故障樹分析法在光電經緯儀故障診斷中的應用研究?

朱江山 李大偉

（91351部隊 葫蘆島 125106）

1 引言

光電跟蹤測量系統中應用的技術大多具有控制狀態多、控制變量多、控制耦合強等特點，這加速了光電經緯儀電控系統的發展。電控系統可以提高經緯儀性能，提高經緯儀控制精度，實現經緯儀實時跟蹤測量能力，數據實時監控和傳輸能力，提高系統的穩定性。電控系統作為經緯儀的重要組成部分，與光機系統、數據傳輸系統及配套系統一起實現對目標的穩定跟蹤并獲取目標的航跡、速度、加速度等信息。電控系統的準確、穩定工作會影響經緯儀的伺服系統跟蹤穩定性和測量精度。

隨著光電經緯儀技術的不斷發展與運用，電控系統的復雜性也在不斷增加，系統的高度復雜帶來了一系列的裝備可維護性問題。在裝備使用過程中均可能由于電控系統的設計缺陷，尤其是長時間、高負荷工作前提下，如何快速定位并解決系統故障成為面臨的一個重要挑戰。

故障樹分析（Fault Tree Analysis，FTA）方法作為一種分析系統可靠性的數學模型，在長期的工程實踐過程中逐步形成比較完善的系統可靠性分析技術。將故障樹分析法引入光電經緯儀故障診斷過程，以幫助使用及維護人員理清故障發生機理內在聯系、增強故障定位過程的針對性、縮短故障定位時間，提升排故效率。

2 故障樹分析原理簡述

故障樹模型是一種基于研究對象結構、功能特征的行為模型，是一種定性的因果模型。樹根被稱之為頂事件，頂事件是系統最不希望發生的事件，頂事件的發生必須要能找到原因；樹葉被稱之為底事件，底事件是可能導致頂事件發生的原因。故障樹模型是通過邏輯門將頂事件、底事件、中間事件建立關聯關系的一種倒樹狀結構的邏輯圖。

故障樹分析法一般分為兩種，即定性分析與定量分析。定性分析主要是對頂事件產生的原因和過程進行分析；故障樹定性分析主要用于定位故障、排查系統隱藏的故障事件。定量分析主要用于對頂事件建立故障樹，獲取各底事件、中間事件的邏輯關系，并依據各底事件發生的概率計算出頂事件發生的概率；故障樹定量分析方法主要用于系統的可靠性研究。

本文采用故障樹的定性分析思路分析某光電經緯儀出現方位抖動的異常。故障樹分析法是按照樹形結構，從故障現象著手，基于異?，F象逐級細化、逐級推導，直至所有級的原因不能再被進一步細分；再通過層層分析可以梳理出頂事件、中間事件、底事件之間的邏輯關系，再逐個分析檢查所有底事件，得到具體由哪個底事件導致頂事件的發生，從而定位到具體底事件，完成故障定位。

3 故障樹分析方法實例化

3.1 問題現象

某光電經緯儀在使用過程中發現在某角度區間方位出現“抖動”，操作人員無法操縱單桿跟蹤目標。離開該角度區間后單桿工作正常。引起光電經緯儀“抖動”的原因主要有伺服控制分系統和編碼器分系統。而角度信息完全由經緯儀編碼器分系統給出，由此得出結論:方位編碼器工作出現異常。

3.2 背景介紹及原理分析

光電經緯儀是一種集光機電技術于一體的測量設備，具有跟蹤捕獲、實時測量、實況錄像和圖像再現等功能，是我國各試驗靶場廣泛使用的高精度定位測量設備，在飛行試驗中運用于飛機、導彈、外掛物投放的軌跡、姿態測量以及無線電外測設備的精度鑒定。

1）伺服控制分系統分析

光電經緯儀伺服控制分系統電路結構圖如圖1 所示。伺服控制分系統的控制方式采用雙閉環控制結構，內環為速度環，外環為位置環。光電軸角碼器作為該系統的速度和位置反饋元件，單桿、引導信息、電視脫靶量作為該系統的速度和位置給定，構成一個完整的閉環伺服控制系統。

