趙萬里,郭迎清,彭 晉,郭鵬飛,刁昕宇

(1.西北工業(yè)大學(xué) 動(dòng)力與能源學(xué)院,陜西 西安 710129; 2.中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院,四川 綿陽 621700)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試車臺(tái)已經(jīng)成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)設(shè)備,對(duì)高空模擬試車臺(tái)的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰徒】倒芾矸矫娴难芯烤哂袘?zhàn)略意義[1-3]。液壓加載系統(tǒng)作為高空臺(tái)最典型的工藝系統(tǒng)之一,用于模擬飛機(jī)液壓泵的工作,提取發(fā)動(dòng)機(jī)的功率后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,并評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)上運(yùn)轉(zhuǎn)的影響,其工作狀況的健康穩(wěn)定對(duì)高空臺(tái)順利完成多種要求下的試驗(yàn)至關(guān)重要。液壓加載系統(tǒng)為發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)載液壓泵提供所需壓力、流量的液壓油,主要通過調(diào)節(jié)液壓泵出口閥門開度在泵后造成一定節(jié)流阻力,使液壓泵在一定的負(fù)載狀態(tài)下運(yùn)行,達(dá)到模擬發(fā)動(dòng)機(jī)飛行狀態(tài)所需的液壓泵載荷的目的。液壓加載系統(tǒng)在高空試車臺(tái)的作用是在地面模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的抽功,提取發(fā)動(dòng)機(jī)的功率,同時(shí)為液壓泵提供滿足條件的液壓油。隨著我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)條件的要求越來越高,高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)面臨著試驗(yàn)過程智能化程度低、故障頻繁發(fā)生、故障無法自動(dòng)識(shí)別和歷史數(shù)據(jù)應(yīng)用不足等問題,對(duì)高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)進(jìn)行智能化控制、故障診斷和健康管理具有重要的意義[4-5]。

現(xiàn)如今,高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)僅用于人機(jī)交互界面實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的各類壓力、溫度、流量和閥門的基本狀態(tài)等,以為操作人員操作和判斷提供參考,其深層利用價(jià)值并沒有被開發(fā)出來[6]。具體來說其數(shù)據(jù)價(jià)值利用瓶頸主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面:① 對(duì)數(shù)據(jù)的挖掘研究不夠深入,并未對(duì)數(shù)據(jù)本身或各類數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)集之間所隱藏的各類信息進(jìn)行充分挖掘,發(fā)現(xiàn)其所包含的深層聯(lián)系和規(guī)律;② 對(duì)智能化新技術(shù)與數(shù)據(jù)挖掘的結(jié)合應(yīng)用探索尚未開展,無法在典型故障診斷、設(shè)備信息管理和虛擬現(xiàn)實(shí)方面形成有效的應(yīng)用管理機(jī)制,無法充分體現(xiàn)高空臺(tái)設(shè)備智能系統(tǒng)的智能化水平,展示其先進(jìn)性;③ 數(shù)據(jù)在綜合管控平臺(tái)中的顯性化表達(dá)處于初級(jí)階段,在人機(jī)交互界面中只簡(jiǎn)單地展現(xiàn)了系統(tǒng)測(cè)得的有限原始數(shù)據(jù),操作人員獲取的數(shù)據(jù)價(jià)值有限且形式簡(jiǎn)單,在數(shù)據(jù)價(jià)值與數(shù)據(jù)展示直觀性上有待改進(jìn)。

