航空機(jī)電產(chǎn)品故障預(yù)測(cè)和健康管理技術(shù)

杜志興

摘 要：隨著航天系統(tǒng)復(fù)雜性與綜合性、智能化程度的提高，對(duì)航空機(jī)電產(chǎn)品的維護(hù)與保障的成本不斷提高，同時(shí)由于組成環(huán)節(jié)與影響因素的增加，航空機(jī)電產(chǎn)品發(fā)生故障的幾率也越來(lái)越大。基于航空機(jī)電產(chǎn)品可靠、安全、經(jīng)濟(jì)方面考慮，故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)受到了越來(lái)越多的重視與應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)外的航空機(jī)電產(chǎn)品檢測(cè)技術(shù)中，故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)已經(jīng)成為了核心的技術(shù)。該文主要介紹了故障預(yù)測(cè)與健康管理在航空機(jī)電產(chǎn)品中的發(fā)展情況，以航空機(jī)電產(chǎn)品為例對(duì)故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)進(jìn)行了闡述與分析。希望通過(guò)對(duì)故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)現(xiàn)狀的描述來(lái)為未來(lái)更加先進(jìn)的航空機(jī)電產(chǎn)品故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)的發(fā)展提供參考與依據(jù)。

關(guān)鍵詞：航空 機(jī)電產(chǎn)品 故障預(yù)測(cè)與健康管理

中圖分類號(hào)：TP206 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）06（a）-0164-01

故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)的作用是監(jiān)控和預(yù)測(cè)系統(tǒng)完成其功能的狀態(tài)，其中包括剩余壽命、故障預(yù)測(cè)等。相關(guān)的分析研究表明，故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)能夠?qū)⒕S護(hù)的費(fèi)用降低，提高系統(tǒng)或設(shè)備的完好、保證任務(wù)的成功。電子系統(tǒng)的故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)已經(jīng)成為了國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。航空機(jī)電產(chǎn)品中也可以使用故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)，該文對(duì)其進(jìn)行了探討，希望為以后的航空機(jī)電產(chǎn)品的發(fā)展提供參考。

1 故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)概述

故障預(yù)測(cè)與健康管理（Prognostic and Health Management，簡(jiǎn)稱PHM）中包含著連個(gè)方面的內(nèi)容，一方面是健康，即與期望的正常性能狀態(tài)相比較的性能下降程度或偏差程度；另一方面是預(yù)測(cè)，即以系統(tǒng)現(xiàn)在或者歷史性能狀態(tài)為依據(jù)，對(duì)部件或者系統(tǒng)的功能狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)性的診斷。PHM技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)是傳統(tǒng)的健康監(jiān)控與故障診斷技術(shù)。系統(tǒng)與設(shè)備性能不斷增加、變得更為復(fù)雜，再加上信息技術(shù)的飛速發(fā)展，PHM技術(shù)的發(fā)展歷程可以歸結(jié)為從開始的外部測(cè)試發(fā)展到機(jī)內(nèi)測(cè)試，漸漸地發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科，隨著綜合診斷的提出與不斷發(fā)展，PHM體系形成并得到了完善。

2 針對(duì)飛機(jī)典型部件的故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)建模

2.1 飛機(jī)輔助動(dòng)力系統(tǒng)的輔助動(dòng)力系統(tǒng)模型整體理念

輔助動(dòng)力系統(tǒng)的性能衰減是飛機(jī)輔助動(dòng)力系統(tǒng)的部件常見(jiàn)的物理故障。根據(jù)轉(zhuǎn)速、排氣溫度、燃油流量等的改變導(dǎo)致的輔助動(dòng)力系統(tǒng)可測(cè)參數(shù)的變化，就可以根據(jù)可測(cè)參數(shù)的變化來(lái)診斷相應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)。比較完整的PHM建模過(guò)程是PHM的整個(gè)檢測(cè)流程的模型建立，包括從傳感器及數(shù)據(jù)采集模型、數(shù)據(jù)預(yù)處理模型、特征提取模型、健康狀態(tài)預(yù)報(bào)模型與壽命預(yù)測(cè)與保障決策模型。

2.2 特征提取模型

近幾年來(lái)，信息提取中使用最為廣泛的是小波變換。小波變換能夠細(xì)分與分離被測(cè)信號(hào)的不同頻率成分，從而得到其中有用的頻率成分，因此是一種較為有效的特征提取方法。在小波變換提取信號(hào)的過(guò)程中，能夠根據(jù)被測(cè)信號(hào)的不同頻率成分對(duì)信號(hào)的任意細(xì)常進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高信噪比與分辨率。