圖1 伺服控制系統電路結構圖

速度反饋用來檢測系統的速度，它通過對編碼器的數據進行差分并濾波后得到。速度調節器是根據測出的被控對象傳遞函數而精心設計的，目的是希望提高系統的快速響應性，并降低系統的擾動誤差；位置調節器是根據速度回路閉環的等效傳遞函數來進行設計，其目的是提高系統的跟蹤精度和跟蹤穩定性。

2）光電軸角編碼器分系統分析

光電軸角編碼器工作原理如圖2 所示。當光電經緯儀開始工作時，編碼器分系統接收主控系統的控制命令，完成系統的自檢，并將自檢數據回送給系統。在采樣同步脈沖信號作用下，編碼器光電信號通過精碼差分放大電路和中精碼放大電路整理后，經A/D 模數轉換電路進行A/D 轉換，將精碼、中精碼和粗碼角度信息轉換成數字量。DSP 數據處理電路對角度信號進行細分、校正、對徑誤差修正，形成二進制角度代碼，通過輸出接口電路，串行輸出給光電經緯儀和OLED顯示單元。

圖2 光電軸角編碼器原理圖

3）跟蹤方式切換

當單桿操作手選擇“單桿”和“數引”跟蹤方式時，機下控制臺的視頻圖像出現“抖動”現象；跟蹤方式切換到“捕獲”、“測量”、“長波”、“中波”或“融合”時，鎖定目標被迅速拉到電視靶面中心，并且跟蹤穩定。經上述排查，初步斷定故障原因可能是方位編碼器故障。

4）方位編碼器檢查情況

（1）緩慢轉動光電經緯儀的垂直軸，觀察電路板LED 指示燈變化情況，發現故障指示燈“D3”時亮；

（2）檢測方位編碼器各碼道信號。如表1 所示。從表1 可以看出，精1 讀數頭和精2 讀數頭各信號的波形及幅值正常；粗讀數頭A1～A12放大器幅值均低于2V（理想狀態為5V、一般不能低于2V），經調整后沒有變化或變化不大，可能是照射到粗碼區的光能量下降。

（3）卸下燈源，白熾燈表面變黑。

3.3 故障樹建立

圖3 經緯儀方位‘抖動’故障樹分析圖

根據故障樹分析方法，把故障現象即“經緯儀方位‘抖動'”作為故障樹的頂事件、再基于3.2節中的故障原理分析，判讀出是伺服控制系統出現問題，還是編碼器系統出現問題。據此層層向下追溯，層層向下分析，直至原因不能繼續分解為止，確定所有的中間事件與底事件。據此繪制出“經緯儀方位‘抖動'”故障樹分析圖（見圖3）。故障樹分析過程共識別5 個中間事件、6 個底事件。分析得到底事件中任何一個發生，均會引起頂事件的發生。所以要定位頂事件發生的原因，只需要逐個分析底事件是否會發生。

基于梳理出來的8 個底事件，對各個底事件進行逐一分析。

1）精碼信號問題。精碼信號的調試，選擇示波器合適測量檔位（選擇2V 檔），打開編碼器光源開關。以調試SINq 為例，示波器輸入探頭測量差分放大器的輸出測孔SINq，分別調節底板上G0°與G180°兩個電位器，使差分放大器輸出的正弦波電壓±4V（峰峰值），要求正負幅值對稱相等。G90°與G270°、G0°′與G180°′、G90°′與G270°′信號調試方法與G0°與G180°調試方法相同，輸出測孔分別是SINq、COSq、SINq′、COSq′。精碼信號如圖4 所示。通過示波器測量輸出的正弦波來看，雖然波形達到飽和，但是幅值偏低，只有2V，進一步調整電位器，依然無法使正弦波達到4V，這進一步說明精碼信號存在問題，但已經無法通過調整電位器來調整精碼信號，只能通過檢查編碼器燈源來確認是否為燈源故障引起精碼信號幅值偏低。

