一种喷水推进装置控制系统测试点设计方法与流程

本发明涉及一种喷水推进装置控制系统测试点设计方法，尤其涉及一种喷水推进装置控制系统模拟电路故障诊断测试点设计方法，属于模拟电路故障诊断。

背景技术：

1、喷水推进装置作为一种新型动力推进方式，已广泛应用于多种舰船推进装备中。典型的喷水推进装置主要由机械系统、控制系统、液压系统三部分组成，其中控制系统为电气单元。受使用强度、频次和工作环境等影响，使得控制系统中一系列因部件疲劳引起的性能退化和故障问题出现，例如元件损坏、电气性能下降、线路故障等，导致喷水推进装置线路角度与实际位置有偏差、操控不动作、操控不到位等。故障发生时，虽然通过切换到手动应急控制模式、重启控制系统、派技术人员更换相关计算机板等措施大部分已经得到了解决，但仍有一些故障原因是间接偶发且无法复现，很难分析和定位故障的真正原因，在一定程度上既给舰艇航行安全带来了危险，也降低了舰艇的在航能力，提高喷水推进装置控制系统故障诊断能力迫在眉睫。

2、测试点设计是进行故障诊断的关键步骤之一，只使用输出端节点作为测试点可能导致测试准确率低，不能满足正常需求；由于喷水推进装置控制系统规模较大、节点数量较多，若使用全部节点作为测试点，将造成增大测试成本和时间开销。随着故障在系统中传播，不同测试点的测试代价与对故障的分辨能力不同，进行合理的测试点集合设计，保证在最少的测试点数下最能够区分出系统工作状态。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：如何提高测试准确率低，并保证在最少的测试点数下最能够区分出系统工作状态。

2、为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种喷水推进装置控制系统测试点设计方法，其特征在于，所述的喷水推进装置控制系统由多块功能电路级联而成，针对喷水推进装置控制系统的系统电路，设计由元器件级至电路级的逐级测试点布置方法，喷水推进装置控制系统测试点设计方法包括如下步骤：

3、步骤1、搭建喷水推进装置控制系统仿真模型，注入故障模式；

4、步骤2、将喷水推进装置控制系统的系统电路中可引出的所有节点作为待选测试点，通过蒙特卡洛分析获取多组对应的脉冲响应信号；

5、步骤3、分别对所有信号进行多级小波包分解，重构得到不同频带上的小波包系数，计算最后一层每个小波包系数的能量，组成能量向量；

6、步骤4、基于改进故障字典法构建系统电路的元器件级故障字典编码表；

7、步骤5、进行最优测试点集合的选择；以隔离所有故障类型为标准，从故障编码表中选择测试点构成最优故障字典；

8、步骤6、进行电路级测点布置，在每块功能电路中，基于元器件级编码故障字典表的基础，以用最少的测试点区分当前电路是否发生故障为标准进行筛选；在元器件级编码故障表中，当所有故障行向量均不与正常状态的行向量相等时，认为是否发生故障是可区分的。

9、优选地，所述的步骤3中，经过小波包能量变换得到的能量向量包含了信号在时域、频域及时频域的特征，能更全面描述信号的特性。

10、优选地，所述的步骤1中，搭建喷水推进装置控制系统仿真模型是利用通用电路分析程序软件进行搭建。

11、优选地，所述的步骤3中，对信号进行小波包分解通过如下公式所示，

12、

13、其中j代表尺度指标，n代表频率指标，l代表变量，i代表位置指标，和代表多分辨率滤波器系数，表示信号f(t)在某一子空间上的小波包系数，和分别表示的两个子空间和上的小波包系数；

14、小波包系数的重构算法如下式所示；

15、

16、优选地，所述的步骤3中，设将原信号进行m层小波包变换，能得到2m个小波包系数；设第m层的小波包系数向量为经过所有小波包系数的重构后，得到重构信号向量重构信号dmo的能量emo如下式示，

17、

18、其中，m是小波包变换层数，o表示小波包系数的序号(o＝0,1,…,2m-1)，信号采样点数为q，c表示第m层中每个小波包系数的点数，c＝q2m，dmoq表示第o个重构信号的第q点的幅值。