2.3 健康預(yù)測(cè)與診斷系統(tǒng)

健康預(yù)測(cè)與診斷系統(tǒng)的開發(fā)效率可以通過(guò)集成的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)提高，使各模塊的能力能夠?qū)崿F(xiàn)共享，輔助動(dòng)力系統(tǒng)健康預(yù)測(cè)與診斷系統(tǒng)的各個(gè)模塊與整個(gè)系統(tǒng)都能得到好處。輔助動(dòng)力系統(tǒng)的健康預(yù)測(cè)與診斷系統(tǒng)在集成的形式之下成為一個(gè)整體對(duì)待，能夠使系統(tǒng)滿足不同的功能需求、配置活體系結(jié)構(gòu)。采用全數(shù)字電子控制系統(tǒng)的輔助動(dòng)力系統(tǒng)都是較為先進(jìn)的，因此輔助動(dòng)力系統(tǒng)的健康預(yù)測(cè)與診斷系統(tǒng)與數(shù)學(xué)電控系統(tǒng)之間有著非常密切的聯(lián)系，兩者需要的參數(shù)（如轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、排氣溫度、燃油流量等）大部分是相同的，有些功能（如傳感器故障預(yù)測(cè)、超限檢測(cè)等）也是都需要的。兩者不同的地方在于，就超限檢測(cè)而言，健康預(yù)測(cè)與診斷系統(tǒng)側(cè)重于向機(jī)組和地勤人員告警，數(shù)字電控系統(tǒng)則是依據(jù)輔助動(dòng)力系統(tǒng)的健康狀況報(bào)告來(lái)改變控制的規(guī)律，將異常狀態(tài)的影響進(jìn)行降低，從而保證工作的安全。

2.4 健康狀態(tài)預(yù)報(bào)與剩余壽命預(yù)測(cè)

健康狀態(tài)預(yù)報(bào)與剩余壽命預(yù)測(cè)需要對(duì)被測(cè)對(duì)象的健康狀況分類，以正常、性能下降、失效為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行劃分，通過(guò)特征提取的結(jié)果來(lái)進(jìn)行狀態(tài)的識(shí)別。按照故障的識(shí)別方式可以將輔助動(dòng)力系統(tǒng)的故障分為基于模型的預(yù)測(cè)法、基于知識(shí)的預(yù)測(cè)法、基于數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)法等。其中基于模型的預(yù)測(cè)要以輔助動(dòng)力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與部件失效模型為基礎(chǔ)；基于知識(shí)的預(yù)測(cè)不需要精確的數(shù)學(xué)模型；基于數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)則數(shù)學(xué)模型與物理模型都不需要。

3 輔助動(dòng)力系統(tǒng)的故障與壽命的預(yù)測(cè)過(guò)程

預(yù)測(cè)的過(guò)程主要的步驟為：第一步，在HMM的參數(shù)估計(jì)過(guò)程中得到狀態(tài)轉(zhuǎn)換估計(jì)；第二步，在HMM參數(shù)估計(jì)過(guò)程中得到狀態(tài)周期的概率密度函數(shù)，通過(guò)該函數(shù)來(lái)計(jì)算平均值與偏差；第三步，從分類計(jì)算的結(jié)果中得出健康狀態(tài)；第四步，設(shè)備的剩余使用壽命通過(guò)向后的迭代運(yùn)算進(jìn)行預(yù)測(cè)。

輔助動(dòng)力健康預(yù)測(cè)與診斷要在輔助動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研制階段中作為設(shè)計(jì)的特性來(lái)重視，將輔助動(dòng)力系統(tǒng)的監(jiān)視、診斷、預(yù)測(cè)從設(shè)計(jì)方面進(jìn)行提高，實(shí)現(xiàn)輔助動(dòng)力健康預(yù)測(cè)與診斷的效益最大化。

4 結(jié)語(yǔ)

故障預(yù)測(cè)和健康管理技術(shù)已經(jīng)成為了國(guó)內(nèi)外航空機(jī)電產(chǎn)品中狀態(tài)維修與自主式保證的核心技術(shù)，成為了發(fā)展前途非常廣泛的軍民兩用技術(shù)，具有可靠、保障、安全、降低費(fèi)用等優(yōu)勢(shì)。故障預(yù)測(cè)和健康管理技術(shù)的開發(fā)、成熟與推廣已經(jīng)在歐美國(guó)家得到了重視，并有了較為顯著的成效。

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