機載燃油測量系統(tǒng)PHM測試床設計及故障注入實現(xiàn)

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機載燃油測量系統(tǒng)PHM測試床設計及故障注入實現(xiàn)

余思奇，景博，吳喆，楊洲，鄧森

（空軍工程大學航空航天工程學院，陜西西安710038）

摘要：針對國內(nèi)缺少故障預測與健康管理（prognostics and health management，PHM）驗證評估平臺的現(xiàn)狀，在深入研究國外典型PHM測試床基礎(chǔ)上，以飛機典型機電子系統(tǒng)——燃油測量系統(tǒng)為例，提出PHM測試床設計方案，采用NI虛擬儀器和PXI總線模塊儀器設計并實現(xiàn)PHM測試床故障注入功能，解決PHM驗證中數(shù)據(jù)源匱乏的問題。實驗表明：系統(tǒng)能有效再現(xiàn)故障模式，為PHM技術(shù)提供驗證評估平臺，對機電系統(tǒng)PHM通用化驗證平臺研究有參考價值。

關(guān)鍵詞：故障預測與健康管理；PHM測試床；故障注入；機載燃油測量系統(tǒng)

收到修改稿日期：2013-02-27

0　引言

故障預測與健康管理是一種全面的故障檢測、隔離、預測及健康管理技術(shù)，能有效提高系統(tǒng)安全性、戰(zhàn)備完好率和任務成功率，對推動自主后勤、降低使用維護費用具有重要作用[1-2]。驗證評估是實現(xiàn)PHM的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其發(fā)展研究的滯后已逐漸成為制約PHM技術(shù)熟化的瓶頸。PHM驗證與評估存在的主要問題包括缺少算法評估對比的通用性框架和指標體系，驗證平臺較少以及實時故障數(shù)據(jù)難以獲取等。

PHM測試床為PHM驗證評估提供綜合開發(fā)環(huán)境和高度儀器化的實驗平臺，對促進診斷理論成熟、提供算法性能評估、輔助健康管理系統(tǒng)設計意義重大[3-4]；同時能顯著降低試驗費用，縮短驗證評估周期；通過故障注入，再現(xiàn)故障征兆，也在一定程度上解決了實時故障數(shù)據(jù)缺乏的困境。飛機機電系統(tǒng)主要指對飛行或戰(zhàn)斗起底層支撐和輔助作用的機械電氣系統(tǒng)。作為飛機結(jié)構(gòu)中的典型系統(tǒng)之一，研究其PHM相關(guān)技術(shù)具有代表性及現(xiàn)實意義[5-6]。

本文以飛機典型機電子系統(tǒng)——機載燃油測量系統(tǒng)為例，研究了PHM測試床相關(guān)技術(shù)。針對國內(nèi)PHM測試床理論研究剛剛起步而工程實踐尚未展開的現(xiàn)狀，在總結(jié)國外典型PHM測試床結(jié)構(gòu)組成、設計理念和故障注入方式的基礎(chǔ)上，提出機載燃油測量系統(tǒng)PHM測試床設計方案。

1　典型測試床特點分析

美國國家航空航天局（NASA）埃姆斯研究中心致力于PHM技術(shù)及驗證的研究，設計了先進診斷和預測測試床[7-8]（advanced diagnostics and prognostic testbed，ADAPT）及機電作動器飛行測試臺（flyable electromechanical actual test stand，F(xiàn)LEA），主要用于提供診斷算法的實驗平臺和診斷系統(tǒng)評估測試的技術(shù)基礎(chǔ)，搭建PHM理論研究與航空航天應用間的橋梁，促進診斷技術(shù)的成熟。

1.1 ADAPT

ADAPT包括航天電源系統(tǒng)及負載的硬件實物平臺、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和基于局域網(wǎng)的評估系統(tǒng)。實物平臺包括蓄電池、負載以及相關(guān)組件，模擬航天電源系統(tǒng)中電能的產(chǎn)生、存儲及配送過程；系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和控制模塊能實時獲取電壓、電流和溫度等數(shù)據(jù)；驗證算法直接或通過輔助系統(tǒng)集成到測試床，利用C++或Java應用程序接口與系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信。

