四余度舵機(jī)故障預(yù)測(cè)及健康管理系統(tǒng)

李書(shū)明，李 鵬

（中國(guó)民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津 300300）

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

某型四余度舵機(jī)是機(jī)、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(jī)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(jī)無(wú)故障及時(shí)升空，地面維護(hù)人員應(yīng)在發(fā)現(xiàn)故障后快速、準(zhǔn)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(cè)和健康管理（Prognostics Health Management，PHM）以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷和壽命預(yù)測(cè)，從而減少事故率，節(jié)省維修費(fèi)用。

某型四余度舵機(jī)是由主作動(dòng)筒及伺服作動(dòng)筒、二重主控制閥（MVC）、二重單級(jí)電液伺服閥、四重故障檢測(cè)傳感器、指令選擇機(jī)構(gòu)等組成，最終能實(shí)現(xiàn)平尾運(yùn)動(dòng)與控制信號(hào)的同步。

目前，針對(duì)四余度舵機(jī)的故障監(jiān)測(cè)和故障診斷研究較多，文獻(xiàn)[1]針對(duì)四余度舵機(jī)的各種故障模式，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)四余度舵機(jī)的故障診斷，因此對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)與健康管理，具有重要的理論與工程應(yīng)用價(jià)值。

本文提出了飛機(jī)四余度舵機(jī)健康管理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，并對(duì)機(jī)載健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和地面維護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，通過(guò)健康管理試驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)四余度舵機(jī)系統(tǒng)故障的預(yù)測(cè)和診斷。

1 典型故障分析

根據(jù)此型四余度舵機(jī)的系統(tǒng)組成及實(shí)際外場(chǎng)維護(hù)需要，主要從元件故障、部件故障這2個(gè)層次來(lái)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(shí)際情況以及維修經(jīng)驗(yàn)，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(dòng)；x5噪聲大；x6不動(dòng)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(jī)系統(tǒng)的主要部件為液壓舵機(jī)，其故障征兆集和故障原因集如下：

液壓舵機(jī)故障征兆集

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

液壓舵機(jī)故障原因集

Y2：{y1伺服閥故障；y2電磁開(kāi)關(guān)故障；y3反饋傳感器故障；y4校正傳感器故障；y5微動(dòng)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(jì)

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

圖1 飛機(jī)四余度舵機(jī)PHM結(jié)構(gòu)

圖1中，機(jī)載四余度舵機(jī)PHM系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飛機(jī)四余度舵機(jī)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(shí)間長(zhǎng)度，提供當(dāng)前有效資源的狀態(tài)信息；同時(shí)，通過(guò)天地?cái)?shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，將飛機(jī)四余度舵機(jī)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(hù)管理系統(tǒng)根據(jù)在線采集及歷史記錄的數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)或部件的故障進(jìn)行預(yù)先估計(jì)，根據(jù)診斷/預(yù)測(cè)信息、可用資源和使用需求對(duì)維修活動(dòng)做出適當(dāng)決策的能力，并動(dòng)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(jì)

PHM系統(tǒng)信息層次可分為7層，分別是[3～5]：

（1）信號(hào)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(hào)處理層。處理PHM系統(tǒng)來(lái)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(jì)(平均、標(biāo)準(zhǔn)偏差)等；

（3）狀態(tài)監(jiān)控層。輸入為信號(hào)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(píng)估層。該層的功能是持續(xù)融合來(lái)自條件監(jiān)視層以及其他健康評(píng)估部分的多個(gè)信息源的數(shù)據(jù)，診斷并報(bào)告檢測(cè)部分和子系統(tǒng)的健康狀態(tài)，并據(jù)此進(jìn)行故障隔離，完成余度管理、實(shí)時(shí)綜合資源管理和優(yōu)化以及重組/重構(gòu)；

（5）預(yù)測(cè)層。產(chǎn)生對(duì)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(jì)，預(yù)測(cè)部件或子系統(tǒng)運(yùn)行趨勢(shì)；

（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(guò)程提供支撐；

（7）表達(dá)層。是PHM系統(tǒng)與使用者的接口。

圖2 四余度舵機(jī)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(biāo)的多任務(wù)異常分析技術(shù)

