鄭鵬舉

【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，對航空機電產(chǎn)品的維護與保障的成本不斷提高，同時由于組成環(huán)節(jié)與影響因素的增加，航空機電產(chǎn)品發(fā)生故障的幾率也越來越大?；诤娇諜C電產(chǎn)品可靠、安全、經(jīng)濟方面考慮，故障預(yù)測與健康管理技術(shù)受到了越來越多的重視與應(yīng)用。在國內(nèi)外的航空機電產(chǎn)品檢測技術(shù)中，故障預(yù)測與健康管理技術(shù)已經(jīng)成為了核心的技術(shù)。該文主要介紹了故障預(yù)測與健康管理在航空機電產(chǎn)品中的發(fā)展情況，以航空機電產(chǎn)品為例對故障預(yù)測與健康管理技術(shù)進行了闡述與分析。希望通過對故障預(yù)測與健康管理技術(shù)現(xiàn)狀的描述來為未來更加先進的航空機電產(chǎn)品故障預(yù)測與健康管理技術(shù)的發(fā)展提供參考與依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】航空；機電產(chǎn)品；故障預(yù)測與健康管理

故障預(yù)測與健康管理技術(shù)的作用是監(jiān)控和預(yù)測系統(tǒng)完成其功能的狀態(tài)，其中包括剩余壽命、故障預(yù)測等。相關(guān)的分析研究表明，故障預(yù)測與健康管理技術(shù)能夠?qū)⒕S護的費用降低，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)測與健康管理技術(shù)已經(jīng)成為了國內(nèi)外的研究熱點。航空機電產(chǎn)品中也可以使用故障預(yù)測與健康管理技術(shù)，該文對其進行了探討，希望為以后的航空機電產(chǎn)品的發(fā)展提供參考。

一、故障預(yù)測與健康管理技術(shù)概述

故障預(yù)測與健康管理（Prognostic and Health Management，簡稱PHM）中包含著連個方面的內(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，即以系統(tǒng)現(xiàn)在或者歷史性能狀態(tài)為依據(jù)，對部件或者系統(tǒng)的功能狀態(tài)進行預(yù)測性的診斷。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)為從開始的外部測試發(fā)展到機內(nèi)測試，漸漸地發(fā)展成為一門獨立的學(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。

二、針對飛機典型部件的故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)建模

2.1 飛機輔助動力系統(tǒng)的輔助動力系統(tǒng)模型整體理念

輔助動力系統(tǒng)的性能衰減是飛機輔助動力系統(tǒng)的部件常見的物理故障。根據(jù)轉(zhuǎn)速、排氣溫度、燃油流量等的改變導(dǎo)致的輔助動力系統(tǒng)可測參數(shù)的變化，就可以根據(jù)可測參數(shù)的變化來診斷相應(yīng)的運行狀態(tài)。比較完整的PHM建模過程是PHM的整個檢測流程的模型建立，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)報模型與壽命預(yù)測與保障決策模型。

2.2 特征提取模型

近幾年來，信息提取中使用最為廣泛的是小波變換。小波變換能夠細分與分離被測信號的不同頻率成分，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的過程中，能夠根據(jù)被測信號的不同頻率成分對信號的任意細常進行調(diào)節(jié)，提高信噪比與分辨率。

2.3 健康預(yù)測與診斷系統(tǒng)

健康預(yù)測與診斷系統(tǒng)的開發(fā)效率可以通過集成的方式來實現(xiàn)提高，使各模塊的能力能夠?qū)崿F(xiàn)共享，輔助動力系統(tǒng)健康預(yù)測與診斷系統(tǒng)的各個模塊與整個系統(tǒng)都能得到好處。輔助動力系統(tǒng)的健康預(yù)測與診斷系統(tǒng)在集成的形式之下成為一個整體對待，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)的輔助動力系統(tǒng)都是較為先進的，因此輔助動力系統(tǒng)的健康預(yù)測與診斷系統(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、超限檢測等）也是都需要的。兩者不同的地方在于，就超限檢測而言，健康預(yù)測與診斷系統(tǒng)側(cè)重于向機組和地勤人員告警，數(shù)字電控系統(tǒng)則是依據(jù)輔助動力系統(tǒng)的健康狀況報告來改變控制的規(guī)律，將異常狀態(tài)的影響進行降低，從而保證工作的安全。

2.4 健康狀態(tài)預(yù)報與剩余壽命預(yù)測

健康狀態(tài)預(yù)報與剩余壽命預(yù)測需要對被測對象的健康狀況分類，以正常、性能下降、失效為標(biāo)準(zhǔn)來進行劃分，通過特征提取的結(jié)果來進行狀態(tài)的識別。按照故障的識別方式可以將輔助動力系統(tǒng)的故障分為基于模型的預(yù)測法、基于知識的預(yù)測法、基于數(shù)據(jù)的預(yù)測法等。其中基于模型的預(yù)測要以輔助動力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與部件失效模型為基礎(chǔ)；基于知識的預(yù)測不需要精確的數(shù)學(xué)模型；基于數(shù)據(jù)的預(yù)測則數(shù)學(xué)模型與物理模型都不需要。

三、輔助動力系統(tǒng)的故障與壽命的預(yù)測過程

預(yù)測的過程主要的步驟為：第一步，在HMM的參數(shù)估計過程中得到狀態(tài)轉(zhuǎn)換估計；第二步，在HMM參數(shù)估計過程中得到狀態(tài)周期的概率密度函數(shù)，通過該函數(shù)來計算平均值與偏差；第三步，從分類計算的結(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向后的迭代運算進行預(yù)測。

輔助動力健康預(yù)測與診斷要在輔助動力系統(tǒng)的設(shè)計、研制階段中作為設(shè)計的特性來重視，將輔助動力系統(tǒng)的監(jiān)視、診斷、預(yù)測從設(shè)計方面進行提高，實現(xiàn)輔助動力健康預(yù)測與診斷的效益最大化。

四、結(jié)語

故障預(yù)測和健康管理技術(shù)已經(jīng)成為了國內(nèi)外航空機電產(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、降低費用等優(yōu)勢。故障預(yù)測和健康管理技術(shù)的開發(fā)、成熟與推廣已經(jīng)在歐美國家得到了重視，并有了較為顯著的成效。

【參考文獻】

[1] 景博，黃以鋒，張建業(yè).航空電子系統(tǒng)故障預(yù)測與健康管理技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010（9）：19-24.

[2] 戎翔.民航發(fā)動機健康管理中的壽命預(yù)測與維修決策方法研究[J].南京航空航天大學(xué)，2010，12（11）：11-13.

[3] 姜繁生，孫志巖，陳仲光，等.航空發(fā)動機預(yù)測健康管理關(guān)鍵技術(shù)分析[C]//第十五屆中國科協(xié)年會第13分會場：航空發(fā)動機設(shè)計、制造與應(yīng)用技術(shù)研討會論文集.2011.