四余度舵機故障預(yù)測及健康管理系統(tǒng)

李書明，李 鵬

（中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津 300300）

余度舵機就是在同一架飛機上采用完全相同（或相似）的幾套舵機，通過飛行控制計算機軟件，把他們組合在一起。某型飛機全動平尾電磁綜合式余度舵機，是具有整體式舵機和人工機械指令輸入的串聯(lián)式雙腔作動筒結(jié)構(gòu)的復(fù)合式四余度電液舵機。

某型四余度舵機是機、電、液高度耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，是其平尾操縱系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其工作的好壞，直接影響飛機飛行控制精度和飛行安全。為了保障系統(tǒng)處于良好的狀態(tài)，確保飛機無故障及時升空，地面維護人員應(yīng)在發(fā)現(xiàn)故障后快速、準確地判斷故障部位及性質(zhì)，排除故障，使系統(tǒng)恢復(fù)正常[1]。因此采用故障預(yù)測和健康管理（Prognostics Health Management，PHM）以實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和壽命預(yù)測，從而減少事故率，節(jié)省維修費用。

某型四余度舵機是由主作動筒及伺服作動筒、二重主控制閥（MVC）、二重單級電液伺服閥、四重故障檢測傳感器、指令選擇機構(gòu)等組成，最終能實現(xiàn)平尾運動與控制信號的同步。

目前，針對四余度舵機的故障監(jiān)測和故障診斷研究較多，文獻[1]針對四余度舵機的各種故障模式，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對四余度舵機的故障診斷，因此對其進行預(yù)測與健康管理，具有重要的理論與工程應(yīng)用價值。

本文提出了飛機四余度舵機健康管理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，并對機載健康監(jiān)測系統(tǒng)和地面維護系統(tǒng)進行了研究，通過健康管理試驗平臺，實現(xiàn)四余度舵機系統(tǒng)故障的預(yù)測和診斷。

1 典型故障分析

根據(jù)此型四余度舵機的系統(tǒng)組成及實際外場維護需要，主要從元件故障、部件故障這2個層次來分析。

1.1 元件故障

伺服閥是系統(tǒng)的重要的元件，這里主要只介紹伺服閥的故障。根據(jù)實際情況以及維修經(jīng)驗，確定伺服閥故障征兆集和故障原因集如下[1]：

伺服閥故障征兆集

X1：{x1壓力不足；x2流量不足；x3溫度高；x4振動；x5噪聲大；x6不動作；x7泄漏；x8零偏}；

伺服閥故障原因集

Y1：{y1線圈故障；y2彈簧管故障；y3固定節(jié)流孔堵塞型故障；y4噴嘴堵塞型故障；y5擋板故障；y6滑閥卡滯型故障；y7反饋桿故障；y8小球磨損故障；y9膠圈故障；y10液壓油故障；y11管系故障；y12電源故障；y13其它故障}。

1.2 部件故障

四余度舵機系統(tǒng)的主要部件為液壓舵機，其故障征兆集和故障原因集如下：

液壓舵機故障征兆集

X2：{x1壓力不足；x2流量不足；x3溫度高；x4振動；x5噪聲大；x6不動作；x7泄漏；x8零偏 }；

液壓舵機故障原因集

Y2：{y1伺服閥故障；y2電磁開關(guān)故障；y3反饋傳感器故障；y4校正傳感器故障；y5微動電門故障；y6液壓油故障；y7膠圈故障；y8電源故障；y9放大器故障；y10液壓油故障；y11管系故障；y12其它故障}。

2 PHM系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

四余度舵機PHM系統(tǒng)的任務(wù)，是利用傳感器采集四余度舵機系統(tǒng)的過程數(shù)據(jù)，借助各種算法和智能模型進行信號分析，評估四余度舵機系統(tǒng)的工作狀態(tài)。本文提出如圖1所示的飛機四余度舵機PHM系統(tǒng)，主要包括機載監(jiān)測系統(tǒng)和地面管理維護系統(tǒng)兩大部分的綜合信息系統(tǒng)。

圖1 飛機四余度舵機PHM結(jié)構(gòu)

圖1中，機載四余度舵機PHM系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測飛機四余度舵機系統(tǒng)的健康狀態(tài)，確定部件的殘余壽命或正常工作的時間長度，提供當前有效資源的狀態(tài)信息；同時，通過天地數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，將飛機四余度舵機系統(tǒng)狀態(tài)傳給地面系統(tǒng)，為系統(tǒng)后勤保障和指揮決策提供依據(jù)。

地面維護管理系統(tǒng)根據(jù)在線采集及歷史記錄的數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)或部件的故障進行預(yù)先估計，根據(jù)診斷/預(yù)測信息、可用資源和使用需求對維修活動做出適當決策的能力，并動態(tài)調(diào)整維修資源，生成自主后勤保障策略[2]。

2.2 系統(tǒng)的分層設(shè)計

PHM系統(tǒng)信息層次可分為7層，分別是[3～5]：

（1）信號采集層。該部分利用各種傳感器采集系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)信息，將提供PHM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并且還具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽?/p>

（2）信號處理層。處理PHM系統(tǒng)來自傳感器、BIT、控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成PHM系統(tǒng)要求的形式和特征。通常的提取算法包括快速傅里葉變換、小波分析或統(tǒng)計(平均、標準偏差)等；

（3）狀態(tài)監(jiān)控層。輸入為信號處理層的輸出，輸出為關(guān)于部附件或子系統(tǒng)的狀況/條件；

（4）健康評估層。該層的功能是持續(xù)融合來自條件監(jiān)視層以及其他健康評估部分的多個信息源的數(shù)據(jù)，診斷并報告檢測部分和子系統(tǒng)的健康狀態(tài)，并據(jù)此進行故障隔離，完成余度管理、實時綜合資源管理和優(yōu)化以及重組/重構(gòu)；