當(dāng)前,全世界各國(guó)政府高度重視大數(shù)據(jù)技術(shù)研究與應(yīng)用,不少發(fā)達(dá)國(guó)家頒布了關(guān)于大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略綱領(lǐng)性文件,以推動(dòng)大數(shù)據(jù)在社會(huì)治理、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和政府服務(wù)等方面的應(yīng)用[7]。美國(guó)阿諾德工程開發(fā)中心(Arnold Engineering Development Center,AEDC)也極為重視先進(jìn)高空臺(tái)在數(shù)據(jù)庫方面的建設(shè)[8]。20世紀(jì)七八十年代便完成了對(duì)高空臺(tái)智能化等籌劃與體系建設(shè),其中就提到多個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)庫的建立。例如AEDC用于發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)的測(cè)試儀器系統(tǒng)(Test Instrumentation System,TIS)是AEDC試驗(yàn)設(shè)備的一個(gè)組成部分,該系統(tǒng)允許試驗(yàn)人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過程中關(guān)鍵的設(shè)備參數(shù);系統(tǒng)會(huì)在試驗(yàn)的特定階段自動(dòng)向試驗(yàn)人員提供設(shè)備狀態(tài)分析報(bào)表,同時(shí)允許試驗(yàn)人員使用系統(tǒng)內(nèi)部的控制子系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)進(jìn)程進(jìn)行管控,這大幅減少了高空模擬試驗(yàn)所需的時(shí)間,提高了試驗(yàn)效率和試驗(yàn)自動(dòng)化水平[9]。

近年來又提出一個(gè)重要內(nèi)容即建設(shè)綜合調(diào)度系統(tǒng)(Integrated Scheduling System,ISS)。ISS是一套數(shù)據(jù)庫,可以收集試驗(yàn)、維修和投資項(xiàng)目的管理信息,并開展最優(yōu)化的規(guī)劃和分析來推進(jìn)和完成這些項(xiàng)目;它將改善短期和長(zhǎng)期規(guī)劃、決策、效率和效力,并提升系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化能力。可以看出美國(guó)對(duì)先進(jìn)高空臺(tái)在大數(shù)據(jù)平臺(tái)搭建、數(shù)據(jù)挖掘與分析運(yùn)用方面給予了足夠的重視,并以此作為推動(dòng)高空臺(tái)智能化發(fā)展的核心手段[10]。在國(guó)內(nèi),也對(duì)相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)開發(fā)開展了諸多研究。李靈巧[11]對(duì)某研究所高空臺(tái)試驗(yàn)數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和開發(fā);中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院的師偉等[12]對(duì)高空臺(tái)試驗(yàn)數(shù)據(jù)信息平臺(tái)數(shù)據(jù)交換技術(shù)進(jìn)行了研究;文維陽等[13]采用現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)管理和分析技術(shù)等先進(jìn)手段建立了基于以太網(wǎng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

隨著數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的廣泛應(yīng)用,傳感器設(shè)備數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化文檔數(shù)據(jù)等大數(shù)據(jù)環(huán)境下的數(shù)據(jù)組成無法通過傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)模型進(jìn)行建模和存儲(chǔ)。研究逐漸轉(zhuǎn)向通過研究大數(shù)據(jù)技術(shù)來滿足設(shè)備數(shù)據(jù)綜合管理的需要,可以采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)開展相關(guān)研究。在國(guó)內(nèi),對(duì)高空臺(tái)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的改進(jìn)一直在推進(jìn)中,對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫的研究與利用從未停止,特別是在在線顯示與數(shù)據(jù)分析、設(shè)備信息庫建立和數(shù)據(jù)回放等多方面的研究中獲得了不少成果[14-16]。但是數(shù)據(jù)資源的應(yīng)用仍停留在初步利用階段,信息世界與物理世界的有機(jī)集成和深度融合不足、實(shí)物信息和電子數(shù)據(jù)存在信息孤島?；诙鄠鞲衅鞯臄?shù)據(jù)融合技術(shù)、設(shè)備信息故障與健康管理技術(shù)、數(shù)據(jù)可視化技術(shù)等智能化技術(shù)尚在探索之中。

本文圍繞航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試車臺(tái)液壓加載系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的深層次挖掘與預(yù)處理等科學(xué)問題,針對(duì)高空臺(tái)智能化試驗(yàn)功能需求,利用當(dāng)前大數(shù)據(jù)挖掘分析與信息融合技術(shù)原理,開展高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)智能運(yùn)行技術(shù)研究。

1 液壓加載系統(tǒng)組成

高空模擬臺(tái)液壓加載系統(tǒng)可劃分為兩大部分:液壓系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)主要由液壓油源、地面液壓泵、電磁溢流閥、管路、機(jī)載液壓泵和電液比例閥等設(shè)備元件組成,測(cè)控系統(tǒng)則包括PLC控制器、比例放大器、壓力傳感器和渦輪流量計(jì)等測(cè)控單元。系統(tǒng)以壓力、流量作為測(cè)控對(duì)象,形成一個(gè)具有反饋調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng),最終實(shí)現(xiàn)液壓加載系統(tǒng)精度提高、操作簡(jiǎn)化的目的。其系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。

