李 偉，崔偉成，孟凡磊，劉林密

(海軍航空工程學(xué)院 飛行器工程系，山東 煙臺 264001)

基于觀測器的液壓系統(tǒng)健康狀態(tài)評估方法研究

李 偉，崔偉成，孟凡磊，劉林密

(海軍航空工程學(xué)院 飛行器工程系，山東 煙臺 264001)

為了實時評估液壓系統(tǒng)的健康狀態(tài)，提出了基于觀測器的健康狀態(tài)評估原理，利用解析模型、仿真模型和數(shù)據(jù)模型及其配合等方法進行液壓系統(tǒng)標準模型的建立，聯(lián)合實際液壓系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，構(gòu)建液壓系統(tǒng)的狀態(tài)觀測器;將實際系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)作為輸入，實際監(jiān)測點的輸出與標準模型的輸出進行特征分析與對比，在數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上形成殘差及其向量，運用數(shù)據(jù)分析方法計算系統(tǒng)健康度，并解析各元素及其耦合所映射的故障類型與故障程度，實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的故障定位與評估;最后，利用某型裝備的起豎液壓系統(tǒng)進行了應(yīng)用舉例，介紹了模型構(gòu)建、故障模式與參數(shù)選擇、殘差構(gòu)成及健康度計算的方法;所研究的狀態(tài)評估方法對實時評估液壓系統(tǒng)，及開展液壓系統(tǒng)視情維修具有參考價值。

液壓系統(tǒng)；狀態(tài)觀測器；健康管理；狀態(tài)評估

0 引言

液壓系統(tǒng)因具有功率質(zhì)量比大、運動平穩(wěn)、易于實現(xiàn)自動化控制和使用壽命長等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)機械、交通運輸、武器裝備等方面，在設(shè)備的驅(qū)動、傳動和控制中發(fā)揮了重要作用。然而，液壓系統(tǒng)也存在自身缺點，如故障的隱蔽性、多樣性和因果關(guān)系復(fù)雜性，一旦發(fā)生故障便會出現(xiàn)診斷困難、損失嚴重和維修費用高等問題。目前，狀態(tài)監(jiān)測與視情維修已經(jīng)成為液壓系統(tǒng)保障的新模式[1]，有利于早期發(fā)現(xiàn)故障與預(yù)防維修，現(xiàn)有研究成果多集中在液壓系統(tǒng)故障監(jiān)測與診斷方面[2-3]，狀態(tài)評估[4-5]和故障預(yù)測[6-7]主要在元件級，而在回路級或系統(tǒng)級的健康狀態(tài)評估對開展液壓系統(tǒng)視情維修具有重要的參考意義。

本文針對液壓系統(tǒng)的狀態(tài)評估問題，提出了一種基于觀測器的液壓系統(tǒng)健康狀態(tài)評估方法，及時準確掌握設(shè)備的健康狀態(tài)，對設(shè)備性能及變化情況作出正確的評估，為元件級的故障預(yù)防和視情維修提供支持。

1 基于觀測器的健康狀態(tài)評估原理

根據(jù)液壓系統(tǒng)實際情況和狀態(tài)評估需要，本文設(shè)計的基于狀態(tài)觀測器的健康狀態(tài)評估原理如圖1所示，評估過程主要包括以下幾步：

圖1 基于觀測器的健康狀態(tài)評估原理圖

1)系統(tǒng)建模，對液壓系統(tǒng)進行解析模型的構(gòu)建是實現(xiàn)基于狀態(tài)觀測器的健康狀態(tài)評估方法的核心，利用液壓系統(tǒng)各元件之間的流量特性、壓力特性和控制特性建立系統(tǒng)狀態(tài)觀測器模型，模型中的變量包括電流，油液壓力、流量、溫度，以及機械位移、轉(zhuǎn)速、加速度等，包含的變量根據(jù)系統(tǒng)的具體情況、健康評估目標和其他約束條件具體而定。

2)生成殘差，根據(jù)輸入信號的變化觀測傳感器采集信號的變化，同時將采集信號與建立觀測器模型的理論輸出進行比較，形成殘差，當殘差為0時表示系統(tǒng)健康；當殘差不為0時，用殘差向量表示。

