某型發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)電氣控制系統(tǒng)原位診斷技術(shù)研究

孟 飛，楊冬進(jìn)

(空軍工程大學(xué)航空機(jī)務(wù)士官學(xué)校 航空儀電工程系，河南 信陽 464000)

0 引言

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)在使用中，由于機(jī)械-電氣-液壓一體化的復(fù)雜設(shè)計(jì)和近乎苛刻的使用條件，使得該發(fā)動(dòng)機(jī)同比故障概率一直居高不下，特別是由于其起動(dòng)電氣控制系統(tǒng)故障造成的起動(dòng)中止、排氣超溫、轉(zhuǎn)速過高、伴隨喘振等起動(dòng)失效故障頻發(fā)，加上維修現(xiàn)場缺乏有效的故障診斷設(shè)備，需要技術(shù)人員反復(fù)拆件試車更換設(shè)備來進(jìn)行故障定位，嚴(yán)重影響其實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性。因此，準(zhǔn)確測量起動(dòng)電氣控制系統(tǒng)附件電氣參數(shù)性能以便迅速判定起動(dòng)系統(tǒng)邏輯控制關(guān)系、實(shí)現(xiàn)在停車狀態(tài)下模擬發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)流程并迅速定位故障成為用戶當(dāng)前的迫切需求。

近年來，針對航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)故障的研究主要分為三個(gè)方向：一是直接研究導(dǎo)致起動(dòng)失效的設(shè)備或裝置，在維修手段上達(dá)到降低故障率的目的。如文獻(xiàn)[1]研究了發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)超溫的故障機(jī)理并提出了相應(yīng)故障預(yù)防措施；文獻(xiàn)[2]分析了起動(dòng)工作過程，提出了一種可以適應(yīng)高原工作的發(fā)動(dòng)機(jī)供油調(diào)整方法，能夠解決發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)失速問題。二是從設(shè)計(jì)入手，分析起動(dòng)系統(tǒng)故障的失效原因，提出相應(yīng)改進(jìn)措施，如文獻(xiàn)[3]在分析發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)機(jī)、脫開機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度及壓氣機(jī)性能基礎(chǔ)上，研究出起動(dòng)機(jī)高功率高轉(zhuǎn)速下的脫開技術(shù)方案，不僅將起動(dòng)時(shí)間縮短，更能提升起動(dòng)工作性能，同時(shí)還保證了發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)主體不發(fā)生變化。三是將發(fā)動(dòng)機(jī)地面運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)作為樣本，對發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程進(jìn)行辨識，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、邏輯診斷理論、人工智能等方法建立起動(dòng)模型，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)對發(fā)動(dòng)機(jī)故障的邏輯診斷，如文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]。隨著機(jī)載電子設(shè)備的快速發(fā)展應(yīng)用，傳統(tǒng)的地面設(shè)備檢測發(fā)動(dòng)機(jī)的功能轉(zhuǎn)而由計(jì)算機(jī)在線實(shí)現(xiàn)。采集發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)的性能數(shù)據(jù)可以及時(shí)分析發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)和發(fā)展趨勢，從而減少故障檢測和隔離時(shí)段。文獻(xiàn)[6]采用基于xPC Target原理搭建了仿真平臺可較為準(zhǔn)確地測量發(fā)動(dòng)機(jī)健康參數(shù)，更早地檢測和隔離各種起動(dòng)系統(tǒng)故障。

本文結(jié)合目前檢測技術(shù)的發(fā)展和故障預(yù)測理論的應(yīng)用，使用故障模式和影響分析技術(shù)(Failure Mode and Effects Analysis，F(xiàn)MEA)對發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)電氣控制系統(tǒng)各重要性能參數(shù)及信號進(jìn)行實(shí)時(shí)“健康摸底”，根據(jù)歷史記錄時(shí)間序列數(shù)據(jù)分析電壓、電阻、電流、開關(guān)量的變化，并與標(biāo)準(zhǔn)庫和故障庫比對，從而判明系統(tǒng)各附件性能狀況，有效診斷出導(dǎo)致起動(dòng)失敗的原因及故障模式，為該系統(tǒng)維修提供決策依據(jù)，預(yù)防危險(xiǎn)性故障的發(fā)生。