圖1 高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)原理圖

由于飛機(jī)上的發(fā)動(dòng)機(jī)液壓泵一般是恒壓變量泵,其輸出功率主要用于泵出液壓油供飛機(jī)起落架和機(jī)翼動(dòng)作的消耗。根據(jù)高空試車臺(tái)模擬機(jī)載泵的工作原理,加入電液比例閥作為耗能元件,設(shè)計(jì)液壓加載控制系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功率提取。

比例閥必須和電子放大器配合使用,放大器根據(jù)輸入信號(hào)向比例閥電磁鐵提供一個(gè)適當(dāng)電流。利用比例閥實(shí)現(xiàn)加載的基本原理是:比例電磁鐵將電流轉(zhuǎn)換成作用在閥芯上的機(jī)械力并克服復(fù)位彈簧,隨著電流增大,電磁鐵輸出力增大,復(fù)位彈簧被壓縮,于是閥芯開始移動(dòng),進(jìn)而改變主閥芯的開口面積大小,在壓差一定的前提下,比例閥開口面積的變化直接引起閥進(jìn)出口前后流量的變化,實(shí)現(xiàn)了對(duì)液壓泵進(jìn)行加載的目的。

2 高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)試驗(yàn)智能運(yùn)行需求及關(guān)鍵問題

2.1 高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)試驗(yàn)智能運(yùn)行需求分析

(1) 高空臺(tái)液壓加載載荷試驗(yàn)的高精度化和智能化需求。

液壓加載系統(tǒng)是為了模擬飛機(jī)液壓泵工作,提取發(fā)動(dòng)機(jī)功率并對(duì)液壓系統(tǒng)內(nèi)各參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,測(cè)評(píng)液壓泵在提取發(fā)動(dòng)機(jī)部分功率后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的影響。在高空臺(tái)模擬試驗(yàn)中,液壓加載系統(tǒng)主要完成固定加載試驗(yàn)和功率譜加載試驗(yàn),固定加載試驗(yàn)時(shí)只需將閥門調(diào)到設(shè)定好的開度即可,而功率譜加載試驗(yàn)需要加載不同的功率并且調(diào)節(jié)時(shí)間要盡可能縮短,目前主要采用手工調(diào)節(jié)和開環(huán)控制的方法,存在控制靈活度不高且精度較低的問題。因此需要設(shè)計(jì)智能化控制系統(tǒng)來使液壓加載系統(tǒng)達(dá)到高精度化和智能化,從而保證試驗(yàn)安全、高效地進(jìn)行。

(2) 高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)多傳感器數(shù)據(jù)的深入挖掘。

高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)傳感器眾多,主要有溫度、壓力和流量傳感器。目前液壓加載系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)的利用還停留在簡(jiǎn)單的展示階段,數(shù)據(jù)潛在的特征信息并沒有被完全挖掘出來,導(dǎo)致數(shù)據(jù)利用率低,數(shù)據(jù)分析難。對(duì)高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)多傳感器數(shù)據(jù)的深入挖掘開發(fā)可將數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)集中的內(nèi)涵聯(lián)系和規(guī)律挖掘出來,可以為系統(tǒng)智能運(yùn)行平臺(tái)的改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支持。

(3) 高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)故障診斷、健康管理和智能化控制。

目前,高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)只是根據(jù)試驗(yàn)需求提前設(shè)定好程序,當(dāng)試驗(yàn)設(shè)備或耗能元件故障時(shí)對(duì)其進(jìn)行維修或更換,系統(tǒng)的智能化程度不高。由于對(duì)設(shè)備的狀態(tài)、故障和健康狀況等各類信息不了解,導(dǎo)致試驗(yàn)效率低、維修費(fèi)用高并且存在安全隱患。子設(shè)備處于高溫高壓環(huán)境中,很容易發(fā)生性能退化和故障,可以通過智能算法對(duì)液壓加載系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷和健康管理,根據(jù)輸出結(jié)果來對(duì)液壓加載系統(tǒng)進(jìn)行條件控制,使液壓加載系統(tǒng)能夠智能運(yùn)行。

