基于殘差向量的船用液壓系統(tǒng)健康狀態(tài)評(píng)估方法研究

錢 超，李 偉，喻志成，尹偉偉，湯 華

(1.海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033；2.海軍航空工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264001；3.92474部隊(duì)，海南 三亞 572000；4.902廠，上海 200030)

基于殘差向量的船用液壓系統(tǒng)健康狀態(tài)評(píng)估方法研究

錢 超1，李 偉2，喻志成3，尹偉偉4，湯 華4

(1.海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033；2.海軍航空工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264001；3.92474部隊(duì)，海南 三亞 572000；4.902廠，上海 200030)

針對(duì)船用液壓系統(tǒng)健康狀態(tài)評(píng)估問(wèn)題，提出了一種基于殘差向量的動(dòng)態(tài)評(píng)估方法，設(shè)計(jì)了基于殘差向量的基本評(píng)估原理，研究了系統(tǒng)建模方法、殘差生成方法、殘差分析方法和健康度計(jì)算方法，并結(jié)合示例，構(gòu)建了具體模型、殘差與故障映射關(guān)系，最終評(píng)估液壓系統(tǒng)的歸一化健康度指標(biāo)，方法可為開(kāi)展液壓系統(tǒng)故障診斷與預(yù)測(cè)提供參考。

液壓系統(tǒng)；狀態(tài)評(píng)估；殘差

1 方法設(shè)計(jì)

針對(duì)液壓系統(tǒng)的狀態(tài)評(píng)估問(wèn)題，本文提出了一種基于殘差向量的液壓系統(tǒng)健康狀態(tài)評(píng)估方法，其評(píng)估原理如圖1所示，主要包括4個(gè)過(guò)程[1-3]。

圖1 基于觀測(cè)模型的健康狀態(tài)評(píng)估原理圖

1)系統(tǒng)建模。構(gòu)建液壓系統(tǒng)解析模型是該方法的核心，利用液壓系統(tǒng)各元件之間的流量特性、壓力特性和控制特性建立系統(tǒng)狀態(tài)觀測(cè)模型，模型中的變量包括電流、油液壓力、流量、溫度，以及機(jī)械位移、轉(zhuǎn)速、加速度等，包含的變量根據(jù)系統(tǒng)的具體情況、健康評(píng)估目標(biāo)和其他約束條件具體而定。由于液壓系統(tǒng)往往表現(xiàn)為非線性特征，在建立狀態(tài)觀測(cè)模型時(shí)，根據(jù)情況確定觀測(cè)模型的形式。

2)殘差生成。根據(jù)輸入信號(hào)的編號(hào)觀測(cè)傳感器采集信號(hào)的變化，同時(shí)將采集信號(hào)與觀測(cè)模型的理論輸出進(jìn)行比較，形成殘差。當(dāng)殘差為0時(shí)表示系統(tǒng)健康；當(dāng)殘差不為0時(shí)，用殘差向量表示[4]。

3)殘差向量分析。對(duì)得到的殘差向量進(jìn)行分析，根據(jù)殘差向量的不同特征判斷液壓系統(tǒng)的故障情況，包括故障類型、故障位置等。殘差向量狀態(tài)的不同，代表故障模式的不同，殘差向量中的不同元素，對(duì)不同故障的診斷貢獻(xiàn)也不同，可以利用加權(quán)法進(jìn)行故障診斷。

4)健康度計(jì)算。對(duì)殘差向量，按照對(duì)應(yīng)故障的重要度、危害性和發(fā)生頻率進(jìn)行權(quán)值分配，最后計(jì)算出歸一化的健康度，用來(lái)表征整個(gè)液壓系統(tǒng)的健康狀態(tài)。

2 液壓系統(tǒng)建模

系統(tǒng)建模是一項(xiàng)復(fù)雜工程，特別是對(duì)于非線性的復(fù)雜液壓系統(tǒng)難以建立清晰的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于液壓系統(tǒng)中局部環(huán)節(jié)的監(jiān)測(cè)和評(píng)估可以利用建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行解算。液壓系統(tǒng)回路由液壓缸、節(jié)流閥、單向閥、換向閥和動(dòng)力源組成，如圖2所示。利用前述研究?jī)?nèi)容，可以建立4個(gè)壓力傳感器對(duì)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)[5-6]。

