飞机舵机电液负载模拟装置故障诊断策略研究.pdf

保飞机舵机电液负载模拟装置能够稳定的运行，需要Hydraulics Pneumatics&Seals/No.8.2023doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2023.08.021飞机舵机电液负载模拟装置故障诊断策略研究陈星（西安航空职业技术学院航空维修工程学院，陕西西安7 1 0 0 8 9）摘要：飞机舵机电液负载模拟装置是一种时变非线性的多部件耦合控制系统，其内部的功能诊断具有很强的复杂性和不确定性。针对飞机舵机电液负载模拟装置故障诊断过程中出现诊断结果不稳定和精度不足的问题，在电液负载模拟装置的工作原理基础上，对不同特性的部件设计了基于时间触发和基于事件触发的故障计数器,采用故障阈值分段和故障事件分区的故障诊断策略进行故障诊断，最后在构建的故障注人实验环境中验证故障诊断策略的可靠性和准确性。实验结果表明，所设计的故障诊断策略能够提高飞机舵机电液负载模拟装置的故障诊断稳定性和准确性。关键词：飞机舵机；电液负载模拟装置；故障诊断；故障计数器；故障注入中图分类号：TH137CHEN Xing(Aviation Maintenance Engineering College of Xian AeronauticalPolytechnic Institute,Xian 710089,China)Abstract:The electro-hydraulic load simulator of aircraft steering gear is a time-varying nonlinear multi-component coupling control system,and its internal function diagnosis has strong complexity and uncertainty.Aiming at the problems of unstable diagnosis results and insufficientaccuracy in the fault diagnosis process of the electro-hydraulic load simulation device of the aircraft steering gear,based on the workingprinciple of the electro-hydraulic load simulation device,the fault counters based on time trigger and event trigger are designed for thecomponents with different characteristics,Finally,the reliability and accuracy of the fault diagnosis strategy are verified in the fault injectionexperimental environment.The experimental results show that the designed fault diagnosis strategy can improve the stability and accuracy of thefault diagnosis of the electro-hydraulic load simulation device of the aircraft steering gear.Key words:aircraft steering gear;electro hydraulic load simulation device;fault diagnosis;fault counter;fault injection0引言电液负载模拟装置作为一种能够真实模拟舵机在飞机航行过程中遇到的工况性能和影响因素的综合性设备，具有输出功率大、加载性能高、可变工况适应性强的特性 。由于电液负载模拟装置不单单是一个机电液部件耦合的设备,其内部由各种阀体、传感器以及控制单元构成,是一个多部件耦合控制系统。为了确收稿日期：2 0 2 2-0 8-3 1基金项目：国家级教学团队项目（ZD2020050101）作者简介：陈星（1 9 8 8-），男，安徽光明人，讲师，硕士，研究方向：飞机先进设备故障诊断及其维修技术。文献标志码：A文章编号：1 0 0 8-0 8 1 3(2 0 2 3)0 8-0 1 0 9-0 4Research on Fault Diagnosis Strategy of Electro HydraulicLoad Simulator for Aircraft Steering Gear对控制系统内各个部件进行故障诊断，当相关的部件出现故障时，能够及时的检测出，可以通过故障显示或故障响应确保部件间的安全稳定运行 2 。