基于信標(biāo)的多任務(wù)異常分析（BEAM）是一種端對(duì)端的數(shù)據(jù)分析方法，用于實(shí)時(shí)或離線故障檢測(cè)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(dòng)態(tài)模型、符號(hào)數(shù)據(jù)模型和統(tǒng)計(jì)模型融合的獨(dú)特部件組成。BEAM提供機(jī)上識(shí)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(shí)別

小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為一種自適應(yīng)的模式識(shí)別技術(shù)，并不需要預(yù)先給出有關(guān)模式的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和判別函數(shù)，其通過(guò)自身的學(xué)習(xí)機(jī)制，自動(dòng)形成所需求的決策區(qū)域。首先利用一組故障樣本對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(shí)現(xiàn)征兆集到故障集的非線性映射的過(guò)程。

3.3 故障預(yù)測(cè)

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

（1）時(shí)間序列 TS（Time Series）預(yù)測(cè)把數(shù)據(jù)、模型和系統(tǒng)關(guān)聯(lián)起來(lái)的一種動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)是所需歷史數(shù)據(jù)少、計(jì)算量小。

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

（3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)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(duì)四余度舵機(jī)的某參數(shù)進(jìn)行非線性擬合預(yù)測(cè)；

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

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(qiáng)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(dòng)、精確、快速、協(xié)同等功能特點(diǎn)。地面健康管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)接受空地?cái)?shù)據(jù)鏈傳輸?shù)娘w行數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)更新四余度舵機(jī)系統(tǒng)的維修數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合知識(shí)和模型評(píng)估其健康狀況，預(yù)先估計(jì)系統(tǒng)或部附件的故障，根據(jù)故障預(yù)測(cè)模型進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。從而制定維修策略，實(shí)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(jī)四余度舵機(jī)PHM集成工程環(huán)境主要由3部分組成：開(kāi)發(fā)環(huán)境、運(yùn)行環(huán)境以及驗(yàn)證環(huán)境。該環(huán)境提供PHM系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具平臺(tái)、系統(tǒng)使用測(cè)試平臺(tái)以及驗(yàn)證評(píng)估平臺(tái)，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(cè)與管理水平[6～7]。

PHM開(kāi)發(fā)環(huán)境利用分析工具與設(shè)計(jì)工具，依據(jù)需求條件和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，進(jìn)行系統(tǒng)健康管理的功能設(shè)計(jì)。主要過(guò)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(yùn)行環(huán)境為實(shí)現(xiàn)綜合健康管理系統(tǒng)的集成、應(yīng)用及測(cè)試提供一個(gè)運(yùn)行測(cè)試平臺(tái)。利用此環(huán)境，使用者能夠?qū)Ω黜?xiàng)目的綜合健康管理系統(tǒng)與集成技術(shù)進(jìn)行測(cè)試與完善。主要包括以下幾個(gè)內(nèi)容：開(kāi)放式參考體系結(jié)構(gòu)，PHM各技術(shù)組件庫(kù)，多平臺(tái)使用數(shù)據(jù)獲取與數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和決策支持輸出等。

PHM驗(yàn)證環(huán)境是整個(gè)PHM系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證評(píng)估改善的平臺(tái)。該環(huán)境提供一個(gè)完整的平臺(tái)和一套標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)估體系，對(duì)PHM效能進(jìn)行驗(yàn)證評(píng)估，完成對(duì)各項(xiàng)獨(dú)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(kāi)發(fā)、測(cè)試與完善。

6 結(jié)束語(yǔ)

PHM對(duì)提高飛機(jī)安全性能、提高維修保障效率、降低壽命周期費(fèi)用將起到重要作用。本文通過(guò)對(duì)某型四余度舵機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行典型故障分析，提出了系統(tǒng)預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)總體方案，并對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了初步研究。PHM在國(guó)內(nèi)研究還不成熟，因此，從PHM的提出到實(shí)現(xiàn)，今后無(wú)疑還要做大量深入的技術(shù)研究和開(kāi)發(fā)工作。

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