ADAPT同時構(gòu)建了數(shù)字式虛擬測試床，實現(xiàn)對測試床硬件高仿真度建模。虛擬測試床采用與ADAPT相同的基于訂閱/發(fā)布的數(shù)據(jù)通信模式、功能角色及局域網(wǎng)接口。

ADAPT通過重復的軟硬件故障注入方式，為診斷和預測模型及算法提供標準化的測試平臺。軟件故障注入通過修改控制命令和補償傳感器數(shù)據(jù)模擬傳感器故障；硬件故障注入直接引入對測試床無安全影響的故障；虛擬測試床仿真實驗成本昂貴、危險性高或硬件難以注入的故障。

1.2 FLEA

FLEA包括航空作動器系統(tǒng)實物平臺、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制器。系統(tǒng)采用小型化、自主化設計，所有裝置集成到小型鋁合金設備內(nèi)，正常工作僅需要提供機載數(shù)據(jù)總線和電源接口。作動器實物平臺包括正常作動器、故障作動器和負載作動器，其中負載作動器為其他作動器提供負載；控制器和數(shù)據(jù)采集卡均使用貨架產(chǎn)品；軟件系統(tǒng)基于LabVIEW和Matlab混合編程設計。

FLEA商品化、集成化的設計不僅能夠提供軟硬件結(jié)合的故障注入，還能實施性價比良好的失效試驗分析。故障注入包括通過軟件修改被測數(shù)據(jù)模擬傳感器故障；通過外圍裝置作用模擬部分機械故障。失效實驗采用系統(tǒng)重復工作、加速失效的方式實施。

NASA埃姆斯研究中心針對不同系統(tǒng)設計的PHM測試床，具有4個共同特點：

（1）基于實物系統(tǒng)硬件平臺設計測試床，為PHM技術(shù)驗證提供真實的運行環(huán)境。

（2）布置大量傳感器，提供強大的數(shù)據(jù)采集能力，能有效獲取系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)。

（3）從安全性、經(jīng)濟性和真實性的出發(fā)，采用多樣化的故障注入方式。

（4）充分利用貨架商品設計軟硬件，提高系統(tǒng)通用性、擴展性和經(jīng)濟性。

1.3國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國PHM技術(shù)起步較晚，與國外存在較大差距。目前主要研究集中于PHM關(guān)鍵技術(shù)，并且已在數(shù)據(jù)采集、診斷預測算法等方面具有一定技術(shù)積累。PHM系統(tǒng)設計大部分借鑒機械信息管理開放系統(tǒng)聯(lián)盟（MIMOSA）提出的視情維修的開放系統(tǒng)體系構(gòu)架（OSA-CBM），仍處于理論研究階段。部分科研院所進行了PHM系統(tǒng)設計的工程實踐，但產(chǎn)品功能有限。

PHM驗證評估技術(shù)研究則剛剛起步，吳明強等在分析國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，提出構(gòu)建PHM集成工程環(huán)境的設計思路，并闡述了各部分的功能組成[9]；代京等綜述了PHM驗證評估的相關(guān)定義和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，指出了國內(nèi)研究中存在的不足[4]。目前國內(nèi)PHM測試床研究仍停留在理論構(gòu)想階段，沒有針對具體對象的工程實踐，因此建立典型系統(tǒng)PHM測試床對PHM驗證評估的理論發(fā)展和工程實踐都具有積極意義。

2　機載燃油測量系統(tǒng)PHM測試床設計

2.1飛機燃油測量系統(tǒng)

飛機燃油系統(tǒng)是儲存燃油，并保證在飛機所有工作狀態(tài)下按規(guī)定順序向發(fā)動機輸送燃油的裝置。飛機燃油測量系統(tǒng)是飛機燃油系統(tǒng)的子系統(tǒng)，用于提供各種油量信息，一般由油量傳感器、補償傳感器、密度傳感器、燃油測量計算機和油量顯示等部分組成，其基本工作原理如圖1所示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，信號種類繁多，交聯(lián)影響較大，是飛機典型的機電子系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的模擬式機載燃油測量系統(tǒng)存在測量精度低及可靠性維護性差等缺點，現(xiàn)役戰(zhàn)機燃油測量系統(tǒng)同樣面臨故障率高和測試效率低的問題。隨著視情維修和自主后勤要求的提出，面向新一代戰(zhàn)