针对飞机舵机电液负载模拟装置的稳定运行研究取得了诸多研究成果,其中,文献 3 以飞机舵机电液负载模拟器为研究对象,建立系统数学模型,采用PID控制方法抑制干扰，从而提高飞机舵机电液负载模拟系统的跟踪精度；文献 4针对飞机舵机电液加载系统的多余力问题，建立系统数学模型，提出改进型CMAC神经网络控制器与积分分离式PID控制器复合控制的方法来抑制多余力,提升整个系统的性能；文献 5 以飞机二余度伺服舵机为研究对象,建立了系统辨识模型并进行了仿真验证,有效地完成了整个控制系统的故障诊断。本109液压气动与密封/2 0 2 3 年第8 期研究在飞机舵机电液负载模拟装置的系统结构和工作原理基础上，设计了基于事件触发和时间触发的故障计数器,采用值分段和事件分区的故障诊断方法来实现故障诊断功能，最后在实验环境中验证了故障诊断策略的有效性和可靠性。1电液负载模拟装置工作原理飞机舵机电液负载模拟装置通过舵机的主动运动拖动液压缸进行往复运动，由此其主要由加载装置、舵机系统和电控系统构成，其中加载装置主要由液压缸体、电液伺服阀、位移传感器、角速度传感器以及缓冲装置等构成，舵机系统主要由飞机舵机，导向仪等构成，电控系统主要由电控单元、信号采集电路、通讯模块等构成 6 。飞机舵机电液负载模拟装置中舵机系统实质性器件，接收到来着电控系统的位移信号后进行推进或后退运动，传感器组件实时监测位移信息，同时将相关的信息传递给电控系统，电控系统通过设计的相关逻辑计算相应的加载数值，从而控制加载系统进行加载力的执行，如图1 所示。接收器电液伺服阀体一液压缸体图1 飞机舵机电液负载模拟装置系统结构由于飞机舵机系统和加载系统信息交互和组件耦合复杂，需要在故障诊断策略制定之前通过一定的分析,如进行FTA/FMEA分析 7 ,将整个系统的相关组件进行故障类型定义。针对传感器需要对其进行电路诊断 8 ,包括对电源短路、对地短路以及开路诊断;数值的超范围诊断以及数值合理性诊断；针对执行机构需要着重进行功能性诊断；针对电控单元进行事件故障诊断，包括通讯故障、软件执行卡死、非预期重启等故障,如图2 所示。2故障计数器设计故障计数器的设计目的是为了在故障诊断的过程中获取准确的故障诊断结果，对瞬时故障进行故障滤110波,防止故障诊断结果的抖动。故障计数器需要考虑故障使能条件、故障重置条件、瞬时故障状态以及计数器计数步长，在诸多的条件下，需要设计不同的计数规则对故障诊断结果进行防抖处理 9 。H电路故障，超范围故障1合理性故障事件故障图2 飞机舵机电液负载模拟装置故障诊断类型本研究通过设计基于时间的故障计数器和基于事件的故障计数器来进行故障防抖处理。其中,基于时间的故障计数器采用内部计数值按故障确认步长和故障恢复步长进行计数，如果故障使能条件不满足，当前的计数数值停止计数，故障状态保持当前的状态，在故控制系统一转换器传感器?舵机主体障使能条件满足后，如果当前瞬时故障状态是故障状态,计数器将当前的计数数值按故障确认步长进行计数增加操作，直到计数数值满足故障确认阈值计数值才确认故障；如果出现当前的故障状态为恢复状态，计数器将当前的计数数值按故障恢复步长进行计数减少操作，直到计数数值满足故障恢复阈值计数值才恢复故障。基于事件的故障计数器采用事件触发后计数器计数的机制进行故障防抖，如果故障使能条件不满足，当前的计数数值停止计数，故障状态保持当前的状态，在故障使能条件满足且无故障重置事件后，事件的确认需要计数数值按照故障确认的设计步长进行计数加，在达到数值限值后故障事件确认，事件的恢复需要计数数值按照故障恢复的设计步长进行计数减，在达到数值限值后故障事件恢复，如果载入了故障重置指令，计数器需要将计数数值进行清零，同时事件故障状态进行恢复，故障计数器的设计如图3 所示。3故障诊断方法对飞机舵机电液负载模拟装置故障诊断策略采取不同的检测方法，针对传感器、执行器以及电控单元的电路诊断、超范围诊断以及合理性诊断采用故障阈值分段的诊断方法，对执行器功能性诊断、电控单元通讯诊断等采用事件分区诊断方法。Hydraulics Pneumatics&Seals/No.8.2023电液负载模拟装置的电路诊断，首先需要判断诊反馈的信号和事件故障值进行比较才能诊断出相应的断使能条件是否满足,对电源短路、对地短路以及开路故障，将这些故障进行分区，当故障事件触发后，根据诊断采用不同的故障阈值，考虑到出现对电源短路、对反馈的信号特征来判断其落人哪个事件区内，从而置地短路以及开路则无法进行超范围和合理性诊断，所起相应的故障，如图5 所示是故障事件分区的分析以需要将电路诊断的阈值进行分段，只要故障信号数方法。值落在相应的故障阈值段内则置起相应的故障,如图4所示。故障使能En=0计数保持En=1重新计数QsaEn=1通讯故障故障确认Counter-ChCounter-Cc故障恢复Counter-ChQsb软件故障Qsd一故障恢功复区域能性故障非预期故障Qa2tb(a)时间触发故障事件使能En=1En=1Rt=1计数重置4En=1En=1Rt=1Counter-Ch重新计数(b)事件触发图3故障计数器电路故障1ICsCsb!