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        基于多信號流圖的亞跨超聲速風(fēng)洞故障診斷方法

        2021-08-23 09:02:08賈召會龔夢彤劉佳豪樊艷春
        計(jì)算機(jī)測量與控制 2021年8期
        關(guān)鍵詞:故障診斷故障模型

        楊 敬,賈召會,龔夢彤,蔡 偉,劉佳豪,王 軒,樊艷春

        (1.北京航天測控技術(shù)有限公司,北京 100041; 2.北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院,北京 100191;3.航空工業(yè)吉林航空維修有限責(zé)任公司,吉林 132102)

        0 引言

        近年來隨著我國航空航天領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展,風(fēng)洞在飛行器研制中的重要作用日益凸顯。在風(fēng)洞的長期運(yùn)行過程中,設(shè)備疲勞、老化和不及時(shí)的故障檢測導(dǎo)致的維護(hù)時(shí)間消耗和經(jīng)濟(jì)損失逐年增加[1]。為了增強(qiáng)風(fēng)洞各測試段的性能監(jiān)測和診斷能力,提高風(fēng)洞設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性,有必要對其進(jìn)行可測試性分析,并對故障診斷方法進(jìn)行研究,從而實(shí)現(xiàn)快速而精確的故障檢測與隔離,提升風(fēng)洞試驗(yàn)的成功率,為飛行器設(shè)計(jì)提供可靠的測試支撐[2-4]。

        基于多信號模型[5]的故障診斷方法最初由美國康涅狄格大學(xué)的Pattipati和Deb等人提出,目前已廣泛應(yīng)用于測試性工程與系統(tǒng)維修領(lǐng)域[6-12]。該方法以有向圖的形式描述了系統(tǒng)組件與故障傳播路徑之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,能夠清晰地體現(xiàn)實(shí)際組件與測點(diǎn)之間的對應(yīng)關(guān)系。基于多信號流圖的故障診斷具有故障建模難度低、故障診斷速度快、使用便捷等優(yōu)點(diǎn),能夠識別出已知的正常、故障和被懷疑的組件,是一種通用的基于規(guī)則的診斷算法[13]。

        本文結(jié)合亞跨超聲速風(fēng)洞系統(tǒng)的特點(diǎn),提出了基于多信號流圖的風(fēng)洞系統(tǒng)故障知識描述方法,并采用Teams-RT算法實(shí)現(xiàn)了對該型風(fēng)洞的故障診斷,驗(yàn)證結(jié)果表明該方法能夠保證較高的故障檢測率與隔離率,進(jìn)而為風(fēng)洞故障維修決策提供相應(yīng)參考。為實(shí)現(xiàn)多信號流圖的快速建立,開發(fā)了多信號流圖建模工具,提高測試開發(fā)過程的靈活性。

        1 風(fēng)洞系統(tǒng)組成及測試性分析

        1.1 風(fēng)洞系統(tǒng)組成及關(guān)鍵部件

        典型風(fēng)洞通常由氣源系統(tǒng)、真空及閥門系統(tǒng)、試驗(yàn)段、測量及控制系統(tǒng)和勤務(wù)系統(tǒng)組成,根據(jù)流場模擬要求的不同,具體風(fēng)洞的尺寸、結(jié)構(gòu)和功能有所差異[14]。風(fēng)洞正常運(yùn)行依賴于各系統(tǒng)的協(xié)同工作,影響風(fēng)洞性能的因素包括氣源系統(tǒng)的氣源壓力、真空及閥門系統(tǒng)的流量控制、試驗(yàn)段的壓力控制、測量及控制系統(tǒng)性能等。上述因素可能受到多部件的交聯(lián)耦合影響,考慮到故障檢測、隔離及維修保障要求,將風(fēng)洞劃分為整體、子系統(tǒng)(LRU)、部件(SRU)、各部件的故障模式4個(gè)層級,結(jié)構(gòu)如圖1所示,圖中僅列出子系統(tǒng)中關(guān)鍵部件的常見故障模式,其余部分省略。