(4) 液壓加載系統(tǒng)數(shù)據(jù)可視化與人機(jī)交互系統(tǒng)改進(jìn)。

高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)的數(shù)據(jù)展示目前只停留在原始數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單展示,操作人員獲取的信息混亂且價(jià)值不高。通過對(duì)數(shù)據(jù)可視化與人機(jī)交互系統(tǒng)的改進(jìn)研究,設(shè)計(jì)出液壓加載系統(tǒng)的三維可視化虛擬運(yùn)行場(chǎng)景,挖掘表征故障和健康信息的傳感器特征值并對(duì)其顯示方式進(jìn)行改進(jìn),結(jié)合設(shè)備信息管理、實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控、關(guān)鍵設(shè)備故障判別、工作日志和報(bào)表分析等業(yè)務(wù)需求,全面改進(jìn)人機(jī)交互系統(tǒng)。

2.2 液壓加載系統(tǒng)試驗(yàn)智能運(yùn)行的關(guān)鍵問題

(1) 高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)多傳感器數(shù)據(jù)預(yù)處理問題。

高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)作為復(fù)雜液壓工藝系統(tǒng),由于工作特性和外界環(huán)境的影響使得測(cè)試信號(hào)(壓力、流量、油溫、轉(zhuǎn)速等)存在異常值和不同程度的噪聲、脈沖等干擾信號(hào),這些干擾不利于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合與深入挖掘等工作,并且會(huì)對(duì)基于數(shù)據(jù)的液壓加載系統(tǒng)故障診斷效果產(chǎn)生較大影響?；跀?shù)據(jù)的故障診斷技術(shù)在數(shù)據(jù)融合前需要保證數(shù)據(jù)的可信度,即必須進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理。而對(duì)液壓加載系統(tǒng)復(fù)雜的干擾因素消除,需要有序地采用不同方法進(jìn)行處理,以滿足信號(hào)融合所需要的數(shù)據(jù)屬性。首先分析高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)的歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)特征,有針對(duì)性地選擇有效的數(shù)據(jù)預(yù)處理方式;再將數(shù)據(jù)預(yù)處理流程打包,形成數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊;實(shí)現(xiàn)對(duì)原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理,使數(shù)據(jù)能夠更好地應(yīng)用于液壓加載系統(tǒng)的健康監(jiān)控和故障診斷。

(2) 高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)多傳感器數(shù)據(jù)融合問題。

高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)子設(shè)備眾多,長(zhǎng)期處于高壓高溫狀態(tài)條件下會(huì)出現(xiàn)磨損、卡滯和汽蝕等故障或者性能發(fā)生退化,因此對(duì)液壓加載系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷和健康預(yù)測(cè)尤為重要。長(zhǎng)時(shí)間的模擬試車試驗(yàn)積攢了規(guī)模龐大的傳感器數(shù)據(jù),但這些數(shù)據(jù)是不同形式、不同維度和不同層面的、數(shù)據(jù)信號(hào)差異大、采樣形式多、數(shù)據(jù)價(jià)值密度低等導(dǎo)致數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊。通過高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)多傳感器數(shù)據(jù)融合研究,采用融合算法實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的深入挖掘,并將各傳感器關(guān)于故障診斷與健康預(yù)測(cè)的說明數(shù)據(jù)按同一目標(biāo)進(jìn)行分組關(guān)聯(lián),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)液壓加載系統(tǒng)的故障診斷和健康預(yù)測(cè)。

