馬波 劉慧宇 陳銀超 謝磊 楊朝旭

摘 要：預(yù)測(cè)與健康管理（PHM）技術(shù)在飛行器中的應(yīng)用對(duì)于提高飛行器可靠性、保障飛行安全、降低維修保障費(fèi)用都具有重要意義。本文開展了飛控系統(tǒng)區(qū)域級(jí)PHM系統(tǒng)的研究工作，并給出了飛行器平臺(tái)級(jí)PHM系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu);然后對(duì)PHM系統(tǒng)中的故障診斷和剩余壽命預(yù)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了介紹。最后，以飛控系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件副翼作動(dòng)器為例，建立了成員級(jí)PHM系統(tǒng)，概述了系統(tǒng)故障診斷方法和剩余壽命預(yù)測(cè)方法。經(jīng)過副翼作動(dòng)器運(yùn)行數(shù)據(jù)和壽命數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，表明這兩種方法都具有很好的效果。

關(guān)鍵詞：PHM系統(tǒng);飛控系統(tǒng);副翼作動(dòng)器;故障診斷;預(yù)測(cè)

中圖分類號(hào)：TJ765

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-5048（2020）06-0091-06

0 引? 言

隨著我國(guó)航空工業(yè)的迅速發(fā)展，飛行器的功能、結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜。人們對(duì)于飛行器的可靠性、飛行安全性和維修保障等問題給予越來越高的關(guān)注。飛行器安全關(guān)鍵系統(tǒng)是指不正確的功能或失效會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性后果的系統(tǒng)，如飛控系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和剎車系統(tǒng)等[1]。

飛行器安全關(guān)鍵系統(tǒng)如果在飛行過程中發(fā)生故障，為了將故障影響降到最低，需要對(duì)其開展實(shí)時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷，以便及時(shí)完成故障確認(rèn)和隔離。駕駛員可以根據(jù)故障結(jié)果報(bào)告對(duì)機(jī)載系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)和任務(wù)降級(jí)，從而有效防止故障蔓延，確保飛行安全[2]。

故障預(yù)測(cè)與健康管理（prognostics and health management，PHM）技術(shù)是一種提高裝備可靠性、安全性、維修性和經(jīng)濟(jì)可承受性的關(guān)鍵技術(shù)。PHM技術(shù)具有狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、壽命預(yù)測(cè)和健康管理等功能，實(shí)現(xiàn)了由傳統(tǒng)的定期維修和預(yù)防性維修向基于狀態(tài)的維修的轉(zhuǎn)變。在飛行器關(guān)鍵系統(tǒng)中使用PHM技術(shù)，對(duì)于提高飛行安全性和降低維修保障費(fèi)用具有十分重要的意義。

1 PHM技術(shù)簡(jiǎn)介

PHM技術(shù)，是指首先在設(shè)備關(guān)鍵部位上安裝先進(jìn)的傳感器，以獲取與設(shè)備狀態(tài)信息有關(guān)的大量原始數(shù)據(jù)，然后對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、特征提取等預(yù)處理，去除干擾影響，凸顯故障特征，進(jìn)一步利用各種算法和智能模型實(shí)現(xiàn)設(shè)備的故障診斷隔離和剩余壽命預(yù)測(cè)，最后對(duì)設(shè)備健康狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，并結(jié)合維修資源情況制定合理的維修方案[3]。

PHM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷隔離、剩余壽命預(yù)測(cè)、健康狀態(tài)評(píng)估和維修策略制定等功能，對(duì)設(shè)備的可靠性、安全性、維修性和經(jīng)濟(jì)可承受性都有顯著的提高。飛行器在飛行過程中所處的環(huán)境是惡劣

且多變的，通過PHM技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器各類運(yùn)行參數(shù)和各部件運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以采取積極主動(dòng)的措施