        圖1 風(fēng)洞結(jié)構(gòu)層次劃分

        1.2 風(fēng)洞關(guān)鍵部件測試性研究

        亞跨超聲速風(fēng)洞中的SRU主要包含儲罐、主管路總閥、主管路調(diào)壓閥、引射器蝶閥、引射器調(diào)壓閥、噴管段、攻角彎刀機(jī)構(gòu)、總壓測量系統(tǒng)、液壓站等。根據(jù)FD-12風(fēng)洞實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的故障情況,通過系統(tǒng)分析,能夠確定系統(tǒng)的各個(gè)部件在設(shè)計(jì)和制造過程中所有可能的故障模式以及每一故障模式的原因及影響[15],最終建立的風(fēng)洞關(guān)鍵部件可測試性分析報(bào)告如表1所示。其中,故障模式定義為對象部件能觀測到的故障現(xiàn)象的客觀描述[16],故障原因由故障機(jī)理和間接原因兩部分決定[17],故障等級體現(xiàn)了不同失效模式最終影響的嚴(yán)重程度[18]。以主管路調(diào)壓閥為例,其故障模式主要包括密封不嚴(yán)、振動異常與動作異常,對應(yīng)的故障原因分別為密封圈破損、受力不均與結(jié)構(gòu)損壞,其中密封不嚴(yán)的故障嚴(yán)重程度最高。為了實(shí)現(xiàn)故障識別與定位,需針對每種故障模式歸納其故障檢測方法,診斷結(jié)果可通過傳感器監(jiān)測信號分析得出。根據(jù)FD-12風(fēng)洞系統(tǒng)中的傳感器布局與可測試性分析報(bào)告中總結(jié)的檢測方法構(gòu)建故障模式集F與測試集T,如表2所示??紤]到診斷過程的復(fù)雜程度,文中僅涵蓋了實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)的12種故障類型,分別對應(yīng)16個(gè)測點(diǎn),故障類型與測點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系能夠?yàn)楹罄m(xù)多信號流圖建模提供依據(jù)。

        表1 風(fēng)洞關(guān)鍵部件測試性分析

        表2 風(fēng)洞關(guān)鍵部件屬性集描述

        2 基于多信號流圖的建模方法

        多信號流圖模型描述了系統(tǒng)各層次之間故障模式交聯(lián)耦合關(guān)系和測點(diǎn)與故障模式依賴性關(guān)系,是一種層次化故障測試有向傳播網(wǎng)絡(luò)模型。該建模方法的優(yōu)勢在于能夠融合診斷知識、維修知識與預(yù)測知識,構(gòu)建診斷、預(yù)測和維修一體化模型,同時(shí)降低建模難度,適用于復(fù)雜大型系統(tǒng)的模型構(gòu)建。

        多信號流圖模型組成元素包括[19]:

        1)在有限的系統(tǒng)中構(gòu)造部件集合C;

        2)構(gòu)建與系統(tǒng)相關(guān)的獨(dú)立信號集合S;

        3)構(gòu)造n維有限測試集合T;

        4)有限的測試點(diǎn)集合P;

        5)每個(gè)測試點(diǎn)pi對應(yīng)的一組測試集TP(pi);

        6)每個(gè)部件ci影響的一組信號集SC(ci);

        7)每個(gè)測試tj檢測到的一組信號子集ST(tj);

        多信號流圖模型可通過有向圖DG={C,TP,E}表示,邊E代表了系統(tǒng)中的故障傳播關(guān)系。有向圖中的基本元素包括子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)、故障節(jié)點(diǎn)、輸出節(jié)點(diǎn)、輸入節(jié)點(diǎn)和測試節(jié)點(diǎn)等,此外,與節(jié)點(diǎn)和開關(guān)節(jié)點(diǎn)等邏輯性節(jié)點(diǎn)也可加入到模型中。其中故障節(jié)點(diǎn)與部件的故障模式對應(yīng);子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)由多個(gè)故障節(jié)點(diǎn)封裝組成,使故障源可以隔離到不同的層次[20];測試節(jié)點(diǎn)表征一個(gè)故障節(jié)點(diǎn)的可測試性,只有輸入端口屬性;開關(guān)節(jié)點(diǎn)可用于表示系統(tǒng)的多模式特性;與節(jié)點(diǎn)則用于表示系統(tǒng)的冗余特性,連接線表示了信號的流向[21]。

        多信號流圖建模過程的具體步驟如下:

        1)輸入結(jié)構(gòu)模型、原理圖或概念方框圖;

        2)將信號加入模塊或測試中,根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,確定每個(gè)模塊或測點(diǎn)應(yīng)該包含的信號集。

        3)對一些特殊的情形進(jìn)行模型修正:

        (1)如果系統(tǒng)含有冗余,通過與節(jié)點(diǎn)構(gòu)建冗余組件;

        (2)如果系統(tǒng)包含不同的運(yùn)行模式,采用開關(guān)節(jié)點(diǎn)對其建模;

        在多信號流圖模型中,故障源與測試之間的依賴關(guān)系是通過對模塊和測試定義關(guān)聯(lián)信號來實(shí)現(xiàn)的,以此為基礎(chǔ)生成故障-測試相關(guān)矩陣(D矩陣)對模型進(jìn)行故障診斷。故障-測試相關(guān)矩陣是不同測試節(jié)點(diǎn)與部件故障模式集合之間的數(shù)學(xué)表示。

