無人機(jī)機(jī)載發(fā)電機(jī)故障診斷技術(shù)研究

陳亮 袁大天

【摘?要】在本研究中針對(duì)無人機(jī)電源系統(tǒng)進(jìn)行模型構(gòu)建仿真分析，，在分析機(jī)載電源系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)的前提下，結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)參數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)模型進(jìn)一步建立數(shù)學(xué)模型，完成仿真分析。

【關(guān)鍵詞】無人機(jī);機(jī)載發(fā)電機(jī);故障診斷技術(shù)

前言

直升機(jī)上用電設(shè)備使用了大量的集成元器件，它們對(duì)機(jī)載電源的供電質(zhì)量提出了很高的要求，即使是正常的電源轉(zhuǎn)換，如果不采取必要的措施，也會(huì)對(duì)機(jī)載用電設(shè)備的工作產(chǎn)生影響。在傳統(tǒng)的直升機(jī)供電系統(tǒng)中，由于工作轉(zhuǎn)換導(dǎo)致短暫的電源供電中斷現(xiàn)象是不可避免的，這種短暫的供電中斷（時(shí)間不超過50ms）對(duì)過去模擬式的電氣電子設(shè)備的工作可能影響不大，但隨著航空技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)字式的電子電氣設(shè)備的正常工作必然會(huì)產(chǎn)生很大的干擾，甚至?xí)淖冊(cè)械墓ぷ鳡顟B(tài)。因此，直升機(jī)電源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換供電技術(shù)對(duì)保證飛機(jī)的供電裕度、可靠性和安全性而言，就顯得非常重要。

1機(jī)載電源系統(tǒng)

某型無人直升機(jī)電源系統(tǒng)主要由外電源系統(tǒng)、蓄電池系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)組成，為全機(jī)用電設(shè)備提供28V直流電和12V直流電兩種供電體制。28V直流電用于機(jī)載任務(wù)設(shè)備用電，由一臺(tái)交流發(fā)電機(jī)通過電源變換器整流輸出28V直流電源，應(yīng)急情況供電由一臺(tái)24V蓄電池組和12V/22V電源模塊共同輸出24V直流電源，地面供電通過外電源接口由機(jī)外電源輸入24V直流電源。12V直流電用于動(dòng)力控制系統(tǒng)用電。由發(fā)動(dòng)機(jī)自帶的交流發(fā)電機(jī)通過變壓整流后輸出12V直流電源，應(yīng)急情況供電由一臺(tái)12V蓄電池組輸出12V直流電源，地面供電通過外電源接口由機(jī)外電源輸入12V直流電源。

1.1外電源系統(tǒng)

外電源插座安裝在機(jī)頭右側(cè)，在直升機(jī)處于地面狀態(tài)下通過外電源插座由機(jī)外電源為全機(jī)提供獨(dú)立的28V直流電和12V直流電，外電源系統(tǒng)優(yōu)先于發(fā)電機(jī)系統(tǒng)供電。

1.2蓄電池系統(tǒng)

蓄電池系統(tǒng)由一臺(tái)24V蓄電池組和一臺(tái)12V蓄電池組組成，每臺(tái)蓄電池都集成了智能管理系統(tǒng)，能夠根據(jù)內(nèi)部單體電芯的電壓、電流和溫度信息來實(shí)現(xiàn)蓄電池的充放電管理和保護(hù)。蓄電池系統(tǒng)為應(yīng)急供電系統(tǒng)，只有當(dāng)直升機(jī)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)故障或未滿足發(fā)電要求時(shí)，為PP1匯流條和PP2匯流條提供直流應(yīng)急電源。

1.3發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

發(fā)電機(jī)系統(tǒng)由28V發(fā)電系統(tǒng)和12V發(fā)電系統(tǒng)組成。28V發(fā)電系統(tǒng)由無人直升機(jī)交流發(fā)電機(jī)和電源變換器構(gòu)成，交流發(fā)電機(jī)額定容量為2100VA，電源變換器實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)、故障保護(hù)及通訊功能。12V發(fā)電系統(tǒng)由無人直升機(jī)動(dòng)力裝置自帶的交流磁電機(jī)和變壓整流器構(gòu)成，交流磁電機(jī)的額定容量為250VA，經(jīng)變壓整流器整流后給PP1匯流條供電。當(dāng)前無人機(jī)使用電源系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)以及控制器，A類關(guān)鍵設(shè)備系統(tǒng)是無人機(jī)氣載主要平臺(tái)，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中需要完成發(fā)電機(jī)全面檢測(cè)，這對(duì)于原發(fā)電機(jī)早期故障剔除，定位來說起著十分重要的作用。近年來故障診斷是比較重要的研究方向，在研究理論過程中可以使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，人工魚群優(yōu)化算法，小波分析等多種方法。本研究中深入分析機(jī)載無人機(jī)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，所以針對(duì)其故障模式，原因，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)的故障診斷。