(3) 高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)綜合智能控制平臺(tái)。

高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)在工作過程中,機(jī)載泵后流量會(huì)因控制系統(tǒng)的作用而跟蹤加載譜的目標(biāo)流量,由于泵前后有較大的定壓差(通常約為28.4 MPa),使航空發(fā)動(dòng)機(jī)在對(duì)應(yīng)流量譜的功率負(fù)載下運(yùn)行,所以高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)的控制過程是一個(gè)流量控制過程。高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)需要完成固定加載試驗(yàn)和功率譜加載試驗(yàn),目前功率譜加載試驗(yàn)中是采用試驗(yàn)前人工大量摸索不同載荷需求下閥門控制位置,離線分析總結(jié)、得到閥門控制規(guī)律,在實(shí)際試驗(yàn)中由提前輸入的閥門控制規(guī)律來完成控制,但每次試驗(yàn)差異性(包括機(jī)載液壓泵的不同、載荷譜的不同等)都難以達(dá)到既快速又準(zhǔn)確的目的。為了提高控制精度,應(yīng)該采用閉環(huán)控制,但是由于加載譜瞬間變化,要求響應(yīng)速度極快,通過人手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門、監(jiān)視被控制量機(jī)載液壓泵出口流量(或壓力)的方式,控制速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上,采用一般閉環(huán)控制算法通過計(jì)算機(jī)或PLC自動(dòng)控制也無法滿足要求。所以需要設(shè)計(jì)新的控制方法以滿足載荷需求變化時(shí)又快又準(zhǔn)的控制效果。

為實(shí)現(xiàn)上述控制效果,應(yīng)采用分層結(jié)構(gòu),根據(jù)高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)的工藝流程和多傳感器數(shù)據(jù)融合的結(jié)果,統(tǒng)籌管理高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)各子設(shè)備間的協(xié)調(diào)與聯(lián)合工作,實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的條件控制。根據(jù)故障診斷結(jié)果和設(shè)備健康狀況對(duì)底層控制器的控制規(guī)律或控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,使各子設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)控制,進(jìn)而提高控制精度,保證試驗(yàn)安全高效地進(jìn)行。

(4) 建立高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)可視化展示平臺(tái)。

目前液壓加載系統(tǒng)只是進(jìn)行輸入輸出展示,例如查看當(dāng)前工作條件下的閥位、流量、壓力和溫度等傳感器的數(shù)據(jù),無法展示系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備運(yùn)作情況等信息,也不能直觀地展示其工藝流程和設(shè)備當(dāng)前狀況,因此需要對(duì)二維數(shù)據(jù)展示界面進(jìn)行改進(jìn)。為了使操作人員能夠在試驗(yàn)過程中直觀地查看各子設(shè)備的運(yùn)行情況,采用前端構(gòu)架與后端管理相結(jié)合的方法,基于輕量化BIM(Building Information Modeling,建筑信息模型),建立液壓加載系統(tǒng)三維運(yùn)行場(chǎng)景,展示高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流,模擬真實(shí)設(shè)備場(chǎng)景,提取并展示相關(guān)特征和規(guī)律,實(shí)時(shí)監(jiān)控模擬狀態(tài),并可查看設(shè)備健康狀況,可通過動(dòng)畫效果直觀地展示整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作流程,實(shí)現(xiàn)局部到整體的分析展示。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)智能運(yùn)行技術(shù)總體框架

高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)智能運(yùn)行技術(shù)總體框架如圖2所示,主要包含對(duì)試驗(yàn)設(shè)備傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理并進(jìn)行3層融合,根據(jù)故障診斷與健康預(yù)測(cè)的需求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分組關(guān)聯(lián),分析液壓加載系統(tǒng)典型故障,設(shè)計(jì)基于專家系統(tǒng)的開環(huán)控制與PID閉環(huán)控制提高試驗(yàn)靈活度和精度。采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法,結(jié)合數(shù)據(jù)預(yù)處理與融合的結(jié)果、數(shù)據(jù)分組關(guān)聯(lián)的結(jié)果,對(duì)液壓加載系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷與健康預(yù)測(cè),最終搭建基于輕量化BIM的液壓加載系統(tǒng)可視化展示平臺(tái)。

圖2 高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)智能運(yùn)行技術(shù)總體框架

3.2 基于層次分析法的數(shù)據(jù)分組關(guān)聯(lián)架構(gòu)