來應(yīng)對(duì)突發(fā)情況，保證飛行任務(wù)的完成。綜合的飛行器PHM系統(tǒng)可逐層分為飛行器平臺(tái)級(jí)、區(qū)域級(jí)和成員級(jí)三個(gè)層級(jí)。通過成員級(jí)的故障診斷隔離，可以在故障發(fā)展為區(qū)域級(jí)、災(zāi)難性故障之前提前預(yù)警，方便駕駛?cè)藛T主動(dòng)采取應(yīng)對(duì)措施或進(jìn)行任務(wù)降級(jí)，保障飛行安全。結(jié)合故障診斷信息和剩余使用壽命等預(yù)測(cè)信息，可以對(duì)飛行器的健康狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，實(shí)現(xiàn)視情維修。這極大地避免了傳統(tǒng)的定期維修方式帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)（維修間隔內(nèi)出現(xiàn)故障）或額外維修（維修時(shí)無故障），提高了維修保障效率，降低了維修保障費(fèi)用[4]。

PHM技術(shù)在飛行器領(lǐng)域的應(yīng)用始于20世紀(jì)50年代時(shí)英美等西方國(guó)家對(duì)航空飛行器故障診斷技術(shù)的研究;從最開始的機(jī)內(nèi)自檢測(cè)（build in test，BIT）技術(shù)，逐漸發(fā)展為飛行器綜合健康管理（integrated vehicle health ma-nagement，IVHM）技術(shù)。如今，IVHM技術(shù)在不同類別的飛行器中都得到了應(yīng)用，如民用飛機(jī)的機(jī)載維護(hù)系統(tǒng)、戰(zhàn)斗機(jī)的健康管理系統(tǒng)和直升機(jī)的健康與使用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[5]。隨著飛行器的進(jìn)一步發(fā)展，飛行器對(duì)可靠性和維護(hù)性的要求也逐漸增強(qiáng)，PHM技術(shù)將得到更為廣泛和深入的應(yīng)用。

2 飛控系統(tǒng)的PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 PHM系統(tǒng)構(gòu)架

飛控系統(tǒng)是飛行器的安全關(guān)鍵系統(tǒng)，根據(jù)視情維修開放式體系結(jié)構(gòu)建立飛控區(qū)域級(jí)PHM系統(tǒng)。飛控區(qū)域級(jí)PHM系統(tǒng)由7個(gè)不同層次的功能模塊構(gòu)成[6]：

① 數(shù)據(jù)獲取層：收集各傳感器采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和飛控系統(tǒng)的各種測(cè)量數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)經(jīng)過解析、篩選、對(duì)齊等操作后傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理層。

② 數(shù)據(jù)處理層：對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、融合、故障特征提取等預(yù)處理，去除干擾影響，凸顯故障特征。

③ 狀態(tài)監(jiān)測(cè)層：對(duì)可以表征飛行器運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過與故障閾值比較獲得相應(yīng)的狀態(tài)指示結(jié)果，并提供告警信息。

④ 診斷預(yù)測(cè)層：融合各傳感器采集的數(shù)據(jù)，完成故障定位與隔離，并獲得剩余使用壽命信息。

⑤ 健康評(píng)估層：結(jié)合操作狀態(tài)、負(fù)荷和歷史故障信息，綜合狀態(tài)監(jiān)測(cè)層和診斷預(yù)測(cè)層的結(jié)果，評(píng)估系統(tǒng)整體健康狀態(tài)，并預(yù)測(cè)健康狀態(tài)未來發(fā)展趨勢(shì)。

⑥ 決策支持層：根據(jù)健康評(píng)估和預(yù)測(cè)的結(jié)果，適當(dāng)調(diào)整飛行計(jì)劃以完成目標(biāo)任務(wù)或提前結(jié)合維修資源制定維修策略。

⑦ 顯示層：人機(jī)交互界面接收數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、診斷、預(yù)測(cè)、評(píng)估的結(jié)果進(jìn)行顯示，方便操作人員及時(shí)獲取運(yùn)行狀態(tài)信息。