1 原位診斷理論研究

1.1 起動(dòng)電氣控制系統(tǒng)簡介

發(fā)動(dòng)機(jī)的高低壓轉(zhuǎn)子由靜止?fàn)顟B(tài)被帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到可以由發(fā)動(dòng)機(jī)本身獨(dú)立供油而工作的這一過程，就是發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)。起動(dòng)電氣控制包括時(shí)間控制裝置、轉(zhuǎn)速控制裝置、自動(dòng)起動(dòng)裝置及附屬裝置等電氣設(shè)備。起動(dòng)程序機(jī)構(gòu)根據(jù)時(shí)間控制裝置和轉(zhuǎn)速控制裝置的指令，適時(shí)控制機(jī)電附屬裝置進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的電點(diǎn)火、供燃油、補(bǔ)氧氣、升轉(zhuǎn)速和限制排氣溫度，從而完成發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)。這些電氣設(shè)備在工作中，有表征其本身工作的特性或?qū)ν廨敵鲆?guī)定的電壓、電流、電阻、離散信號、地/開信號及其它模擬信號，信號與正常值的差異往往是引起發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)故障的重要表征。

1.2 電氣設(shè)備FMEA分析

FMEA基于故障模式的影響，分析各故障模式嚴(yán)酷程度和概率大小，列出危害后果，從而達(dá)到確定系統(tǒng)所有故障的目的。故障模式及影響分析的合理性和知識庫的科學(xué)性是診斷結(jié)果是否有效的關(guān)鍵因素，也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難題[7]。為此，首先通過搜集整理所有用戶單位故障數(shù)據(jù)的方式完善對起動(dòng)系統(tǒng)故障模式的研究，為工程實(shí)踐提供理論支持；其次根據(jù)維修任務(wù)制定合適的測量時(shí)機(jī)，建立一套起動(dòng)電氣控制系統(tǒng)電氣設(shè)備的電子履歷本，完善測量時(shí)機(jī)、方法和標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確記錄測量結(jié)果；最后將測量所得的電特征參量與其歷史記錄相比較，利用模糊控制決策理論，建立各設(shè)備元件的故障模式和自學(xué)習(xí)故障診斷專家系統(tǒng)。按照GJB1391-92故障模式影響及危害性分析程序[8]，針對起動(dòng)電氣控制系統(tǒng)各附件梳理功能組成、研究故障模式，并分析其可靠性。點(diǎn)火裝置可靠性(部分)如圖1所示，點(diǎn)火裝置故障模式及影響分析(部分)如表1所示。

圖1 點(diǎn)火裝置可靠性方框圖(部分)

表1 點(diǎn)火裝置故障模式及影響分析表(部分)

1.3 知識庫的建立

將維修資料和歷史故障分析手段作為故障診斷的主要知識來源，并將故障診斷知識通過FMEA表格的形式直觀明了地顯示出來，就可轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識別的診斷知識庫?；贔MEA的診斷知識庫的建立，實(shí)際上就是將FMEA轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)庫形式，并從數(shù)據(jù)表中獲得規(guī)則[9]。為完成推理機(jī)的設(shè)計(jì)，本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)知識庫時(shí)，運(yùn)用專家系統(tǒng)將FMEA需要研究的知識要點(diǎn)進(jìn)行規(guī)則轉(zhuǎn)化，為提高故障診斷準(zhǔn)確性，在推理上使用混合推理。診斷流程為：系統(tǒng)初始化，專家系統(tǒng)確定故障重要度與權(quán)重值；將故障現(xiàn)象獲取，通過檢索條件表中的記錄是否包含存在故障事實(shí)來進(jìn)行規(guī)則匹配，尋找故障原因。如果在診斷時(shí)有多條規(guī)則同時(shí)匹配成功，采用權(quán)重最大化策略，即規(guī)則表中選擇權(quán)重大的規(guī)則。診斷完畢后通過人機(jī)界面與用戶交流，確定最終的故障源，給出診斷結(jié)論和維修建議。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要從發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)電路控制關(guān)系出發(fā)，根據(jù)起動(dòng)過程工作邏輯進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，包括信號轉(zhuǎn)換調(diào)理單元、主控單元、故障診斷單元和電源單元等，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)原位診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中各重要模塊的作用為：

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)原位診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

(1)穩(wěn)壓電源模塊用來將機(jī)內(nèi)及地面提供的28 V直流電轉(zhuǎn)換為平臺所需的12 V和5 V高品質(zhì)穩(wěn)定直流電；