通過分析高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)原理,結(jié)合歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù),分析液壓加載系統(tǒng)的常見故障及其故障機(jī)理,主要包括閥門故障、泵故障和管路故障等。采用基于物理機(jī)理和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的方法建立整個(gè)高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)的故障模型。采用故障因子注入法來模擬典型故障,通過循環(huán)模擬液壓加載系統(tǒng)故障;采用單因素敏感性分析方法輸出局部敏感度矩陣;采用基于方差分解方法的多因素敏感性分析,在多故障共同發(fā)生時(shí),分析狀態(tài)參數(shù)對(duì)各個(gè)故障的敏感性;采用數(shù)據(jù)信息熵公式,通過穩(wěn)定行為量來衡量液壓加載系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)序列的穩(wěn)定性。計(jì)算各傳感器之間的Pearson相關(guān)系數(shù)來度量?jī)蓚€(gè)隨機(jī)變量間的線性相關(guān)程度,包括相關(guān)的強(qiáng)度和方向。

采用層次分析法建立高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分組關(guān)聯(lián)架構(gòu)如圖3所示,分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層。目標(biāo)層只有一個(gè)元素,是分析問題的預(yù)定目標(biāo)。準(zhǔn)則層包含為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)所涉及的中間環(huán)節(jié),主要是一些指標(biāo)或準(zhǔn)則,主要包含敏感性、穩(wěn)定性和相關(guān)性等指標(biāo)。方案層包含為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)可供選擇的各種方案,子設(shè)備主要包括液壓泵、機(jī)載泵、管路、比例閥和電磁溢流閥等。以高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)故障診斷和健康預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)分組關(guān)聯(lián)為目標(biāo),針對(duì)不同液壓加載系統(tǒng)子設(shè)備,分析其敏感性、穩(wěn)定性和相關(guān)性,得到各自的傳感器集合,然后通過決策樹分析方法對(duì)其進(jìn)行分組關(guān)聯(lián)。

圖3 高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)的分組關(guān)聯(lián)架構(gòu)

3.3 液壓加載系統(tǒng)數(shù)據(jù)預(yù)處理

高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理過程需要經(jīng)過濾波、缺失值填充、離群點(diǎn)處理、數(shù)據(jù)歸一化和特征提取5個(gè)步驟[17-18],其流程圖如圖4所示。針對(duì)原始數(shù)據(jù)中夾雜的噪聲信號(hào),采用滑動(dòng)平均法進(jìn)行處理,把前后時(shí)刻的共2n+1個(gè)觀測(cè)值做平均,得到當(dāng)前時(shí)刻的濾波結(jié)果。缺失值填充采用統(tǒng)計(jì)量填充的方法,即將缺失值填充為統(tǒng)一參數(shù)數(shù)據(jù)的平均值或中位數(shù)。離群點(diǎn)處理的過程可分為離群點(diǎn)檢測(cè)與離群點(diǎn)消除。離群點(diǎn)檢測(cè)采用基于聚類的方法。離群點(diǎn)數(shù)據(jù)分為隨機(jī)離群點(diǎn)和機(jī)理性離群點(diǎn),檢測(cè)出離群點(diǎn)后,將隨機(jī)性離群點(diǎn)剔除,保留機(jī)理性離群點(diǎn)并分析其機(jī)理。數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊主要包含異常值剔除、噪聲剔除、數(shù)據(jù)整合和數(shù)據(jù)存儲(chǔ),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化,將各數(shù)據(jù)元素投影到[0,1]空間當(dāng)中。最后采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的深度置信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行特征提取,提取出數(shù)據(jù)中與故障診斷及預(yù)測(cè)相關(guān)的參數(shù)與維度,使數(shù)據(jù)更好地用于模型與網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程。

圖4 液壓加載系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)預(yù)處理流程

3.4 液壓加載系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理完之后需要進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,圖5為液壓加載系統(tǒng)多傳感器數(shù)據(jù)融合架構(gòu)圖,主要包含數(shù)據(jù)層、特征層和決策層融合。首先對(duì)液壓加載系統(tǒng)多傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,然后對(duì)數(shù)據(jù)融合層的輸出結(jié)果進(jìn)行特征提取,可得到在給定狀態(tài)下高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)傳感器測(cè)量參數(shù)的變化趨勢(shì)。數(shù)據(jù)層融合可采用基于模型的方法(如基于卡爾曼濾波器的方法和加權(quán)平均法);特征層融合可以采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法或融合方法進(jìn)行特征提取,提取的參數(shù)特征首先進(jìn)行設(shè)備級(jí)的故障特征融合,可以采用模糊邏輯推理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。分析各子設(shè)備的工作是否異常,得到各子設(shè)備的故障檢測(cè)結(jié)果,然后進(jìn)行全系統(tǒng)級(jí)的故障特征融合,即綜合考慮各子設(shè)備的故障情形,確定全系統(tǒng)的工作狀態(tài),決策級(jí)融合可以采用D-S證據(jù)理論和貝葉斯方法。