        D矩陣中,行代表測試節(jié)點(diǎn),列代表某個(gè)部件的某種故障類型。系統(tǒng)故障(第j個(gè)部件)如果無法測出(第i個(gè)測試),則有dij=0;如果能夠測出,則有dij=1;數(shù)據(jù)(源于傳感器實(shí)時(shí)采集)處理結(jié)束條件下所獲得的檢測結(jié)果為實(shí)時(shí)監(jiān)測向量T=[ti],且ti=1、0分別表示測試沒有通過或測試通過。

        D矩陣生成是進(jìn)行可達(dá)性分析和相關(guān)性分析的過程。本文的D矩陣假設(shè)故障元件與其可達(dá)的測試之間均有信號交聯(lián)(對應(yīng)完全故障),各矩陣行的具體生成步驟如下:

        1)將D-矩陣行所對應(yīng)故障模式節(jié)點(diǎn)F作為中心,建立空節(jié)點(diǎn)集合T、O、N;

        2)清空集合N,將各中心的后繼節(jié)點(diǎn)放到集合N和集合O中,如果后繼節(jié)點(diǎn)為test節(jié)點(diǎn),則將該節(jié)點(diǎn)添加到集合T中;如果生長中心為switch節(jié)點(diǎn)則根據(jù)switch的狀態(tài)決定其后繼節(jié)點(diǎn);如果后繼節(jié)點(diǎn)為and節(jié)點(diǎn),且其前驅(qū)節(jié)點(diǎn)被遍歷的個(gè)數(shù)未達(dá)到設(shè)定閾值,則該and節(jié)點(diǎn)不并入N,否則and節(jié)點(diǎn)并入N;如果后繼節(jié)點(diǎn)在集合O中,則該節(jié)點(diǎn)不并入N中;

        3)如果N為空集結(jié)束生長,集合T中的節(jié)點(diǎn)即為故障模式F所影響的測試,否則將N中的節(jié)點(diǎn)作為節(jié)點(diǎn),進(jìn)行步驟2);

        4)對D-矩陣各行對應(yīng)的故障模式依次進(jìn)行上述操作,即可得到多信號流圖模型完整的D-矩陣;若故障模式F是功能故障節(jié)點(diǎn),那么在步驟3)中刪除集合T里所有與節(jié)點(diǎn)F沒有信號交聯(lián)的測試,剩下的就是故障模式F所影響的測試。

        為簡化多信號流圖模型的建模過程,本文開發(fā)了一套多信號流圖建??梢暬浖?,如圖2所示。建模過程中用戶可自定義節(jié)點(diǎn)的屬性,并實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的分層次建模。

        圖2 多信號流圖建??梢暬浖驁D

        3 基于多信號流圖模型的故障診斷方法

        基于風(fēng)洞系統(tǒng)的多信號流圖模型,本文采用TEAMS-RT算法[22-24]實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞系統(tǒng)的故障診斷。TEAMS-RT算法以監(jiān)測系統(tǒng)健康狀態(tài)的智能傳感器處理結(jié)果(實(shí)時(shí)監(jiān)測向量T)作為輸入,根據(jù)系統(tǒng)多信號流圖模型生成的D矩陣進(jìn)行實(shí)時(shí)故障診斷。系統(tǒng)各部件的健康狀態(tài)定義為健康、故障、懷疑以及未知共4種。TEAMS-RT算法的特點(diǎn)包括:

        1)傳感器結(jié)果的高效實(shí)時(shí)處理;

        2)故障測試點(diǎn)依賴性的更新響應(yīng)于系統(tǒng)狀態(tài)的改變;

        3)依賴關(guān)系的更新取決于冗余組件的故障。

        TEAMS-RT算法計(jì)算復(fù)雜度低,能夠勝任大規(guī)模系統(tǒng)的快速故障診斷[25]。但這種算法的缺點(diǎn)是得到的推理結(jié)果會將所有的可能性列出,即除了故障部件外還會找出所有可疑部件。當(dāng)故障源的個(gè)數(shù)未知時(shí)會造成較高的虛警率,給維修人員帶來不便。算法流程如下:

        1)初始化將所有潛在的系統(tǒng)故障置于Unknow集合中:系統(tǒng)故障對應(yīng)于D矩陣的每一行,可通過遍歷得到;

        2)處理通過的測試遍歷通過的測試:將影響這些測試的故障移動到Good集合中;

        3)處理失敗的測試遍歷失敗的測試:如果在Unknow集合中影響某一失敗測試的故障源只有一個(gè),則將該故障添加到Bad集合中,遍歷結(jié)束后將Bad集合中的故障從Unknow集合中刪去;