圖2 液壓系統(tǒng)健康狀態(tài)評(píng)估示例

正常情況下，液壓系統(tǒng)負(fù)載產(chǎn)生的壓力經(jīng)過(guò)液壓缸、調(diào)速閥、液控單向閥和換向閥向上傳遞，相互之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過(guò)解析元件的壓力傳遞函數(shù)便可以建立各點(diǎn)壓力的計(jì)算模型。以液壓缸向右運(yùn)動(dòng)的過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)為例，系統(tǒng)建立的模型如下。

1)液壓缸的流量狀態(tài)方程如式(1)所示，受力平衡方程如式(2)所示。

(1)

(2)

2)節(jié)流閥的流量狀態(tài)方程如式(3)所示。

(3)

式中：q2為節(jié)流閥流量；Cj為流量系數(shù)；ρ為油液密度；p2和p1分別表示節(jié)流閥進(jìn)出口壓力；Aj為節(jié)流閥通流面積，由式(4)計(jì)算得到。

Aj=Kju，

(4)

式中：Kj為調(diào)定量與通流面積的關(guān)系系數(shù)；u為節(jié)流閥調(diào)定量。

3)液控單向閥的流量狀態(tài)方程與式(3)相似，可表示為式(5)所示。

(5)

式中：q3為單向閥流量；Cd為流量系數(shù)；p2和p3分別表示節(jié)流閥進(jìn)出口壓力；Ad為液控單向閥通流面積，由式(6)或式(7)計(jì)算得到。

Ad=K1p3，

(6)

式中：K1為控制壓力與通流面積的關(guān)系系數(shù)，用于在單向閥正向開(kāi)啟時(shí)計(jì)算。

Ad=K2p4，

(7)

式中：K2為控制壓力與通流面積的關(guān)系系數(shù)，用于在液控開(kāi)啟反向流動(dòng)時(shí)計(jì)算。

4)表示液壓缸出口壓力，由回油路沿程壓力損失和流經(jīng)換向閥或其他部位的局部壓力損失累加所得，一般較小。沿程壓力損失和其他部位局部壓力損失完全可以根據(jù)實(shí)際管路狀況進(jìn)行建模計(jì)算。如果忽略沿程壓力損失，流經(jīng)換向閥的局部壓力損失可用式(8)表示。

(8)

式中：ζ表示換向閥出油口局部阻力系數(shù)；v表示油的流速。

以上各式中流量和流速均可由活塞桿運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算得到。不考慮泄露情況下流量各處相等，泄露狀態(tài)可在故障識(shí)別過(guò)程中分析得到。

3 殘差與故障映射關(guān)系分析

通過(guò)對(duì)圖2所示液壓系統(tǒng)分析，殘差向量狀態(tài)與故障模式的關(guān)聯(lián)關(guān)系如表1所示，殘差向量的分量初步表征了一些故障，通過(guò)聯(lián)合作用便可以進(jìn)一步定位故障，且殘差值偏離越大則表征故障狀態(tài)越嚴(yán)重，即健康度較低。

表1 殘差—故障關(guān)系表

4 權(quán)重分配與健康度計(jì)算

在層次化健康狀態(tài)評(píng)估過(guò)程中，元件或子系統(tǒng)對(duì)上一級(jí)系統(tǒng)的影響力需要權(quán)重表征，即便對(duì)于一個(gè)底層的元件，不同監(jiān)測(cè)參數(shù)也存在不同的權(quán)重系數(shù)，因此，合理的權(quán)重分配，對(duì)于準(zhǔn)確實(shí)施健康狀態(tài)評(píng)價(jià)非常重要。

權(quán)重分配可以按照物理模型進(jìn)行理論分析，但是難度非常大，尤其是對(duì)于艦艇導(dǎo)彈發(fā)射裝置這類復(fù)雜系統(tǒng)，比較可行的方法是利用專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)專家調(diào)查和專家群評(píng)分來(lái)確定權(quán)重分配方案，得到權(quán)重向量空間。