飛行器的PHM系統(tǒng)，邏輯上采用分層智能推理結(jié)構(gòu)，分為飛行器平臺(tái)級(jí)、區(qū)域級(jí)、成員級(jí)三個(gè)層級(jí)[7]，如圖1所示。飛控系統(tǒng)由眾多部件組成，針對(duì)其中的關(guān)鍵部件如加速度計(jì)組件、副翼、垂尾等建立成員級(jí)PHM系統(tǒng)，可以獲取關(guān)鍵部件的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況和故障信息，并直接提交給飛控區(qū)域級(jí)PHM系統(tǒng)。飛控區(qū)域級(jí)PHM系統(tǒng)對(duì)收集到的各成員級(jí)PHM信息進(jìn)行區(qū)域級(jí)故障模式及傳播影響分析、典型系統(tǒng)性能退化趨勢(shì)分析、PHM信息融合及健康評(píng)估研究，最終得到飛控區(qū)域級(jí)PHM分析結(jié)果，并傳送給更高層級(jí)的飛行器平臺(tái)級(jí)PHM系統(tǒng)。飛行器平臺(tái)級(jí)PHM系統(tǒng)接收各區(qū)域級(jí)PHM系統(tǒng)的信息，并通過智能信息融合和綜合推理最終得到飛行器整體PHM分析結(jié)果。

2.2 PHM系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 故障診斷技術(shù)

飛控系統(tǒng)的各主要部件是飛控指令的最終實(shí)施部件，對(duì)飛控系統(tǒng)的正常運(yùn)行起到非常關(guān)鍵的作用，因此對(duì)其進(jìn)行故障診斷是十分必要的。目前，針對(duì)飛行器部件的故障診斷方法可大致分為三類：基于知識(shí)的、基于模型的和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障診斷方法[8-11]。

基于知識(shí)的故障診斷方法引入了待診斷部件的許多知識(shí)和故障信息，通過知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)判斷部件是否故障及故障模式。常用的基于知識(shí)的故障診斷方法有：基于模糊推理的方法和基于知識(shí)庫(kù)的方法?；谀：评淼墓收显\斷方法是根據(jù)模糊集合征兆空間與故障狀態(tài)空間的某種映射關(guān)系，通過征兆來判斷故障。它利用模糊邏輯的概念闡述設(shè)備故障現(xiàn)象與故障產(chǎn)生原因之間的模糊關(guān)系，并利用模糊集合論中的元素隸屬度和模糊關(guān)系方程，解決故障診斷問題?；谥R(shí)庫(kù)的故障診斷方法的基本原理為：知識(shí)庫(kù)管理診斷對(duì)象的知識(shí)，將其提取到故障規(guī)則集，當(dāng)實(shí)際信息與故障規(guī)則的某部分相匹配時(shí)，則可對(duì)應(yīng)到相應(yīng)故障。此類方法的難點(diǎn)在于如何獲取對(duì)象部件的故障知識(shí)。而且隨著故障知識(shí)的累積，要不斷對(duì)診斷方法進(jìn)行更新以提高診斷正確率。

基于模型的故障診斷方法的核心思想是構(gòu)建一個(gè)模型來估計(jì)待診斷部件的正常輸出值，用部件的真實(shí)輸出值和估計(jì)輸出值進(jìn)行比較形成殘差。當(dāng)部件正常工作時(shí)，殘差理論上為零;而當(dāng)部件發(fā)生故障時(shí)，殘差非零。最后從殘差信號(hào)中提取故障特征并通過相應(yīng)的故障診斷算法實(shí)現(xiàn)故障診斷。常用的模型通常有兩種：數(shù)學(xué)模型和觀測(cè)器。數(shù)學(xué)模型是基于部件的控制方程建立的能完整描述部件控制回路的精確模型。觀測(cè)器則是對(duì)作動(dòng)器輸入輸出間非線性關(guān)系的一種擬合，常用的觀測(cè)器有卡爾曼濾波器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。這類方法基于對(duì)象部件的工作特性，診斷邏輯清晰，有利于及時(shí)、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)故障診斷。其局限性在于診斷結(jié)果很大程度上依賴于建立的模型，在實(shí)際應(yīng)用中建模誤差、不確定性擾動(dòng)等因素都會(huì)對(duì)診斷結(jié)果產(chǎn)生影響。對(duì)于模型很難建立的復(fù)雜對(duì)象，此類方法難以得到應(yīng)用。