（5）預(yù)測層。產(chǎn)生對部件或子系統(tǒng)在給定使用包線下的剩余有用壽命的估計，預(yù)測部件或子系統(tǒng)運行趨勢；

（6）決策支持層。該層為維修資源管理和其他監(jiān)視綜合健康管理系統(tǒng)的性能和有效性的處理過程提供支撐；

（7）表達層。是PHM系統(tǒng)與使用者的接口。

圖2 四余度舵機健康管理系統(tǒng)功能流程示意圖

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于信標的多任務(wù)異常分析技術(shù)

基于信標的多任務(wù)異常分析（BEAM）是一種端對端的數(shù)據(jù)分析方法，用于實時或離線故障檢測和特征描述。BEAM的體系結(jié)構(gòu)，由多種便于傳感器、基于物理的系統(tǒng)動態(tài)模型、符號數(shù)據(jù)模型和統(tǒng)計模型融合的獨特部件組成。BEAM提供機上識別和隔離異常狀態(tài)的能力，避免了大量原始數(shù)據(jù)和大量的地面分析工作。

3.2 故障模式識別

小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為一種自適應(yīng)的模式識別技術(shù)，并不需要預(yù)先給出有關(guān)模式的經(jīng)驗知識和判別函數(shù)，其通過自身的學(xué)習(xí)機制，自動形成所需求的決策區(qū)域。首先利用一組故障樣本對網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，以確定網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。網(wǎng)格訓(xùn)練完畢后，故障的模式分類就是根據(jù)給定的一組征兆，實現(xiàn)征兆集到故障集的非線性映射的過程。

3.3 故障預(yù)測

根據(jù)四余度舵機系統(tǒng)的特點，可以采用以下方法進行故障狀態(tài)的預(yù)測：

（1）時間序列 TS（Time Series）預(yù)測把數(shù)據(jù)、模型和系統(tǒng)關(guān)聯(lián)起來的一種動態(tài)預(yù)測技術(shù)，優(yōu)點是所需歷史數(shù)據(jù)少、計算量小。

（2）解釋預(yù)測方法同時考慮了歷史數(shù)據(jù)和領(lǐng)域知識，能給出一個預(yù)測結(jié)果正確性證明，提高了預(yù)測結(jié)果的可信度。

（3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測NNP（Neural Networks Prediction）主要有兩種方式：

一是以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為函數(shù)逼近器，對四余度舵機的某參數(shù)進行非線性擬合預(yù)測；

二是根據(jù)系統(tǒng)輸入/輸出之間的動態(tài)關(guān)系，用反饋連接的動態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)參數(shù)建立動態(tài)模型從而進行故障預(yù)測。

4 地面健康管理系統(tǒng)

地面健康管理系統(tǒng)（圖3）是在目前的維修保障系統(tǒng)基礎(chǔ)上，加強其智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、一體化建設(shè)，使其具備自主、主動、精確、快速、協(xié)同等功能特點。地面健康管理系統(tǒng)實時接受空地數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)娘w行數(shù)據(jù)，實時更新四余度舵機系統(tǒng)的維修數(shù)據(jù)庫，結(jié)合知識和模型評估其健康狀況，預(yù)先估計系統(tǒng)或部附件的故障，根據(jù)故障預(yù)測模型進行壽命預(yù)測。從而制定維修策略，實現(xiàn)快速維修。

圖3 地面健康管理系統(tǒng)

5 集成工程環(huán)境

飛機四余度舵機PHM集成工程環(huán)境主要由3部分組成：開發(fā)環(huán)境、運行環(huán)境以及驗證環(huán)境。該環(huán)境提供PHM系統(tǒng)開發(fā)工具平臺、系統(tǒng)使用測試平臺以及驗證評估平臺，可以提高系統(tǒng)PHM的適用性和可靠性，最終提升系統(tǒng)的可靠性和全壽命周期預(yù)測與管理水平[6～7]。

PHM開發(fā)環(huán)境利用分析工具與設(shè)計工具，依據(jù)需求條件和設(shè)計準則，進行系統(tǒng)健康管理的功能設(shè)計。主要過程包括系統(tǒng)需求分析、系統(tǒng)功能分析、需求與功能綜合推理、系統(tǒng)框架構(gòu)建及系統(tǒng)分析、功能集成與初期完善。

PHM運行環(huán)境為實現(xiàn)綜合健康管理系統(tǒng)的集成、應(yīng)用及測試提供一個運行測試平臺。利用此環(huán)境，使用者能夠?qū)Ω黜椖康木C合健康管理系統(tǒng)與集成技術(shù)進行測試與完善。主要包括以下幾個內(nèi)容：開放式參考體系結(jié)構(gòu)，PHM各技術(shù)組件庫，多平臺使用數(shù)據(jù)獲取與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和決策支持輸出等。

PHM驗證環(huán)境是整個PHM系統(tǒng)進行試驗驗證評估改善的平臺。該環(huán)境提供一個完整的平臺和一套標準的評估體系，對PHM效能進行驗證評估，完成對各項獨立技術(shù)、系統(tǒng)、端到端的綜合健康管理系統(tǒng)應(yīng)用的定義、開發(fā)、測試與完善。

6 結(jié)束語

PHM對提高飛機安全性能、提高維修保障效率、降低壽命周期費用將起到重要作用。本文通過對某型四余度舵機系統(tǒng)進行典型故障分析，提出了系統(tǒng)預(yù)測與健康管理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)總體方案，并對系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進行了初步研究。PHM在國內(nèi)研究還不成熟，因此，從PHM的提出到實現(xiàn)，今后無疑還要做大量深入的技術(shù)研究和開發(fā)工作。

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