圖5 液壓加載系統(tǒng)多傳感器數(shù)據(jù)融合架構(gòu)圖

3.5 基于設(shè)備特性與加載譜的液壓加載系統(tǒng)智能復(fù)合控制

高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)主要用于模擬飛機(jī)機(jī)載液壓泵的工作,在其工作過程中,機(jī)載泵后流量會(huì)因控制系統(tǒng)的作用而跟蹤加載譜的目標(biāo)流量。在進(jìn)行加載譜試驗(yàn)時(shí),需要在很短時(shí)間內(nèi)調(diào)節(jié)流量大小[19],其具體試驗(yàn)需求如圖6所示,因此目前采用了開環(huán)控制使響應(yīng)時(shí)間更快,但是需要提前試車來手動(dòng)摸索所需功率譜要求下閥門開度與流量之間的關(guān)系,再將其寫入程序進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

圖6 加載譜試驗(yàn)中時(shí)間與流量關(guān)系圖

為了解決加載譜試驗(yàn)靈活度不高和精度較低的問題,設(shè)計(jì)了圖7所示的基于設(shè)備特性與加載譜的液壓加載系統(tǒng)智能復(fù)合控制方案。

圖7 基于設(shè)備特性與加載譜的液壓加載系統(tǒng)智能復(fù)合控制方案

該方案根據(jù)設(shè)備特性和加載譜試驗(yàn)需求,結(jié)合歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立專家系統(tǒng)來提高控制靈活度,通過流量傳感器反饋建立閉環(huán)控制系統(tǒng)來提高控制精度[20-21]。專家系統(tǒng)由液壓加載的特性和加載譜的試驗(yàn)需求組成,根據(jù)傳感器測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù),建立液壓加載系統(tǒng)中閥門的模型,進(jìn)而得到流量與閥門開度之間的關(guān)系,進(jìn)而建立開環(huán)模糊系統(tǒng)。液壓加載系統(tǒng)的控制系統(tǒng)主要由一個(gè)PID控制器組成,該控制器在專家系統(tǒng)指令執(zhí)行完之后運(yùn)行,主要負(fù)責(zé)加載譜試驗(yàn)到達(dá)流量需求之后的穩(wěn)態(tài)控制過程。

3.6 液壓加載系統(tǒng)故障診斷與健康預(yù)測(cè)

通過數(shù)據(jù)融合的結(jié)果,分析液壓加載系統(tǒng)的子設(shè)備的健康狀況,給出子設(shè)備控制指令(如條件控制、連鎖控制和邏輯控制等),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間更好的協(xié)同工作,提高試驗(yàn)效率,保障試驗(yàn)的安全進(jìn)行。對(duì)高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理并進(jìn)行特征提取,然后設(shè)計(jì)診斷模型進(jìn)行故障診斷,結(jié)合診斷模塊的輸出信息,設(shè)計(jì)退化模型對(duì)液壓加載系統(tǒng)子設(shè)備性能退化預(yù)測(cè)進(jìn)行研究,估計(jì)剩余使用壽命并指定決策,以此來重新規(guī)劃任務(wù)或進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu),將結(jié)果輸出給液壓加載系統(tǒng),進(jìn)而形成閉環(huán),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓加載系統(tǒng)運(yùn)行過程完全的監(jiān)視、診斷與預(yù)測(cè)。