(2)信號取樣與控制模塊用于起動(dòng)系統(tǒng)與測試平臺的信號交聯(lián)；

(3)功放模塊采用OPA552將主控模塊的D/A信號處理，特征電壓范圍為0～28 V，從而驅(qū)動(dòng)自動(dòng)起動(dòng)裝置內(nèi)的繼電器線圈工作，實(shí)現(xiàn)對繼電器性能的測試；

(4)恒流源模塊用來穩(wěn)定被測部件電流；

(5)數(shù)字量驅(qū)動(dòng)模塊采用TTL邏輯陣列，根據(jù)主控測試流程，分時(shí)輸出控制信號，實(shí)現(xiàn)開關(guān)量邏輯序列檢測。

構(gòu)建的測試平臺包括加固機(jī)和適配箱兩大部分。加固機(jī)是主控單元，可以進(jìn)行測試控制、數(shù)據(jù)處理與分析；適配箱為測試單元，用于信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集與傳送[6]。該測試平臺可對系統(tǒng)邏輯功能、自動(dòng)起動(dòng)裝置內(nèi)各繼電器性能參數(shù)、各起動(dòng)電氣控制附件的電壓、電流、電阻、離散信號、地/開信號及其它模擬信號通過原位測量的方式，得到信號的幅值特征及相關(guān)性特征，從而形成診斷向量，為起動(dòng)系統(tǒng)故障判定提供決策依據(jù)。

圖3邏輯功能及時(shí)間單元測試原理

2.1 邏輯功能及時(shí)間單元測試

為準(zhǔn)確模擬發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)工作過程，判明故障產(chǎn)生時(shí)機(jī)，需對起動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行邏輯功能及時(shí)間單元測試，邏輯功能及時(shí)間單元測試原理如圖3所示。

邏輯功能測試方法為：由計(jì)算機(jī)控制總線接口，根據(jù)既定測試程序，分時(shí)輸出控制信號至被試件輸入端，讀入被試件的輸出狀態(tài)，經(jīng)處理后與數(shù)據(jù)庫中標(biāo)準(zhǔn)邏輯關(guān)系比較，從而判斷其邏輯功能是否正常，并從對應(yīng)的故障庫中給出相應(yīng)故障信息和維修建議報(bào)告。時(shí)間單元的測試原理與邏輯測試類似。由輸出信號觸發(fā)被試件時(shí)間模塊，計(jì)算機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘同時(shí)計(jì)時(shí)，并跟蹤被試件輸出狀態(tài)信號，記錄狀態(tài)轉(zhuǎn)變的時(shí)間，與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間比對，以判斷時(shí)間模塊的工作狀況。

圖4繼電器特征電壓測試原理

2.2 繼電器特征電壓測試

自動(dòng)起動(dòng)裝置內(nèi)的繼電器用于適時(shí)接通或斷開起動(dòng)系統(tǒng)電氣設(shè)備的工作，主要性能特征即為繼電器內(nèi)使工作線圈吸合或釋放時(shí)的電壓值。繼電器特征電壓測試原理如圖4所示。

繼電器吸合電壓的測試是通過IO輸出板將被測繼電器的工作線圈切換到可調(diào)電源上，利用帶D/A功能STC單片機(jī)對電壓可調(diào)模塊(338K)的輸出電壓進(jìn)行調(diào)整，使施加在被測繼電器線圈兩端的電壓逐漸升高，同時(shí)通過IO輸入板對繼電器的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)繼電器工作瞬間即停止電壓的改變，同時(shí)通過A/D口讀取施加在繼電器線圈兩端的電壓值，此時(shí)的電壓值即為使繼電器吸合的工作電壓。與此類似，使控制電壓逐漸降低時(shí)，就可以測得使繼電器斷開的線圈釋放電壓。

圖5線圈電阻測試方案

2.3 線圈電阻測試

由IO輸出控制，將被測繼電器線圈兩端切換到恒流源通道，同時(shí)回讀線圈兩端電壓值，通過24位高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片(AD7705)將測試結(jié)果回傳進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，換算得出電阻值，記錄測試結(jié)果，作為附件工況的判斷依據(jù)。線圈電阻測試方案如圖5所示。

由于該發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)沒有設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)檢測信號輸出接口，因此測試設(shè)備必須通過轉(zhuǎn)接電纜采集系統(tǒng)電路工作信息，然后由適配邏輯轉(zhuǎn)換模塊將采集信息調(diào)理為測試平臺能夠識別的標(biāo)準(zhǔn)信號。在硬件設(shè)計(jì)中，采用了知名品牌的貨架產(chǎn)品，元器件選取考慮足夠的功率冗余，保證適配轉(zhuǎn)接電路工作的可靠性和準(zhǔn)確性。同時(shí)，控制部分和轉(zhuǎn)接調(diào)理部分均采用電氣隔離，設(shè)置保險(xiǎn)電路，避免串電干擾引發(fā)系統(tǒng)崩潰。這樣，保證了采集信號的準(zhǔn)確性以及起動(dòng)系統(tǒng)和測試儀器的安全性。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件功能

