基于性能退化模型的空间电子学设备加速寿命试验研究与应用

对基于Arrhenius模型、Norris-Landzberg模型和Peck模型等模型的加速寿命试验理论进行了简要阐述,针对空间应用系统空间电子学设备可靠性特点和加速寿命试验难点,提出了一种基于性能退化模型的电子学整机系统加速应力试验方法,最后给出了实例,为减少试验设计中的不确定性因素提供了一种新的思路。     

基于半随机滤波-期望最大化算法的剩余寿命在线预测

剩余寿命(RL)预测是设备预测维护的关键环节。准确在线预测能够为维护策略的实时安排提供更加精确的技术支持,有效避免失效的发生。工程实际中,反映设备退化过程的性能指标往往不能直接监测,为解决隐含退化过程的剩余寿命在线预测问题,提出一种基于半随机滤波-期望最大化(EM)算法的预测方法。首先以剩余寿命为隐含状态,构建状态空间模型描述直接监测数据与设备剩余寿命间的随机关系。为实现单个设备剩余寿命的在线预测,依据到当前时刻为止的监测数据,采用扩展卡尔曼滤波(EKF)与期望最大化算法相互协作的方法实时估计与更新模型未知参数和剩余寿命分布。最后,将该方法用于惯性测量组合(IMU)剩余寿命在线预测问题,实验结果表明该方法能够提高预测的准确性并减少预测的不确定性。     

基于面积度量的加速退化试验可信性评价方法

针对已有方法难以定量给出产品加速退化试验(ADT)结果可信程度的问题，以正常应力下的试验数据为基准，基于面积度量思想提出了一种加速退化试验结果可信性的定量评价方法。基于加速退化试验数据和基准数据的概率分布距离，构建了加速退化试验可信性的面积度量指标，在此基础上，提出了一种归一化、无量纲的加速退化试验可信度指标CIA,并基于时间重要度的概念将多个单点的CIA综合成一个可反映整个产品加速退化试验可信性的指标。实例分析表明，新指标可以让设计师和决策者直观评判产品加速退化试验结果的可信程度，方便横向对比不同产品的加速退化试验结果的优劣；所建立的新指标适用于基准数据大样本、小样本、极小样本等不同情况，具有良好的通用性。     

改进 PSO-RBFNN算法在退化型产品寿命预测中的应用

针对部分高可靠性产品退化规律无法掌握的难题,提出了使用改进粒子群优化—基于神经网络函数(PSO-RBFNN)算法拟合样品退化轨迹、预测伪寿命值的方法。首先,通过改进PSO算法对RBFNN进行训练优化;然后,使用部分测量数据对训练后的RBFNN进行准确度测试;最后,通过RBFNN预测样品退化轨迹,估计出伪寿命值。使用某型电连接器的加速退化试验数据对提出的方法进行了试验验证,成功对该型电连接器进行了寿命预测,得出平均寿命为200 412 h。     

潜在故障期内航空发动机的剩余寿命预测

在航空发动机的潜在故障期内,状态参数的变化规律可以间接地预测发动机的剩余寿命。针对潜在故障期内的特点,利用随机滤波理论建立了航空发动机的剩余寿命预测模型,并采用K-M法检验发动机性能参数的退化数据服从威布尔分布,按照最优线性无偏估计的点估计方法和极大似然函数法对相关参数进行点估计,举例对某型航空发动机在潜在故障期内的剩余寿命进行了预测。模型有效地预测了航空发动机的剩余寿命,为航空发动机的视情维修提供了决策依据。     

电子设备故障预测与健康管理技术发展新动态

电子设备是各类航空、航天等高新技术装备必不可少的重要组成部分。与机械类设备存在明显退化状态征兆不同，电子设备退化状态无明显的外在表现，尚无有效征兆对其状态进行刻画，对其进行故障预测与健康管理存在一定的困难。针对该问题，梳理了电子设备故障预测与健康管理技术的基本概念和内涵，介绍了电子设备故障预测与健康管理技术的国内外研究现状，分析了当前复杂电子设备故障预测与健康管理技术面临的挑战和对策。在此基础上，结合未来复杂电子设备新特点及该领域最新研究进展，从基于间歇故障特征的健康状态表征、面向故障预测与健康管理的测试性设计和多源特征融合的健康状态评估等方面，提出了电子设备故障预测与健康管理技术发展的新方向。     