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障診斷方法直接依賴于對(duì)象部件的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷。它首先采用數(shù)據(jù)處理方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行故障特征提取，然后運(yùn)用不同的分類方法如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，以達(dá)到故障診斷的目的。為了實(shí)現(xiàn)較好的故障診斷結(jié)果，需要對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚?，?duì)分類器進(jìn)行良好的訓(xùn)練。此類方法不需要對(duì)象部件的先驗(yàn)知識(shí)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可通過傳感器方便獲取，適用于大部分對(duì)象部件。隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，此類方法得到了廣泛的應(yīng)用，各類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[12]、概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[13]、自組織映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[14]等都被應(yīng)用到了故障診斷中。

2.2.2 剩余壽命預(yù)測(cè)技術(shù)

剩余壽命（remaining useful life，RUL）預(yù)測(cè)技術(shù)作為PHM核心技術(shù)之一，能夠?yàn)橄到y(tǒng)自主健康管理與維護(hù)、自主式保障等提供評(píng)估系統(tǒng)狀態(tài)的決策信息，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。RUL預(yù)測(cè)方法可分為三類：基于物理模型、基于知識(shí)和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的RUL預(yù)測(cè)方法[15-17]。

基于物理模型的RUL預(yù)測(cè)方法通過建立系統(tǒng)工作機(jī)理模型，并結(jié)合系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)象系統(tǒng)的RUL預(yù)測(cè)。這一類方法主要用于物理模型容易描述的對(duì)象系統(tǒng)，代表性應(yīng)用為機(jī)械部件，如通過構(gòu)建裂紋擴(kuò)展物理模型實(shí)現(xiàn)機(jī)械部件的RUL預(yù)測(cè)?；谖锢砟Ｐ偷腞UL預(yù)測(cè)方法的主要優(yōu)點(diǎn)在于它與系統(tǒng)機(jī)理密切相關(guān)，能夠深入分析系統(tǒng)本質(zhì)特性;并通過結(jié)合系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)狀態(tài)信息，易獲得較精確的RUL預(yù)測(cè)結(jié)果。但是隨著系統(tǒng)和設(shè)備的日益復(fù)雜，系統(tǒng)各功能部件之間存在大量的耦合關(guān)系，通常無法或者難以獲得系統(tǒng)的物理解析模型，導(dǎo)致基于物理模型的RUL預(yù)測(cè)方法難以得到廣泛應(yīng)用。

基于知識(shí)的RUL預(yù)測(cè)方法利用已知的先驗(yàn)知識(shí)建立知識(shí)庫(kù)，根據(jù)知識(shí)庫(kù)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)象系統(tǒng)的RUL預(yù)測(cè)，典型方法包括專家系統(tǒng)和模糊邏輯。該類方法的局限性在于知識(shí)庫(kù)的豐富程度直接決定了RUL的預(yù)測(cè)精度。而在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)知識(shí)往往難以獲取，并且將已獲取的系統(tǒng)知識(shí)轉(zhuǎn)化為符合系統(tǒng)運(yùn)行的特定規(guī)則也比較困難，因此，基于知識(shí)的RUL預(yù)測(cè)方法不能廣泛應(yīng)用。