2）中精碼信號問題。中精碼信號的調試，選擇示波器一路輸入開關置向“GND”，調整示波器旋扭，使水平掃描線與適當位置作為中精碼信號調試基準線，中精碼信號調試過程中要始終保持這條基準線不動。以調試中精碼G5 為例，用測量通圈信號的探頭測量放大器輸出測孔G5，然后調節G5 電位器，使得中精碼輸出信號的幅值臨界飽和。如圖5 所示。F1、F2、F3、J1、J2、G5′、F1′、F2′、F3′、J1′、J2′信號調試方法與G5 信號調試方法相同。G5、J1、J2、G5′、J1′、J2′近似正弦波，F 碼近似為梯形波，如圖6 所示。通過示波器測量輸出的近似正弦波來看，雖然波形達到飽和，但是幅值偏低，只有2V，進一步調整電位器，依然無法使正弦波達到4V，這進一步說明中精碼信號存在問題，但已經無法通過調整電位器來調整中精碼信號，只能通過檢查編碼器燈源來確認是否為燈源故障引起中精碼信號幅值偏低。

表1 方位編碼器碼道信號實測數據

圖4 精碼信號波形

圖5 G5、J1碼近似正弦波

圖6 F碼近似為梯形波

3）粗碼信號問題。粗碼信號的調試，粗碼輸入信號來自編碼器頭部光電接收器，粗碼信號波形為方波或梯形波，從A1 至A12 共計12 路，如圖7 所示。由于采用軟件自動設定比較電平，不使用統一的比較電平，而且粗碼信號的離散性低，故不使用電位器來調節各路信號，只用放大器將碼道信號放大成為高于4.8V 的電壓信號。大大提高了電路的可靠性，也減小了調試信號的復雜程度。通過示波器測量粗碼信號，發現粗碼信號幅值偏低，只有2V左右，但粗碼信號無法通過電位器調整，通過軟件進行整定，幅值依然偏低，只能通過檢查編碼器燈源是否正常來確認原因。

4）燈壓偏低問題。通過萬用表檢查點燈電源電壓，發現燈壓正常，幅值為4.2V。排除燈壓偏低問題。

圖7 粗碼放大器輸出波形

5）燈源損壞問題。打開位于經緯儀中部的方位編碼器燈源，檢查發現燈泡局部發黑，發出的光勢必減弱，光電轉換時不能滿足各碼道所需要的光強，因此造成各碼道信號幅值偏低。進而導致方位編碼器進位不正?；虺霈F錯碼。因此把燈源問題確定為可疑底事件。

6）單桿跟蹤存在問題。由于采用單桿跟蹤過程中并不是所有方位角都出現抖動，因此不是單桿跟蹤存在問題。排除單桿跟蹤存在問題。

7）數引跟蹤存在問題。當采用數引跟蹤時，數據不穩定也會導致經緯儀出現“抖動”，但由于跟蹤過程中并沒有采用數引跟蹤，因此排除數引跟蹤問題。

8）自動跟蹤存在問題。當采用自動跟蹤時，如果波門不能穩定鎖定目標，經緯儀也會出現“抖動”，但由于跟蹤過程中并沒有采用自動跟蹤，因此排除自動跟蹤問題。

通過分析，燈源故障是造成編碼器系統工作出現異常的重要原因，基本說明伺服系統工作是正常的?；诠收蠘浞治龇▽收显蜻M行分析，定位為方位編碼器燈源損壞問題。

3.4 結論

利用故障樹分析法完成了某經緯儀方位“抖動”故障的故障分析過程，確定了故障發生的原因，即編碼器燈源損壞問題。由于經緯儀使用頻率高、時間長，導致編碼器燈源使用時間縮短，所以應該定期檢查并及時更換。

4 結語

基于故障樹的定性分析法，對故障樹頂事件進行層層分析、直觀地展示了各底事件與頂事件的邏輯關系、快速定位并解決了光電經緯儀出現方位抖動的系統故障問題。將故障樹分析方法引入光電經緯儀方位抖動故障診斷及定位過程，有助于提高問題定位的效率，提升裝備的可維護性。這對光電經緯儀故障定位具有借鑒意義。