軟件功能包括自動(dòng)起動(dòng)裝置邏輯功能測試、控制單元關(guān)鍵參數(shù)測試、觸頭接觸電阻測試、起動(dòng)流程測試、數(shù)據(jù)處理與故障診斷、故障預(yù)測、維修決策、報(bào)表生成等。

3.1.1 自動(dòng)起動(dòng)裝置邏輯功能測試

按照自動(dòng)起動(dòng)裝置內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)電路邏輯建立等效電路結(jié)構(gòu)模型，通過與系統(tǒng)實(shí)際檢測的邏輯數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，輸出自動(dòng)起動(dòng)裝置內(nèi)部邏輯情況。

3.1.2 控制單元關(guān)鍵參數(shù)測試

通過電路邏輯轉(zhuǎn)換來判斷控制單元的工作狀態(tài)，讀取并鎖定關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行輸出。同時(shí)作為相關(guān)事實(shí)結(jié)合規(guī)則用于故障診斷和模糊決策。

3.1.3 觸頭接觸電阻測試

系統(tǒng)控制恒流源模塊、電量取樣及控制模塊控制相關(guān)單元的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，采用精確電阻測試算法，進(jìn)行常開/常閉觸頭接觸電阻測試。

3.1.4 起動(dòng)流程測試

按照標(biāo)準(zhǔn)起動(dòng)控制程序向自動(dòng)起動(dòng)裝置輸出控制信號，讀取自動(dòng)起動(dòng)裝置的輸出信號，與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對比，測試起動(dòng)流程的執(zhí)行情況。

3.1.5 數(shù)據(jù)處理與故障診斷

對測試得到的結(jié)果運(yùn)用時(shí)序法來進(jìn)行分析處理，依據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的規(guī)則來查找相應(yīng)故障的起因，給出診斷結(jié)論，并將測試結(jié)果納入事實(shí)庫中。

3.1.6 維修決策

對各模擬信號通過在線測量和定期維護(hù)的方式，得到信號的幅值特征及相關(guān)性特征，從而形成診斷向量，為起動(dòng)系統(tǒng)故障判定提供決策依據(jù)。

3.1.7 報(bào)表生成

以報(bào)表形式輸出測試分析、診斷結(jié)果及維修建議。

3.2 軟件流程

3.2.1 開發(fā)工具

本系統(tǒng)采用ViusalBasic6.0作為軟件開發(fā)工具，VB具有人工智能語言的某些特征，它能進(jìn)行關(guān)系、邏輯運(yùn)算，有較強(qiáng)的符號處理能力，可以直接訪問多類型的數(shù)據(jù)庫，直接創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫并進(jìn)行適當(dāng)?shù)木S護(hù)。VB與Windows內(nèi)部程序結(jié)合，開發(fā)的應(yīng)用軟件具有高效快速、界面豐富友好的特點(diǎn)。

系統(tǒng)知識庫采用Access數(shù)據(jù)庫的形式，主要根據(jù)起動(dòng)系統(tǒng)工作邏輯和電路連接關(guān)系，存儲加電、測電、參數(shù)指標(biāo)、故障分析、維修建議等信息，用于測試時(shí)的判讀標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)庫包括標(biāo)準(zhǔn)庫、事實(shí)庫和規(guī)則庫，其中，標(biāo)準(zhǔn)庫用于存儲起動(dòng)系統(tǒng)等效電路結(jié)構(gòu)模型；動(dòng)靜態(tài)的各種事實(shí)被存儲于事實(shí)庫中，而基于專家系統(tǒng)的規(guī)則統(tǒng)一被置于規(guī)則庫內(nèi)。其中，事實(shí)庫由于系統(tǒng)的運(yùn)行和推理的進(jìn)行，事實(shí)在不斷地更新和變化，因而事實(shí)庫也是處于不斷地完善之中。

用規(guī)則不僅可以表達(dá)事實(shí)，而且可以附上權(quán)重表示對事實(shí)的相信程度，這就實(shí)現(xiàn)了專家系統(tǒng)中的非精確推理。

