū)別于其他機械可靠性評估的方面。

首先，在該系統(tǒng)的可靠性分析中，主要以不確定性傳播分析和機械動作誤差分析為主要的基礎(chǔ)和前提。其次，失效的條件不能滿足動作性能指標的要求，雖然一些指標在沒有滿足標準要求的情況下，也不會造成故障或損壞，但其也會被列入到危險因素之中。再次，在系統(tǒng)運行的過程中，動作的可靠性是人們最為關(guān)注的內(nèi)容，這主要是由于運動性對特殊性設(shè)備的研究具有不可忽視的影響力，但從實際角度分析，系統(tǒng)動作的可靠性與其他設(shè)備相比，依然存在較為明顯的不足。

為了保證系統(tǒng)的每個部分均得以正常運轉(zhuǎn)，對所有操作的運動精度指標都做出了較為明確的規(guī)定，且為了讓彈藥裝填的順利完成，每個動作都必須符合指標的要求。這就是本文章所說的動作可靠性。如在協(xié)調(diào)動作中，就對協(xié)調(diào)定位的精度指標做出了十分明確的規(guī)定。如果協(xié)調(diào)定位的誤差超出規(guī)定范圍，雖然對協(xié)調(diào)動作并無明顯影響，但對后續(xù)的輸彈環(huán)節(jié)會產(chǎn)生較為顯著的負面影響。比如，輸彈時可能會出現(xiàn)彈丸與身管中心偏離，進而影響輸彈速度；或者彈丸卡膛無法到達指定位置，從而無法完成彈藥的裝填和火炮發(fā)射工作。

此外，動作失效與運動誤差的不確定性有著十分密切的聯(lián)系，系統(tǒng)內(nèi)多種不確定因素都是運動誤差的主要來源，而我們將不確定性因素稱之為不確定性參數(shù)。為了有效完善可靠性評估的效果，增強彈藥填裝動作的可靠性，在設(shè)計中需要科學(xué)選擇設(shè)計變量，同時還要優(yōu)化動作的可靠性。為了有效減少優(yōu)化設(shè)計中所消耗的時間和資金，需要相關(guān)人員采用科學(xué)有效的優(yōu)化設(shè)計方式。

3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)背景下的故障診斷的方法

診斷機主要指的是獲得樣本和特征參數(shù)之后，所創(chuàng)建的特征參數(shù)到不確定性變量之間的映射，從本質(zhì)上來看，其屬于監(jiān)督回歸問題。在故障判斷中，機器學(xué)習(xí)是一種當前比較先進，而且大眾也相對認可的方法。支持向量機以及RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常是人們的首選，雖然RBF的優(yōu)勢較為明顯，但是因為其與其他的技術(shù)相比還不是十分創(chuàng)新，所以也有一些負面評價。BP網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練時容易出現(xiàn)局部極值，再加上其收斂的速度不是很快，且逼近精度上也存在著明顯的不足。

本文所研究的是復(fù)雜度較低的機器學(xué)習(xí)問題，不需要大容量的樣本，所以對學(xué)習(xí)速度并無非常嚴格的要求，因此可以用BP網(wǎng)絡(luò)來解決這一問題。

BP網(wǎng)絡(luò)主要是指采用多層感知機結(jié)構(gòu)和反響傳播訓(xùn)練算法的網(wǎng)絡(luò)，單向感知機的結(jié)構(gòu)見圖1。其中，Xi表示感知器輸入，wi表示輸入權(quán)值，b表示偏置，a表示輸出，z為加權(quán)和表示激活函數(shù)，為單個感知機函數(shù)。另外多層次的感知機網(wǎng)絡(luò)主要指的是具有前后次序的多層次結(jié)構(gòu)，每一層當中都涵蓋多個感知機，上一層的輸出可直接作為下一層感知機的輸入。在多層感知機中，表示第l層上的神經(jīng)元i到i+1層上神經(jīng)元j的權(quán)值。bi(l)表示第l層上的神經(jīng)元i的偏置值，表示的是第l+1層上的神經(jīng)元j的輸出值，而則表示l+1層上神經(jīng)元j的加權(quán)和。

圖1 單個感知機

假設(shè)容量為N的樣本集{(X1,Y1），（X2,Y2）…，（XN,YN）}，W、b為網(wǎng)絡(luò)權(quán)值矩陣和偏置矩陣，可采用樣本輸出均方網(wǎng)速差的方式，來判斷網(wǎng)絡(luò)的準孔性及可靠性。

式中：netW，b（Xn）表示輸入向量為Xn的網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練實際上涉及到了優(yōu)化設(shè)計的問題，應(yīng)科學(xué)選擇W、b，從而保證g（W，b）達到最小值，并且為了更好地展示最終的效果，可選擇梯度下降法來更新W和b。

式中：α表示學(xué)習(xí)速率，并采用鏈式微積分法來計算偏導(dǎo)數(shù)得到：

則（3）式可變?yōu)椋?/p>

針對隱藏層l可依據(jù)l+1層的結(jié)果來計算，則得出：

在計算的過程中可由最后一層推算出前一層，這也是該算法被稱作反向傳播的重要原因。在計算后可得出全部敏感性系數(shù)，從而結(jié)束所有的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練環(huán)節(jié)。在這一過程中需要注意的一點是，（1）式并不是凸函數(shù)，因此其可能出現(xiàn)局部極值。因此在BP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，我們也應(yīng)根據(jù)實際情況，選擇最佳的改進版本。除此之外，在抽樣、仿真、特征提取和計算的過程中，輸入是一種具有不確定性的變量，輸出的是特征參數(shù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與其方向恰好相反。特征函數(shù)是輸入的主要內(nèi)容，其輸出的是不確定性變量。因此在診斷時，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練實際上就是求反函數(shù)的過程。

4 結(jié)語

結(jié)合上述所說，彈藥自動填裝系統(tǒng)的可靠性直接決定了系統(tǒng)的運行質(zhì)量及整體運行水平，故而人們必須加大對系統(tǒng)可靠性的重視程度。又因為系統(tǒng)運行中由于受到多種因素的影響，經(jīng)常會出現(xiàn)不同類型的故障，而為了保證系統(tǒng)運行的安全可靠性，需要相關(guān)人員采取有效措施，做好系統(tǒng)的故障診斷分析工作，這樣才能有效維護系統(tǒng)的平穩(wěn)運行，最大限度的增大工作的安全系數(shù)。