基于退化模型的失效机理一致性检验方法

有效的加速试验必须保证产品的失效机理不变。针对加速退化试验(ADT)可靠性建模的特点,提出了一种基于退化模型的失效机理一致性检验方法。以基于随机过程和基于退化轨迹拟合的退化模型为例,通过加速系数的2种等效定义分别建立了模型参数与失效机理不变的内在联系,进一步推导出其参数在不同应力下须满足的关系。在合理假定检验样本服从正态分布的基础上,利用t统计量对样本的一致性进行检验。通过2个ADT实例验证了所提检验方法的合理性与可行性。     

基于风扇退化的涡扇发动机寿命衰减双参数评估方法研究

由于涡扇发动机不同单元体之间存在耦合性,采用单一性能退化参数预测发动机剩余寿命明显是不全面的。本文根据风扇故障导致涡扇发动机退化机理,引入Frank Copula函数描述二元性能参数之间的相关性,并且采用二元非线性Wiener过程来构建性能退化模型,然后基于MCMC (Markov Chain Monte Carlo)方法进行模型参数估计,实现涡扇发动机剩余寿命预测。最终,通过涡扇发动机的仿真数据集来验证该方法的适用性。证明基于Copula函数的二元非线性Wiener过程建模为发动机剩余寿命预测提供了理论基础和技术支持。     

基于混合系统粒子滤波和二元估计的故障预测算法

针对一类故障预测问题提出了一种基于粒子滤波的故障预测算法。在算法的状态估计阶段,采用混合系统粒子滤波和二元估计算法同时估计对象系统故障演化模型混合状态和未知参数的后验分布。在算法的状态预测阶段,在一定的假设条件的前提下,将混合模型连续状态变量的预测问题转化为一个基本状态空间模型的状态预测问题。通过对连续状态变量当前时刻的后验分布进行迭代采样从而获得其未来时刻的先验分布。在算法的决策阶段,在获取的故障演化模型连续状态变量分布基础上,结合一定的故障判据近似计算出对象系统剩余寿命分布。故障预测仿真实验结果证明了算法的有效性。     

基于性能非线性退化统计模型的发动机剩余寿命预测

针对航空发动机在性能退化过程中普遍存在的非线性和不确定性问题,提出一种基于非线性退化数据的统计模型和剩 余寿命预测方法。通过对发动机性能真实退化轨道的分析,采用统计回归的建模方法建立发动机退化轨道模型,利用发动机的历 史数据,通过最小二乘估计求解模型中的未知参数;根据贝叶斯准则,以发动机实时监测数据与参数的先验分布对模型中的参数 进行实时更新,以发动机性能退化量首次达到红线值作为失效依据,采用蒙特卡洛仿真的方法得到发动机剩余寿命分布,实现了 对个体发动机剩余寿命的预测;通过试验数据进行发动机剩余寿命的预测,验证了该方法的准确性。结果表明：根据发动机退化 数据结合退化模型得到的个体发动机剩余寿命实时预测值末端均方根误差为0.02588,可以辅助指导维修决策。     

一种基于高斯混合模型粒子滤波的故障预测算法

针对一类故障预测问题提出了一种基于粒子滤波的故障预测算法。在算法的状态估计阶段,采用联合估计和粒子滤波同时估计对象系统故障演化模型状态和未知参数的后验分布。在算法的状态预测阶段,采用了两种不同的计算方法：一种方法是对状态变量当前时刻的后验分布进行迭代采样,从而获得未来时刻的状态变量的先验分布;另一种方法是采用数据驱动的方法预测未来一段时间内对象系统的量测信息,从而将未来时刻状态变量的先验分布的预测问题转化为一个求解后验分布的估计问题。采用高斯混合模型近似随机变量分布密度,从而将两种方法的计算结果在一个统一的预测框架之下进行有效交互,进一步提高了预测的准确性和可靠性。在算法的决策阶段,在获取的故障演化模型状态变量分布基础上,结合一定的故障判据近似计算出对象系统剩余寿命分布。故障预测仿真实验结果证明了所提算法的有效性。     

综合应力加速贮存试验方案优化设计

针对电子产品在贮存过程中受到的复杂环境应力及现阶段主要采用单应力加速贮存试验的现状,提出一种基于累积损伤理论的温度-湿度步降加速贮存试验方案的优化设计方法。以电子设备正常应力水平下中位寿命估计值的最小渐近方差为目标,以各加速应力水平为设计变量,结合极大似然估计理论,建立了温度-湿度综合应力加速贮存试验方案优化设计的数学模型。对某电度表的综合应力加速贮存试验进行优化设计,利用遗传算法解得k=5时的方案为最优方案。利用Monte Carlo仿真进一步证明k=5时的方案为最优方案。经优化后的试验方案不仅可以满足小样本综合应力加速贮存试验的优化设计,而且能够保证试验数据的估计精度,减少试验次数,缩短试验时间和节约费用。     