        4)添加可疑故障遍歷失敗的測試:如果在Unknow集合中仍存在導(dǎo)致測試失敗的故障源,則將所有影響該測試的故障移動到Suspected集合中。

        TEAMS-RT推理用于實(shí)時(shí)診斷系統(tǒng)的故障,輸入為系統(tǒng)健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測向量和系統(tǒng)當(dāng)前工作模式下的D矩陣,輸出為部件狀態(tài)(未知、正常、懷疑、故障全部包括在內(nèi))的集合,算法流程如圖3所示。

        圖3 TEAMS-RT算法流程

        4 亞跨超聲速風(fēng)洞的故障診斷過程及結(jié)果分析

        4.1 亞跨超聲速風(fēng)洞的多信號流圖模型

        基于1.2節(jié)中風(fēng)洞關(guān)鍵部件測試性分析的相關(guān)結(jié)論,采用多信號流圖建模方法對亞跨超聲速風(fēng)洞進(jìn)行測試性建模。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中風(fēng)洞氣流的流向與故障傳播關(guān)系,將故障模式集F中對應(yīng)的部件依次連接,并根據(jù)故障模式與測試集中的對應(yīng)關(guān)系引出測試節(jié)點(diǎn),建立的多信號流圖模型如圖4所示。模型中故障被隔離到SRU層,除噴口外各部件均對應(yīng)1個(gè)或以上測試節(jié)點(diǎn),體現(xiàn)了測點(diǎn)選擇的合理性?;谠摱嘈盘柫鲌D模型生成的相關(guān)性矩陣如表3所示,根據(jù)結(jié)果可知共有4個(gè)故障模式與測點(diǎn)一一對應(yīng),分別為F2、F6、F9與F11,以上故障模式在診斷中應(yīng)不存在漏檢與虛警。而F1與F8所對應(yīng)的測點(diǎn)存在能夠檢測多個(gè)故障的特點(diǎn),因此其虛警率可能較高。

        表3 風(fēng)洞測試性模型相關(guān)性矩陣

        圖4 FD-12風(fēng)洞多信號流圖模型

        4.2 故障診斷結(jié)果

        在風(fēng)洞系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中,將表3所示的相關(guān)性矩陣與實(shí)時(shí)觀測向量作為輸入,可通過第3節(jié)給出的TEAMS-RT診斷算法實(shí)現(xiàn)故障診斷。系統(tǒng)中各部件的健康狀態(tài)分為正常和故障2種,假設(shè)不存在狀態(tài)未知的測試,通過仿真對系統(tǒng)注入數(shù)種或單一故障組合,應(yīng)用上述方法對風(fēng)洞系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行故障診斷,驗(yàn)證結(jié)果如表4所示。其中,故障注入與風(fēng)洞系統(tǒng)設(shè)備的多信號流圖中的故障模式編號相對應(yīng),故障部件代表可確定的故障模式,可疑部件為不能確定但有故障可能的故障模式,未列出的部件為正常部件。由測試結(jié)果可知,針對本文搭建的風(fēng)洞系統(tǒng)多信號流圖模型,無論是注入單故障還是多故障,TEAMS-RT算法均能將故障元件和可疑元件全部列出,不存在漏檢,但存在一定虛警率。特別的,該模型對于單故障的檢測效果較好,如表4所示當(dāng)單獨(dú)注入故障F3與F6時(shí)算法能夠進(jìn)行準(zhǔn)確識別故障部件,無其他部件被列為可疑部件。此外,注入故障中涉及F1與F8時(shí)易產(chǎn)生虛警,這與4.1節(jié)中的分析相符合。

        表4 TEAMS-RT算法診斷結(jié)果

        5 結(jié)束語

        本文根據(jù)故障檢測、隔離及維修保障要求對亞跨超聲速風(fēng)洞進(jìn)行了層次劃分,并依據(jù)實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的故障情況對風(fēng)洞關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行了測試性分析,采用多信號流圖模型建立了風(fēng)洞的測試性模型,根據(jù)生成的相關(guān)矩陣實(shí)現(xiàn)了基于TEAMS-RT算法的風(fēng)洞故障診斷。結(jié)果表明本文建立的多信號流圖模型能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)洞故障診斷需求,但由與建模過程中對風(fēng)洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化,導(dǎo)致故障模式與測點(diǎn)數(shù)量相較于實(shí)際情況有所欠缺,后續(xù)將對風(fēng)洞多信號流圖模型進(jìn)行優(yōu)化,并基于模型構(gòu)建風(fēng)洞的診斷策略。

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