首先需要設(shè)計(jì)專家調(diào)查表，按照劃分的裝備層次結(jié)構(gòu)和可靠性關(guān)系圖，列出所有調(diào)查項(xiàng)的評(píng)分條件，由專家進(jìn)行評(píng)分。根據(jù)收回的專家評(píng)分表，進(jìn)行綜合分析，確定權(quán)重向量空間。如果無(wú)法利用分?jǐn)?shù)的形式給出每個(gè)單元的權(quán)重，也可以采用相對(duì)重要度的調(diào)查方法，通過(guò)比較兩兩之間的相對(duì)重要性，給出數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò)后續(xù)的模型算法處理，得到權(quán)重向量。同樣以起豎液壓系統(tǒng)為例，設(shè)計(jì)專家直接打分法調(diào)查表，對(duì)液壓泵、過(guò)濾器、溢流閥、換向閥、平衡閥、分流集流閥、液控單向閥、單向節(jié)流閥健康度進(jìn)行評(píng)分。設(shè)計(jì)專家相對(duì)重要性評(píng)分調(diào)查表，對(duì)液壓泵、過(guò)濾器、溢流閥、換向閥、液控單向閥、單向節(jié)流閥、液壓缸兩兩之間的相對(duì)重要度進(jìn)行評(píng)分，并得出相對(duì)重要性賦值。賦值1,1，表明同樣重要；賦值1,3，表明稍微重要；賦值1,5，表明明顯重要；賦值1,7，表明強(qiáng)烈重要；賦值1,9，表明極端重要；賦值1,2/4/6/8，表明為插值。

事實(shí)上，對(duì)于艦艇導(dǎo)彈發(fā)射裝置這類復(fù)雜的系統(tǒng)，采用相對(duì)重要度的調(diào)查方式更可行。在得到專家打分結(jié)果后，則可以建立兩兩判斷矩陣V=(vij)n×n，vij表示第i個(gè)項(xiàng)目對(duì)第j個(gè)項(xiàng)目的相對(duì)重要性標(biāo)度，其中vij具有式(9)所示性質(zhì)。

(9)

其中：k為2個(gè)相對(duì)重要度評(píng)分的比值，如1/3，1/5和1/9等。

首先對(duì)判斷矩陣，按照式(10)進(jìn)行一致性判定。

(10)

式中：D為8×8矩陣，d=[d1,d2,…,d8]為給定模型，如果經(jīng)判定不滿足一致性，則將矩陣進(jìn)行適當(dāng)修改后重新判斷，直到滿足為止。最后進(jìn)行權(quán)重求解，得到滿足條件的一組解λ=[λ1,λ2,…,λ8]，作為分層次健康狀態(tài)評(píng)估的權(quán)重向量。

另外，還要根據(jù)專家可信度對(duì)多位專家同時(shí)打分的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，專家可信度的評(píng)判是依靠歷史評(píng)價(jià)結(jié)果，同時(shí)根據(jù)本次打分進(jìn)行修正，針對(duì)本次打分，將多位專家打分結(jié)果進(jìn)行相似性和差異性評(píng)估，根據(jù)某個(gè)專家的相似性與差異性計(jì)算專家可信度。

(11)

式中：ωk表示第k位專家的可信度；m表示專家數(shù)量；u(k)和δ(k)表示第k位專家的相似性與差異性。

最后根據(jù)所有專家的可信度和其評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行綜合權(quán)重計(jì)算，并對(duì)權(quán)重系數(shù)進(jìn)行歸一化處理，使權(quán)重系數(shù)之和為1。

運(yùn)用上述方法，對(duì)輪式導(dǎo)彈發(fā)射車進(jìn)行全面的分析，便可以得到一個(gè)依據(jù)專家知識(shí)定義的權(quán)重向量空間，為實(shí)現(xiàn)分層次健康狀態(tài)評(píng)估奠定基礎(chǔ)。

另外，系數(shù)向量w=[w1,w2,w3,w4]根據(jù)信號(hào)重要度的評(píng)分得出，所研究的液壓系統(tǒng)健康度H可以表示為式(12)所示。

(12)

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)原理設(shè)計(jì)、系統(tǒng)建模、殘差生成、殘差分析和健康度計(jì)算等方法的研究，設(shè)計(jì)了一種基于殘差向量的健康狀態(tài)評(píng)估方法，最終評(píng)估液壓系統(tǒng)的歸一化健康度指標(biāo)。結(jié)合液壓系統(tǒng)示例構(gòu)建了具體模型、殘差與故障映射關(guān)系，為開(kāi)展液壓系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估提供了一種可行的手段。

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In order to solve the problem of the health condition assessment of marine hydraulic system,a dynamic assessment method is put forward and its principle is designed with modeling method,the residual generation,analysis method and the health degree calculation method studied.With an example,the specific model and the mapping relationship between residual and fault of the hydraulic system are built to assess the normalized index of health degree,which can provide the reference for the fault diagnosis and prediction.

hydraulic system;condition assessment;residual

國(guó)家部委預(yù)研基金項(xiàng)目(9140A27020214)

錢 超(1978-)，男,湖北武漢人，工程師,碩士，研究方向?yàn)檠b備綜合保障工程管理。

TH137.1

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.03.015

2016-12-16