一种基于NGA-QPF的航天器姿态估计方法

针对航天器姿态确定中的非线性非高斯的滤波问题,提出一种基于遗传算法的粒子滤波的航天器姿态估计方法。该方法将姿态四元数作为采样粒子进行粒子滤波,并将小生境遗传算法（NGA）引入粒子滤波算法中,以改善粒子滤波的性能;用遗传算法单独进行陀螺偏差估计,以减少粒子滤波的状态维数。该姿态估计方法保持了四元数的归一化性质,通过引入小生境遗传算法解决了重采样阶段的粒子退化问题,并且由于单独估计陀螺偏差避免了粒子滤波状态的扩展。该方法能够在较少粒子的情况下实现高效率高精度的定姿,仿真结果说明了方法的有效性。     

容错航空蓄电池电源及其均衡管理

航空蓄电池在实际使用中会出现电池性能衰退与退化速率不一致,电池组容量与使用寿命降低,甚至可能出现严重的安全事故。针对电池单体不一致性和故障隔离问题,提出一种蓄电池电源系统容错体系结构和分级容错控制策略,提出基于电池单体动态重构的主动均衡管理新方法,设计基于"冒泡沉底（BS）择优上岗"的电池单体实时动态重构策略。开发容错航空镍镉电池电源原理样机,给出系统实验性能分析,实验结果表明所提出的系统技术方案可行有效,能够快速隔离故障失效电池单体,明显改善电池不一致性,提高了电池组容量利用率和剩余使用寿命。     

Remaining useful life prediction based on the Wiener process for an aviation axial piston pump

An aviation hydraulic axial piston pump’s degradation from comprehensive wear is a typical gradual failure model. Accurate wear prediction is difficult as random and uncertain char-acteristics must be factored into the estimation. The internal wear status of the axial piston pump is characterized by the return oil flow based on fault mechanism analysis of the main frictional pairs in the pump. The performance degradation model is described by the Wiener process to predict the remaining useful life (RUL) of the pump. Maximum likelihood estimation (MLE) is performed by utilizing the expectation maximization (EM) algorithm to estimate the initial parameters of the Wiener process while recursive estimation is conducted utilizing the Kalman filter method to estimate the drift coefficient of the Wiener process. The RUL of the pump is then calculated accord-ing to the performance degradation model based on the Wiener process. Experimental results indi-cate that the return oil flow is a suitable characteristic for reflecting the internal wear status of the axial piston pump, and thus the Wiener process-based method may effectively predicate the RUL of the pump.     

基于EM-KF算法的直升机主减速器剩余寿命预测方法

为解决间接状态监测数据下直升机主减速器剩余寿命预测难以估算的难题,提出了一种卡尔曼滤波和期望最大化算法相结合的剩余寿命预测方法.该方法可以根据不断更新振动信号特征值迅速且有效地估计出模型参数,进而预测不同运行时间主减速器的剩余寿命分布,最后对主减速器试验数据进行了案例分析.结果表明:该方法能够有效估计主减速器的剩余寿命分布,通过与主减速器剩余寿命准确值对比发现,剩余寿命准确值绝大多数落于剩余寿命预测值的95%置信区间内,表明该方法具有好的准确性,进而避免故障的发生.      

改进故障隔离的容错联邦滤波

为了解决重置模式下联邦滤波器中子系统故障对导航系统污染的问题,提出利用故障检测函数构建时变量测噪声的容错联邦滤波结构。通过将故障子滤波器等价为量测噪声趋于无穷大的正常系统,来取代传统的故障隔离方法;推导出了子滤波器对应的最优估计值,用以消除子滤波器估计次优性对故障检测的影响;采用动态信息分配系数,以减少故障信息对全局估计的影响。采用惯性/天文/景象/地形(INS/CNS/SMNS/TERCOM)的组合导航系统进行了仿真验证,结果表明该容错联邦滤波方法在子系统发生故障时的估计性能优于故障隔离方法。因此,所提方法具有提高故障子滤波器精度、保证无故障子滤波器鲁棒性以及全局估计精度的优势,具有较高的实用价值。     

机载计算机结构加速寿命试验原理及实现

加速寿命试验是解决高可靠、长寿命产品可靠性评估等问题的重要加速试验技术。传统的寿命试验方法需耗费大量的时间与成本,而加速寿命试验则通过提高应力水平来加速产品性能衰退,在可以接受的时间内得到有效的试验数据,并预测出产品在正常应力下的寿命。介绍了加速寿命试验产生的背景、基本概念、基本假设、基本理论和具体实现步骤,并以某机栽计算机为例,说明了加速寿命试验的应用过程。