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的RUL預(yù)測(cè)方法從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中獲取與系統(tǒng)屬性相關(guān)的特征參數(shù)，并將這些特征參數(shù)與對(duì)象系統(tǒng)退化行為相關(guān)聯(lián)，借助智能算法和模型進(jìn)行檢測(cè)、分析和預(yù)測(cè)，獲得對(duì)象系統(tǒng)的RUL預(yù)測(cè)結(jié)果。這類方法主要優(yōu)點(diǎn)在于：不需要系統(tǒng)物理模型參數(shù)作為輸入數(shù)據(jù)，為難以構(gòu)建物理模型的系統(tǒng)RUL預(yù)測(cè)提供了解決辦法;具有較好的方法基礎(chǔ)支撐，統(tǒng)計(jì)模型和機(jī)器學(xué)習(xí)方法為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)挖掘提供了多種方法;實(shí)施過程相對(duì)簡(jiǎn)單，只需處理含有系統(tǒng)退化的相關(guān)數(shù)據(jù)，適用于在線應(yīng)用。隨著傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、大容量存儲(chǔ)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可用系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)類型日益豐富，支撐的數(shù)據(jù)建模分析方法也日益完備，這些因素都為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法的進(jìn)一步發(fā)展和完善提供了條件。

3 飛控系統(tǒng)典型部件的PHM應(yīng)用

在組成飛控系統(tǒng)的眾多部件中，副翼作動(dòng)器是飛控指令的重要執(zhí)行部件，一旦發(fā)生故障將會(huì)對(duì)飛行安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，且副翼作動(dòng)器的故障率在飛控系統(tǒng)中相對(duì)較高，因此對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷對(duì)于保障飛行安全具有十分重要的意義。傳統(tǒng)的副翼作動(dòng)器故障診斷主要依靠機(jī)內(nèi)測(cè)試來完成，此類檢測(cè)的虛警率較高，且故障難以復(fù)現(xiàn)，給維修工作帶來了一定的困難。為保障飛行安全、降低虛警率和減少維護(hù)成本，需要采用更為先進(jìn)的PHM技術(shù)。通過PHM技術(shù)進(jìn)一步對(duì)副翼作動(dòng)器的RUL進(jìn)行預(yù)測(cè)，能更為主動(dòng)地掌握作動(dòng)器的當(dāng)前和未來的健康狀態(tài)，提前合理安排維修計(jì)劃[18]。對(duì)副翼作動(dòng)器建立成員級(jí)的PHM子系統(tǒng)，其核心內(nèi)容為故障診斷和壽命預(yù)測(cè)。

3.1 故障診斷

副翼作動(dòng)器的故障模式眾多，不可能對(duì)所有故障模式都進(jìn)行診斷分析，需要對(duì)那些故障發(fā)生概率高或故障嚴(yán)酷度高的故障模式開展診斷研究。因此，在對(duì)作動(dòng)器開展故障模式影響及危害性分析調(diào)研的基礎(chǔ)上，梳理出7種需要診斷的關(guān)鍵故障模式，如表1所示。

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Technology in Aircraft Flight Control System

Ma Bo1，2，Liu Huiyu3*，Chen Yinchao2，Xie Lei 2，Yang Chaoxu2

（1. Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Fighter Integrated Simulation，Chengdu 610065，China;

2. Chengdu Aircraft Design & Research Institute，AVIC，Chengdu 610065，China;

3. School of Aeronautics and Astronautics，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

Abstract：The application of prognostics and health management （PHM） technology in aircraft is of great significanceto improve reliability，ensure flight safety，and reduce maintenance costs.

Firstly，research onthe regional PHM system of flight control system is carried outand the overall structure of the aircraft PHM system is given. Then，the fault diagnosis technology and remaining useful life prediction technology in the PHM system are introduced. Finally，a member-level PHM subsystem is established for the aileron actuator，which is a key component of the flight control system，and the core contents of the PHM subsystem，includingthe fault diagnosis method and the remaining useful life prediction method，are summarized. Through the verification of aileron actuator operating data and life data，the results show that both methods have good results.

Key words：PHM system;flight control system;aileron actuator;fault diagnosis;prediction

收稿日期：2020-05-20

基金項(xiàng)目：國(guó)防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目（JCKY2016205A004）

作者簡(jiǎn)介：馬波（1985-），男，重慶人，高級(jí)工程師，研究方向是飛行器管理與控制技術(shù)研究。

通訊作者：劉慧宇（1995-），女，湖南邵陽(yáng)人，研究方向是裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷。E-mail：lhyyoga@163.com