3.2.2 軟件主程序

主程序由主菜單功能選擇模塊、測試模塊、數(shù)據(jù)處理及分析模塊、故障診斷模塊、維修決策模塊、報(bào)表生成模塊組成，主程序診斷流程如圖6所示。其中功能選擇模塊包括自動(dòng)起動(dòng)裝置原位測試和起動(dòng)在線測試選擇；測試模塊包括邏輯功能測試、控制單元關(guān)鍵參數(shù)測試、觸頭接觸電阻測試和起動(dòng)流程測試子程序[10]；數(shù)據(jù)處理與故障診斷模塊采用時(shí)序分析法分析測試的最終結(jié)果，依據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的規(guī)則判據(jù)對應(yīng)相應(yīng)故障原因，引出診斷結(jié)論，并將測試結(jié)果納入事實(shí)庫中；維修決策模塊根據(jù)診斷結(jié)果給出維修建議；報(bào)表生成模塊以報(bào)表形式輸出測試分析結(jié)果、診斷結(jié)果及維修建議。

3.2.3 軟件測試流程

將地面起動(dòng)按照系統(tǒng)本身工作流程劃分為11個(gè)模塊，按照工作時(shí)序逐步進(jìn)行測試，測試結(jié)論實(shí)時(shí)顯示，并可以生成報(bào)表，打印并存儲，軟件測試流程如圖7所示。

圖6主程序診斷流程圖

圖7 軟件測試流程圖

系統(tǒng)地面起動(dòng)流程測試界面如圖8所示。進(jìn)入主界面后，首先對測控平臺的96個(gè)測試通道進(jìn)行自檢。通過后才能進(jìn)入相應(yīng)測試模塊，防止因設(shè)備本身故障導(dǎo)致診斷誤差。

圖8地面起動(dòng)流程測試界面

3.3 抗干擾問題

該系統(tǒng)涉及的信號種類較多，信號線的交叉連接產(chǎn)生了空間輻射干擾，各信號通道之間及信號與電源通道之間均有明顯干擾發(fā)生。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，采取了如下抗干擾技術(shù)：

(1)在信號的傳輸上依據(jù)信號類型分通道模塊設(shè)計(jì)，模塊與模塊之間各使用專用通道傳輸信號。其中，具有特殊需求和特征的模擬信號為保證精度，還專設(shè)地線，并區(qū)分地線A/D類型。

(2)在抗電磁波輻射設(shè)計(jì)上進(jìn)行綜合屏蔽。機(jī)箱的材質(zhì)采用航空級鋁合金，使其表面搭鐵電阻盡可能小；控制模塊電路據(jù)精度要求增加屏蔽罩；印刷板電路也設(shè)置有效接地，并對傳輸線路采用屏蔽線設(shè)計(jì)。

(3)在軟件上運(yùn)用多種方手段如數(shù)字濾波、判斷標(biāo)志等措施來提高軟件系統(tǒng)抗干擾能力。

4 結(jié)語

本文從工程實(shí)踐的經(jīng)濟(jì)性和效率出發(fā)，根據(jù)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)工作過程邏輯，綜合采用PC104總線控制、數(shù)據(jù)采集與處理、故障模式影響分析技術(shù)，研究了發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)在線診斷技術(shù)途徑，并用便攜式加固一體機(jī)試制智能檢測設(shè)備，對電氣控制系統(tǒng)各附件進(jìn)行實(shí)時(shí)“健康摸底”，與標(biāo)準(zhǔn)庫和故障庫對比，根據(jù)歷史記錄時(shí)間序列數(shù)據(jù)分析判明其性能狀況，從而有效診斷出導(dǎo)致起動(dòng)失敗的原因及故障模式，并提出相應(yīng)維修方法和故障預(yù)測策略。根據(jù)用戶反映，試制的檢測平臺具有小型化、模塊化、便攜性等特點(diǎn)，可原位在線快速實(shí)現(xiàn)起動(dòng)電氣控制系統(tǒng)附件的性能測試和故障診斷，提高了該系統(tǒng)的維修效率。特別是能對隱蔽故障和臨界故障進(jìn)行排查，對附件及主要元件的性能狀況進(jìn)行評估，提出預(yù)防性維修措施，可以充分為維修保障提供技術(shù)支持。該系統(tǒng)還可以拓展應(yīng)用于飛機(jī)其他電氣控制系統(tǒng)的維修保障，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和推廣應(yīng)用前景。