2故障特征體系和其仿真效果分析

首先從無人機(jī)電源故障系統(tǒng)模式上來看，電源系統(tǒng)主要涉及機(jī)械、電氣這兩種類型的故障，結(jié)合電源本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來看，航空電器故障主要為轉(zhuǎn)子繞組短路，勵(lì)磁系統(tǒng)故障，以及定子繞阻絕緣故障，機(jī)械故障，主要涉及軸承故障，根據(jù)無人機(jī)實(shí)際飛行條件、經(jīng)驗(yàn)來看，參考國家故障標(biāo)準(zhǔn)診斷，可對(duì)故障危害進(jìn)行準(zhǔn)確分析，構(gòu)建故障模式影響分析表。在上述分析過程中，我們發(fā)現(xiàn)按照故障特點(diǎn)和持續(xù)時(shí)間，可以在整個(gè)無人機(jī)飛行過程中，機(jī)載電氣系統(tǒng)存在三種故障類型，即脈沖、突發(fā)以及漸變故障類型，在本研究中著重對(duì)突發(fā)故障這種類型進(jìn)行分析，具有較強(qiáng)的容錯(cuò)性。由于表征對(duì)象狀態(tài)參數(shù)量較大，因此，在龐大的數(shù)據(jù)中應(yīng)當(dāng)找出特征信息并完成特征量的提取，只有這樣才能夠準(zhǔn)確進(jìn)行故障診斷和對(duì)象性能檢測(cè)分析，采用的方法為主要成分分析法，該方法可對(duì)象征討，在特征向量提取和數(shù)據(jù)壓縮中起著重要作用。其中在規(guī)范處理時(shí)為確保每個(gè)數(shù)據(jù)能夠處于某一屬性范圍內(nèi)，采用最大最小規(guī)范處理的方式，即能夠完成初始數(shù)據(jù)線性變化，假定最大值和最小值分別變量，通過下列公式：

x'=（new_new_new_min）+min=

可以將x值映射到區(qū)間中，計(jì)算相應(yīng)的主成分向量，進(jìn)而按照屬性排序。在電源系統(tǒng)仿真時(shí)，為確保故障診斷算法能夠準(zhǔn)確驗(yàn)證，可以以機(jī)載電源作為研究對(duì)象，綜合分析電源運(yùn)行情況，在計(jì)算機(jī)軟件中完成建模，發(fā)電機(jī)、蓄電池、控制器的仿真分析，可對(duì)整個(gè)機(jī)載電源進(jìn)行仿真分析，掌握其特性。采用idealswitch模塊實(shí)現(xiàn)電路開路，能夠與勵(lì)磁電路相接，實(shí)現(xiàn)時(shí)間控制短路故障發(fā)生時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間，以此來模擬勵(lì)磁回路故障問題。我們可以發(fā)現(xiàn)是系統(tǒng)的啟動(dòng)過程，在0.2秒之前系統(tǒng)能夠達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，確保電壓實(shí)現(xiàn)28伏特穩(wěn)定運(yùn)行，電流能夠穩(wěn)定在53安培的范圍內(nèi)，在0.2秒時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，此時(shí)主電源的電流、電壓分別降低為0，出現(xiàn)故障主要表現(xiàn)為主電源電壓、電流迅速降低，逐漸為零，當(dāng)該系統(tǒng)獲取特征信息之后，我們可以發(fā)現(xiàn)該故障主要為勵(lì)磁繞阻故障，相比無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)來看，進(jìn)一步驗(yàn)證了該數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，表明這種電源仿真模型具有一定的合理性，能夠在該模型的前提下添加故障模式并獲得相應(yīng)的故障信息，這對(duì)于構(gòu)建特征數(shù)據(jù)庫是具有重要意義的。構(gòu)建故障特征庫，實(shí)際上故障特征庫是系統(tǒng)故障診斷預(yù)測(cè)的重要內(nèi)容，可用于儲(chǔ)存專家知識(shí)庫和實(shí)際故障特征數(shù)據(jù)，這種特征庫是否完善將決定最終系統(tǒng)的故障診斷能力和效率，結(jié)合發(fā)電機(jī)故障類型和實(shí)際運(yùn)行過程中獲得的參數(shù)檢測(cè)情況，我們可以發(fā)現(xiàn)將直流電壓28伏特，直流電流28安培作為故障特征向量診斷信號(hào)，主要由于電流、電壓信號(hào)反應(yīng)目前系統(tǒng)的故障運(yùn)行狀態(tài)，并且利用電流電源監(jiān)測(cè)傳感器且由于其放置條件較為便利，可用以獲取真實(shí)的測(cè)量效果，由于在測(cè)量時(shí)需要借助直流發(fā)電機(jī)、三相電壓，因此在實(shí)際監(jiān)測(cè)時(shí)難度是比較大的，最終我們沒有將其納入故障特征庫中。

結(jié)束語

為保證機(jī)載電子設(shè)備的可靠工作，需盡量縮短甚至消除供電模式轉(zhuǎn)換過程中的供電中斷時(shí)間，本文所介紹的機(jī)載電源系統(tǒng)利用蓄電池作為緩沖，能夠?qū)崿F(xiàn)不中斷供電，從而保證了機(jī)載用電設(shè)備的正常工作。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：中國飛行試驗(yàn)研究院）