圖1　飛機燃油測量系統(tǒng)基本工作原理

機的機載燃油測量系統(tǒng)必須具備PHM技術(shù)，以適應新型武器裝備提高維修效率、降低全壽命周期費用的需求。

2.2 PHM測試床設計

針對機載燃油測量系統(tǒng)PHM技術(shù)發(fā)展需求并結(jié)合典型機載燃油測量系統(tǒng)特點，設計PHM測試床由測試平臺、運行平臺和驗證評估平臺組成，能為PHM系統(tǒng)設計、測試、評估和改進提供綜合開發(fā)環(huán)境。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　機載燃油測量系統(tǒng)PHM測試床

測試平臺在機載燃油測量系統(tǒng)半實物仿真平臺的基礎(chǔ)上搭建而成，包括模擬油箱、傳感器、燃油計算機和傳統(tǒng)儀表，構(gòu)成了模擬式機載燃油測量系統(tǒng)和數(shù)字式機載燃油測量系統(tǒng)。能真實地模擬機載燃油測量系統(tǒng)，提供PHM系統(tǒng)高仿真度運行環(huán)境；以數(shù)字式機載燃油測量系統(tǒng)為載體，提供測試性設計與改進硬件平臺；允許故障注入，提供PHM系統(tǒng)測試環(huán)境。

運行平臺由數(shù)據(jù)采集和處理器組成。數(shù)據(jù)采集方式包括傳感器采集和測試點信號經(jīng)接線端子板直接引出，處理器采用PXI總線嵌入式控制器。運行平臺為PHM全過程實施提供軟件系統(tǒng)和硬件基礎(chǔ)。

驗證評估平臺由故障注入模塊和測試性模塊組成。故障注入模塊包括PXI總線系統(tǒng)硬件平臺和NI虛擬儀器軟件平臺，能提供軟硬件結(jié)合的故障注入方式。測試性模塊搭載了美國QSI公司開發(fā)的集成化系統(tǒng)軟件平臺TEAMS。驗證評估平臺能再現(xiàn)故障征兆，提供算法驗證所需的故障數(shù)據(jù)；驗證PHM性能指標，提供性能分析報告；構(gòu)建基于多信號流圖的測試性建模環(huán)境，提供對象系統(tǒng)測試性分析、驗證與優(yōu)化軟件平臺。

3　故障注入模塊設計

3.1總體框架

依據(jù)研究歷史數(shù)據(jù)和維護經(jīng)驗所總結(jié)的機載燃油測量系統(tǒng)故障模式，采用軟硬件結(jié)合的故障注入方法。

（1）軟件故障注入。燃油測量系統(tǒng)傳感器數(shù)量和故障類型多，硬件故障注入需要大量外圍電路，故設計軟件故障注入器，通過修改采集的數(shù)據(jù)，模擬傳感器故障及數(shù)據(jù)錯誤。

（2）硬件故障注入。對易于實現(xiàn)、不影響系統(tǒng)安全的故障（如傳感器開路等）硬件故障注入[10]。

（3）邊界掃描故障注入。電路板故障注入通常采用插入法和探針法。插入法會改變目標系統(tǒng)的時序（尤其是高速系統(tǒng)）；探針法容易損害芯片，且對于部分封裝的芯片故障覆蓋率不高。基于燃油計算機固有的JTAG調(diào)試接口，采用邊界掃描技術(shù)實施故障注入[11]。