19、优选地，所述的步骤3中，求出2m个小波包重构信号的能量向量经过归一化处理，得到小波包能量特征向量

20、

21、优选地，所述的步骤5中进行最优测试点集合的选择包括以下步骤：

22、步骤5-1-1、设最优测点集sopt置空，备选测点集sc包含故障字典中所有测点；

23、步骤5-1-2、从sc中取出qj最大的测点vj放入sopt中，其中qj为测点vj能隔离的故障总数，即模糊组数；

24、步骤5-1-3、检查加入vj后的sopt是否能隔离所有故障，如果是则结束；

25、步骤5-1-4、将sopt中所有测点能隔离的故障从故障字典中删除；

26、步骤5-1-5、计算sc中所有测点的qj值，此处的qj值由vj和sopt一起确定的，并返回步骤5-1-2；

27、步骤5-2-1、结合聚类的ch指标评价测试点集合选择效果，ch指标基于类内和类间方差的比值定义第k类的内部聚类效果，bk是类内离散度矩阵，wk是类间离散度矩阵，n为样本数量，k为类别数量；

28、

29、步骤5-2-2、以测试点集合的平均ch值进行衡量，其数值越大表示聚类结果的紧密度、分离度越好，模糊组划分效果越好，其中b为集合中实际测试点数量；计算测试点集合的平均ch值的公式如下：

30、

31、步骤5-2-3、分别计算最优测试点集合与全部测试点集合的平均ch值，若最优测试点集合的数值较大，则说明测试点设计结果合理。

32、优选地，所述的步骤4中，为获取更多故障信息，在离线情况下使用频率成分丰富的脉冲信号激励待测系统电路；由于电路的脉冲响应幅度成分复杂不利于确定故障的固定可分阈值，提出故障字典法改进算法，使用特征聚类结果指导模糊组划分，代替阈值设置。

33、优选地，所述的步骤4中，基于改进故障字典法构建系统电路的元器件级故障字典编码表的步骤如下：

34、步骤4-1、对所有测试点，分别首先列出多种故障模式的全部能量向量；

35、步骤4-2、为避免给每种故障模式分配独立类别导致故障字典过于复杂的问题，将特征无明显差异的某些故障模式划分至同一个模糊组，同一个模糊组内的故障在该测试点处不可区分；birch聚类算法通过cf树的层级结构和聚类特征的压缩与分裂操作，实现了高效的聚类过程，单独对每个测试点的能量特征集进行birth层次聚类；

36、步骤4-3、整理所有测试点模糊组划分情况，获取该系统电路下的故障编码表。

37、优选地，所述的步骤4-2的操作包括以下步骤：

38、步骤4-2-1、首先选择一个样本向量产生第一个cf，然后逐个加入向量并更新cf树的结构；cf树是多叉树，每个节点代表一个cf，包含特征向量信息和对应的聚类统计信息；

39、步骤4-2-2、为了减小cf树的规模和提高聚类效率，在向cf树中加入新的cf时检查是否存在相似的cf，若存在，则合并为一个新的cf，cf间的相似性通过计算特征向量之间的欧氏距离以及设置阈值实现；

40、步骤4-2-3、当cf树的节点数量达到阈值或节点无法再合并时，进行聚类分裂。将cf树的节点进行划分，生成新的子节点，并根据一定的标准选择合适的数据点放入子节点中；

41、步骤4-2-4、遍历cf树的叶节点，将聚类簇作为最终的聚类结果生成；

42、步骤4-2-5、规定每种故障模式下包含数量最大的聚类类型为模糊组类别，并对模糊组进行编号。

43、本发明提出一种喷水推进装置控制系统测试点设计方法，由元器件级至电路级逐级完成系统测试点布置。由于目前较常见的基于整数编码表的方法仍然存在易受噪声影响、难以适用于大型复杂电路、需要人为设置部分参数等问题，导致确定的测试点设计结果鲁棒性与泛化性较差且不适合推广使用。本发明在离线情况下使用频率成分丰富的脉冲信号激励系统电路，并考虑到电器元件存在的容差问题，采用蒙特卡洛方法进行多次重复采样，保留了测点对应的更多故障特征信息，且降低了噪声导致设计过程鲁棒性差的影响；基于聚类构建整数编码表，不再依赖电路传递函数与人为设置的故障阈值，解决了模糊组划分难的问题，且同样适用于大型复杂电路。

44、与现有技术相比，本发明具体具有如下优点：

45、(1)使用脉冲信号激励被测电路获取幅值成分丰富且连续变化的响应信号构建故障字典，保留更多的故障特征信息；

46、(2)以聚类结果实现脉冲响应信号的模糊组构建，同时降低了人为设置电压阈值对模糊组划分效果的影响；

47、(3)完成由元器件级至电路级的测试点布置，实现以最少测试点下全部故障模式的区分，有助于提升控制系统后续实施故障监测与故障诊断任务的性能。