3)殘差分析，對得到的殘差向量進行分析，由殘差向量的不同特征判斷液壓系統(tǒng)的故障情況，包括故障類型、故障位置等。殘差向量的不同代表不同的故障，殘差向量中的不同元素對不同故障的診斷貢獻也不同，可以利用加權(quán)法進行故障診斷。

4)計算健康度，對殘差向量按照對應(yīng)故障的重要度、危害性和發(fā)生頻率進行權(quán)值分配，最后計算出歸一化的健康度，用來表征整個液壓系統(tǒng)的健康狀態(tài)。

2 觀測器的建立與殘差生成

由于本文是對這種方法的探索性研究，暫時不考慮建模誤差和噪聲的處理問題，考慮簡單的信號狀態(tài)觀測器，觀測器如式(1)所示。

(1)

圖2 液壓系統(tǒng)狀態(tài)觀測模型

解析模型雖然是最為理想的觀測對象，但由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，往往難以建立準確的系統(tǒng)模型，可結(jié)合經(jīng)驗數(shù)據(jù)構(gòu)建和仿真手段進行互補，從而提高觀測器質(zhì)量。

3 殘差分析與健康度計算

通過觀測器得到的殘差包含有豐富的特性信息，可以直接用來進行故障診斷，也可以通過一定的處理手段對殘差向量進行處理，獲取更為直觀的特征信息，為故障診斷提供服務(wù)。對于殘差向量的處理主要有模式識別、統(tǒng)計決策、專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法，其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)能力，比較適合于進行殘差處理，開展故障診斷與定位。

由于通過殘差向量獲取的特征量能夠?qū)?yīng)于不同的故障，而不同故障對液壓系統(tǒng)的健康狀態(tài)影響不同，因此可以借鑒前面章節(jié)研究的故障重要度評價、權(quán)重分配方法等成果，為特征量分配權(quán)重，最終實現(xiàn)歸一化的計算，所計算得到的結(jié)果便表征了液壓系統(tǒng)的健康度。

4 應(yīng)用實例

以某型裝備的起豎液壓系統(tǒng)為例，起豎模塊液壓原理如圖3所示。

1.換向閥;2. 平衡閥; 3.分流集流閥; 4.液控鎖;5. 單向節(jié)流閥; 6. 起豎油缸; 7. 繼電器.
圖3 液壓起豎系統(tǒng)原理圖

4.1 觀測模型的建立

在這一液壓系統(tǒng)中，外界輸入的參數(shù)包括泵源提供的油液壓力、流量和液壓缸的負載，能夠控制的是換向閥的位移量、節(jié)流閥的開度，用電信號作為輸入信號。根據(jù)液體力學(xué)原理，不考慮油液的壓縮性，液壓系統(tǒng)中的狀態(tài)關(guān)系可以依次建立。

1)換向閥的流量狀態(tài)方程如式(2)所示：

Q1=KqKuqu1-KpP1

(2)

式中，Q1為換向閥流量，Kq為流量增益，Kuq為電壓-流量增益，u1為控制電壓，Kp為壓力增益，P1為換向閥出口壓力。

2)節(jié)流閥的流量狀態(tài)方程如式(3)所示：

(3)

式中，Q2為集流閥流量，Cd為流量系數(shù)，KuA為電壓-通流面積增益，u2為控制電壓，ρ為油液密度，P2和P3分別表示節(jié)流閥進出口壓力。

3)液壓缸的流量狀態(tài)方程如(4)所示，受力平衡方程如式(5)所示：

(4)

(5)

其他元件主要是按照相應(yīng)的關(guān)系也可以建立狀態(tài)方程，觀測器中的建立可以在對上述方程進行拉普拉斯變換得到。

4.2 故障模式分析

起豎液壓系統(tǒng)開展系統(tǒng)級狀態(tài)評估時，表現(xiàn)的主要故障模式包括液壓缸不動作、液壓缸不同步和液壓缸運動不平穩(wěn)幾種，如表1所示。利用實際參數(shù)偏離理想?yún)?shù)的程度，可以描述識別故障類型，并評估故障的嚴重程度，聯(lián)合起來可用于評估系統(tǒng)級健康狀態(tài)。