結(jié)合燃油測量系統(tǒng)實物平臺和故障注入需求，提出故障注入模塊的總體設計方案。本模塊包括控制器、故障注入器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能實現(xiàn)燃油測量系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)采集和故障注入，同時提供被測算法性能評估報告，模塊框圖如圖3所示。故障注入模塊首先確定測試床各子系統(tǒng)工作狀態(tài)，并根據(jù)用戶需求設置故障注入?yún)?shù)；其次實施故障注入以及有效性判定；最后給出故障診斷算法評估結(jié)論。

3.2硬件設計

為提高系統(tǒng)的擴展性，選取貨架產(chǎn)品較多、規(guī)范定義成熟、與主流軟件平臺兼容性高的PXI總線系統(tǒng)。機載燃油測量系統(tǒng)測試床故障注入模塊硬件由控制器、故障注入器、數(shù)據(jù)通信模塊等組成，圖4為系統(tǒng)硬件設計圖。

控制器采用凌華科技3U PXI-3950/M2G嵌入式控制器，配置CoreTM2Duo T7500 2.2GHz內(nèi)核，帶有2 G內(nèi)存和160 G硬盤，安裝Windows XP系統(tǒng)。控制器提供良好的人機交互界面，支持故障參數(shù)設

圖3　故障注入模塊框圖

圖4　系統(tǒng)硬件設計圖

置、控制故障注入器配置及故障注入；搭載評估系統(tǒng)，提供算法評估報告；構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，輔助故障建模、算法開發(fā)和評估。

故障注入器由注入電路和邊界掃描模塊組成。注入電路主要完成實物平臺的故障注入，包括矩陣開關(guān)（#2）和接線端子板。設計矩陣開關(guān)選通式故障注入方式，通過改變繼電器狀態(tài)，屏蔽正常信號，引入故障信號。如圖5所示。邊界掃描模塊采用PXI標準化模塊儀器，將控制器設置的故障參數(shù)轉(zhuǎn)換成符合IEEE1149.4標準的混合邊界掃描信號，模擬集成芯片以及電子元件虛焊、短路等故障。

數(shù)據(jù)通信模塊包括ARINC429接口電路和數(shù)據(jù)采集電路，均采用支持PXI總線的模塊儀器。數(shù)據(jù)采集電路提供多路模擬和數(shù)字信號輸入，采集傳感器實時運行數(shù)據(jù)，并提供矩陣開關(guān)多路控制信號。ARINC429接口電路實現(xiàn)與燃油計算機的數(shù)據(jù)通信，獲取油耗量、告警及系統(tǒng)實時狀態(tài)監(jiān)控信息。

圖5　注入電路原理圖

3.3軟件設計

PXI總線是在PCI總線規(guī)范基礎(chǔ)上設計實現(xiàn)的，保持了與用戶熟悉的工業(yè)PC軟件的兼容性，本文選用NI公司的圖形化編程的軟件LabVIEW設計控制界面。LabVIEW提供與網(wǎng)絡和絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)化查詢語言數(shù)據(jù)庫通信的能力；集成的DAQ選項卡，使用戶能夠快速地采集數(shù)據(jù)和產(chǎn)生信號；采用模塊儀器配套的驅(qū)動軟件，無需用戶自行設計。本文基于LabVIEW強大的數(shù)據(jù)采集和通信能力采用混合編程設計故障注入模塊。軟件系統(tǒng)框架如圖6所示。

圖6　軟件系統(tǒng)構(gòu)架

故障注入模塊軟件系統(tǒng)包括故障注入控制、診斷平臺、數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)處理。

故障注入控制由控制界面、軟件故障注入器組成，采用LabVIEW和數(shù)據(jù)庫混合編程設計，以實現(xiàn)故障注入器的配置、故障注入控制以及數(shù)據(jù)庫管理。控制界面采用圖形化編程語言設計，支持故障注入?yún)?shù)設置、有效性判定、評價結(jié)果及故障注入器配置信息的顯示；利用LabSQL工具包提供的數(shù)據(jù)庫訪問能力，輔助用戶建立故障模型，設置故障樣本、注入點、樣本數(shù)量、注入時間等參數(shù)；借助DAQ選項卡功能，實現(xiàn)故障注入器控制。軟件故障注入器采用LabVIEW功能函數(shù)信號發(fā)生子模塊產(chǎn)生基本波形、各種噪聲和直流偏移等信號，能仿真噪聲過大、靜態(tài)故障和突發(fā)故障等。