对电源短路1超范围过K低故障1超范围过高故障11图4故障阈值分段由于执行器功能性诊断、电控单元通讯诊断都是基于事件触发的,在进行执行器功能性诊断时,往往需要通过内部芯片触发相应的PWM波或者电平信号，将图5 故障事件分区4实验分析En=1事件确认Counter-ChCounter-Cc事件恢复一一Cte合理性故障111C1一Cta1一致性故障11为了验证所采用的的故障诊断策略的有效性和可靠性，需要对飞机舵机电液负载模拟装置进行故障注人实验，将故障注人系统接入到负载模拟器本体和电控单元，根据实验步骤和实验参数进行故障注入，通过数据采集仪器采集反馈得到的故障信息，从而验证故障诊断策略的可行性,如图6 所示。电液负载模拟装置注入信号控制指令电信号故障注入开路故障图6 飞机舵机电液负载模拟装置故障注入一CsdCtd电控单元反馈信号故障信息注入信息信息采集11111通过对飞机舵机电液负载模拟装置进行故障注入,得到了在完整故障注人周期内的故障诊断结果，图7 中通过注人液压缸的故障液压压力，在1 1 3 7 s的时候，设置了液压缸的液压压力超过压力超范围，在经过设定好的故障确认时间后，经过基于时间的故障计数器达到数值上限后确认了压力超范围故障，在1 6 7 0 s后注人的液压压力值，由于压力差超过合理性故障阈值，时间计数器计数达到限值后置起合理性故障；图8中采用标定工具采用事件型故障注入，通过注入一个111参考文献液压气动与密封/2 0 2 3 年第8 期突变的流量信号,经过1 0 0 0 ms的基于事件计数器计数后,功能性故障确认,在整个故障注人过程中能够准确的检测出故障,验证了故障诊断策略的有效性和可靠性。514Jeq/d320141210064205结论飞机舵机电液负载模拟装置的故障诊断能够保障设备的稳定运行，减少维修成本，针对飞机舵机电液负引用本文：陈星.飞机舵机电液负载模拟装置故障诊断策略研究 J.液压气动与密封,2 0 2 3,43（9）：1 0 9-1 1 2.CHEN Xing.Research on Fault Diagnosis Strategy of Electro Hydraulic Load Simulator for Aircraft Steering Gear J.HydraulicsPneumatics&Seals,2023,43(9):109-112.+工业和信息化部等十部门关于印发科技成果赋智中小企业专项行动（2 0 2 3 2 0 2 5 年）的通知各省、自治区、直辖市及新疆生产建设兵团工业和信息化、发展改革、教育、科技、人力资源社会保障、市场监管、知识产权主管部门，各银保监局，各证监局，各省、自治区、直辖市及新疆生产建设兵团工商联，有关行业协会：现将科技成果赋智中小企业专项行动（2 0 2 3 一2 0 2 5 年）印发给你们，请认真贯彻落实。工业和信息化部等十部门关于印发科技成果赋智中小企业专项行动（2 0 2 3 一2 0 2 5 年）的通知（工信部联科202364号）详见链接：https:/ 0 2 3 年第6 期112载模拟装置的故障诊断复杂性，在其系统结构和工作原理基础上，通过设计故障诊断计数器和故障诊断策略进行电路诊断、功能性诊断,最后在构建的故障注人实验环境中验证了故障诊断策略的可靠性，通过实验分析,所设计的故障诊断策略能够快速准确的诊断出压力超范围过高负载模拟装置出现的故障。压力合理性故障1 曹曹政.双缸加载结构在飞机舵机电液负载模拟器中的应用 J.科技与创新,2 0 1 8，（9)：1 49-1 5 0.2滕在明,韩秋曼，朱世赫，等.橡胶-金属缓冲弹簧在飞机舵机电液伺服系统中的应用 J.信息技术与网络安全，2020,39(5):69-74.5001000t/s图7液压缸压力故障诊断结果功能性故障5001000t/s图8 功能性诊断结果15001500200020003陈立东.飞机舵机电液负载模拟器控制方法研究与仿真J.滨州学院学报,2 0 1 8,3 4(2)9-1 3.4刘晓琳，王春婷，袁昆.飞机舵机电液加载系统的多余力抑制方法研究 J.计算机测量与控制,2 0 1 4,2 2（1 2）：4166-4169.5刘小雄,章卫国，武燕，等.先进飞机余度舵机系统故障诊断技术研究 J.机械与电子,2 0 0 6，（2）：6 8-7 0.6王春婷.飞机舵机电液负载模拟器多余力抑制方法研究D.天津：中国民航大学,2 0 1 6.7王飞，程帆，丁大江.基于故障树的气动球阀用电磁换向阀故障诊断 J.液压气动与密封,2 0 1 9,3 9（1 0）：6 4-6 7.8焦竹青，徐保国.基于Bayes多传感器数据融合的电路故障诊断 J.传感器与微系统,2 0 0 8,2 7（1 0）：3 3-3 5,3 8.9淮妮，张小粉.电液混合驱动机械臂故障检测技术研究J.液压气动与密封,2 0 2 1,41(7):5 3-5 6.10刘洪涛,马宏忠，高鹏，等.利用变压器箱体振动模型确定故障阅值 J.电力系统及其自动化学报,2 0 1 2,2 4（6）：3 6-40,82.