表1 起豎系統(tǒng)故障模式分析

因此，根據(jù)故障模式及涉及的觀測參數(shù)，可設(shè)計出該液壓系統(tǒng)參數(shù)變量空間。由于在液壓系統(tǒng)中的分流集流閥之后就分為兩路，分析對應(yīng)成立，且合并相同參數(shù)。利用泵源提供的油壓P0、FL、u1和u2組成輸入向量u,Q1、Q2、PA、PB、PM、PN、P1、P2、P3、P4、P5和xp組成狀態(tài)信號空間，PA、PB、PM、PN、xp組成輸出向量，Kq、Kuq、Kp、KuA、Cd、Cφ、ρ、M和ω視作已知參數(shù)，可由專家知識和系統(tǒng)條件得到。

4.3 殘差向量生成與應(yīng)用

在液壓系統(tǒng)運行過程中，通過監(jiān)測對應(yīng)的參數(shù)信號，與觀測模型建立殘差生成機制，該系統(tǒng)生成的殘差向量如式(6)所示。

e=[e1,e2,e3,e4,e5,e6]T=

[PA,PB,PM,PN,xp1,xp2]T

(6)

根據(jù)殘差向量各元素之間的耦合關(guān)系，對起豎液壓系統(tǒng)的故障進行識別和定位。再根據(jù)對這幾個信號重要度的評分，權(quán)重分配可以按照物理模型進行理論分析，但是難度非常大，比較可行的方法是利用專家知識和經(jīng)驗，通過專家調(diào)查和專家群評分來確定權(quán)重分配方案，得到權(quán)重向量空間，形成系數(shù)向量w=[w1,w2,w3,w4,w5,w6]。從而，所研究液壓系統(tǒng)的健康度就可以表示成式(7)所示形式:

(7)

5 結(jié)束語

本文介紹了一種基于觀測器的液壓系統(tǒng)健康狀態(tài)評估方法，重點對觀測器的構(gòu)建與殘差形成進行了研究，提出利用解析模型、仿真模型或數(shù)據(jù)模型等方式構(gòu)建觀測器，并結(jié)合實例介紹了基于解析模型觀測器的狀態(tài)評估原理，并利用殘差向量的歸一化計算系統(tǒng)健康度，用于評估系統(tǒng)狀態(tài)，并根據(jù)殘差向量識別相應(yīng)的故障模式，對實現(xiàn)液壓系統(tǒng)視情維修具有重要意義。

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Reseach on Hydraulic System’s Health State Evaluation Method based on Observer

Li Wei，Cui Weicheng，Meng Fanlei，Liu Linmi

(Department of Airborne Vehicle Engineering, Naval Aeronautical Engineering Institute , Yantai 264001, China)

In order to evaluate the health status of the hydraulic system in real time, an observer-based health assessment principle was put forward. In this principle, the analytic model, simulation model, data model and cooperation method were used to build the hydraulic system standard model, The state observer of hydraulic system is constructed. Combined with the monitoring data of the actual hydraulic system, the state observer of the hydraulic system can be constructed. In the state observer, actual system parameters were used as input data. The output of the actual monitoring point and the output of the standard model were analyzed and compared, and the residual error and its vector were formed by data processing. Then calculate the system health degree, and analysis of the elements and their coupling mapping of the fault type and fault degree, to achieve the fault location and evaluation of hydraulic system. Finally, an example of the vertical hydraulic system of a certain type of equipment was introduced, and the methods of model construction, fault mode and parameter selection, residual composition and health degree calculation were introduced. The method of state evaluation has reference value for real-time evaluation and the maintenance of hydraulic system.

hydraulic system, state observer, health management, state evaluation

2016-09-14；

2016-10-29。

國家部委預(yù)研基金項目(9140A27020214JB14436)。

李 偉(1980-)，男，山東曹縣人，博士，講師，主要從事流體機械及工程專業(yè)的教學(xué)與研究。

1671-4598(2017)04-0237-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.04.064

TP206.3

A