評估模塊包括診斷平臺和評估平臺。診斷平臺由Matlab和LabVIEW混合編程設計，借助ActiveX自動化技術(shù)實現(xiàn)LabVIEW對Matlab命令的調(diào)用，為算法提供運行平臺；利用LabVIEW的數(shù)據(jù)采集和通信功能，為算法提供故障數(shù)據(jù)。評估平臺通過計算目標系統(tǒng)的故障隔離率、故障虛警率等指標，并結(jié)合故障模型建立及設置的注入?yún)?shù)全面評價目標系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)處理模塊利用LabVIEW功能函數(shù)信號處理子模塊提供的數(shù)字濾波器、時域分析和頻域分析等功能，處理實時采集的系統(tǒng)工作數(shù)據(jù)，并提供給軟件故障注入器、診斷平臺和數(shù)據(jù)庫等模塊。

數(shù)據(jù)庫是軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包含專家系統(tǒng)、對象模型、評價結(jié)果和歷史數(shù)據(jù)等子數(shù)據(jù)庫，用于輔助故障模型建立以及記錄評估結(jié)果和系統(tǒng)工作數(shù)據(jù)。

4　故障注入實驗

本實驗注入的故障類型如表1所示。機載燃油測量系統(tǒng)半實物仿真平臺安裝19根電容式傳感器和15根磁致伸縮液位傳感器，結(jié)合表1的故障類型，本次實驗注入故障257個。其中成功注入故障254個，對3#、7#、12#電容式傳感器注入短路故障引起電壓不穩(wěn)定，導致輸出干擾較大并造成故障注入失敗。實施軟件注入的故障按原理可分為3類，即噪聲干擾（故障3）、隨機偏差（故障4～5）和固定偏差（故障6～8）。實驗結(jié)果表明，本文設計的故障注入模塊能有效注入機載燃油測量系統(tǒng)常見故障。

表1　注入故障列表

5　結(jié)束語

PHM技術(shù)廣闊的發(fā)展前景和急迫的應用需求促使與之緊密聯(lián)系的驗證評估技術(shù)成為國內(nèi)外研究熱點。本文針對國內(nèi)PHM驗證平臺缺少或功能有限的現(xiàn)狀，給出了機載燃油測量系統(tǒng)PHM測試床設計方案及故障注入實現(xiàn)手段；并通過故障注入實驗，證明了研究成果的可行性；未來應進一步完善故障模式數(shù)據(jù)庫以及多故障注入實驗等。

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Design of airborne fuel measurement system PHM test-bed and realization of fault injection

YU Si-qi，JING Bo，WU Zhe，YANG Zhou，DENG Sen

（School of Aeronautics and Astronautics Engineering，Air Force Engineering University，Xi’an 710038，China）

Abstract:Aiming at the domestic status of lacking of validation and evaluation platform for prognostics and health management（PHM），the paper proposed the scheme of PHM test-bed design based on deep study of the typical PHM test-bed abroad and took the typical aircraft electromechanical subsystem——fuel measurement system as an example. It used NI virtual instrumentation and PXI modular instrument to design and realize the fault injection of PHM testbed，which can solve the problem that experimental data for PHM validation is insufficient. The experimental results show that system can make the faults reappear effectively and therefore provide a validation and evaluation platform for PHM technology. It is a useful reference for the general PHM validation platform research of electromechanical systems.

Key words:prognostics and health management；PHM test-bed；fault injection；airborne fuel measurement system

基金項目：航空科學基金項目（20101996012）

收稿日期：2013-01-04；

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2013.05.031

文章編號：1674-5124（2013）05-0116-05

文獻標志碼：A

中圖分類號：V241.7+21；TP206+.3；TP391.9；V328.3

作者簡介：余思奇（1990-），男，湖南南縣人，碩士研究生，專業(yè)方向為故障預測和健康管理驗證與確認。