由于高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜,精確建模難度很大,不適合使用基于模型的故障診斷方法,同時(shí)其積累了大量的可以深層次利用的歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù),有利于使用數(shù)據(jù)開發(fā)故障診斷模型并同時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證。因此,采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法進(jìn)行液壓加載系統(tǒng)故障診斷,這樣可以充分利用其歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù),挖掘數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值,當(dāng)數(shù)據(jù)全面且充足時(shí),可以有效提高故障診斷的精度,從而減少誤判[22]。深度學(xué)習(xí)理論指出具有多個(gè)隱藏層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力,并且隨著深度的增加,隱藏層數(shù)量可逐漸增加。高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)多傳感器與故障模式之間存在較為復(fù)雜的非線性關(guān)系,如果使用表征能力不強(qiáng)的模型學(xué)習(xí)這一關(guān)系則會(huì)出現(xiàn)欠擬合現(xiàn)象,即模型學(xué)習(xí)能力不強(qiáng),無法準(zhǔn)確擬合數(shù)據(jù)與故障之間的關(guān)系,所以本小節(jié)使用基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷算法以提高對(duì)不同故障的識(shí)別率。深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷算法基于大量帶標(biāo)簽的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練,得到最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和偏置項(xiàng)參數(shù),整個(gè)訓(xùn)練過程以最小化交叉熵?fù)p失函數(shù)為目標(biāo),迭代更新網(wǎng)絡(luò)參數(shù),當(dāng)訓(xùn)練誤差小于預(yù)設(shè)值或總迭代次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)次數(shù)時(shí),訓(xùn)練過程結(jié)束并完成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立過程。

當(dāng)進(jìn)行高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)故障診斷時(shí),只需將經(jīng)數(shù)據(jù)處理后的特征向量作為輸入向量,借助訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行前向計(jì)算,進(jìn)而得到輸出層參數(shù)值,選取輸出層神經(jīng)元值最大時(shí)對(duì)應(yīng)的故障模式作為最終的故障診斷結(jié)果?；谏疃壬窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的液壓加載系統(tǒng)故障診斷算法結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

圖8 基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的液壓加載系統(tǒng)故障診斷算法結(jié)構(gòu)圖

對(duì)高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)的性能衰退形式和特點(diǎn)進(jìn)行研究。液壓加載系統(tǒng)的子設(shè)備眾多,長(zhǎng)期處于高溫高壓環(huán)境中很容易發(fā)生性能退化,以液壓加載系統(tǒng)實(shí)效性為目標(biāo)設(shè)計(jì)合適的健康指標(biāo)選取方案,檢測(cè)液壓加載系統(tǒng)的性能衰退并表征其健康狀況。使用支持向量機(jī)的方法對(duì)其性能衰退進(jìn)行預(yù)測(cè),以提高預(yù)測(cè)精度和完整性[23]?；谝簤杭虞d系統(tǒng)故障分析與故障數(shù)據(jù),將故障特征映射到健康指標(biāo)上,基于性能衰退預(yù)測(cè)對(duì)故障時(shí)間和故障程度進(jìn)行預(yù)測(cè),提出有效的維修節(jié)點(diǎn)以延長(zhǎng)高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)的使用壽命并降低其故障風(fēng)險(xiǎn)?；谥С窒蛄繖C(jī)的健康預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。

圖9 基于支持向量機(jī)的液壓加載系統(tǒng)健康預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)圖

3.7 基于WebGL液壓加載系統(tǒng)工藝流程三維可視化

高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)的硬件部分可劃分為兩大部分:液壓系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)主要由液壓油源、地面液壓泵、電磁溢流閥、管路、機(jī)載液壓泵和電液比例閥等設(shè)備元件組成。測(cè)控系統(tǒng)則包括PLC控制器、比例放大器、壓力傳感器和渦輪流量計(jì)等測(cè)控單元。WebGL技術(shù)可為HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染,可搭建液壓加載系統(tǒng)三維可視化場(chǎng)景[24-25]。液壓加載系統(tǒng)BIM整體技術(shù)架構(gòu)如圖10所示,硬件系統(tǒng)通過Modbus協(xié)議將傳感器數(shù)據(jù)傳輸給軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)中,Python程序負(fù)責(zé)將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、智能控制、故障診斷等功能并將各功能模塊的輸出通過WebSocket協(xié)議傳輸給Web展示界面。Web端展示界面根據(jù)需求規(guī)則,對(duì)液壓加載系統(tǒng)中的試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)部件、設(shè)備工藝流程進(jìn)行可視化展示,生成可視化界面并接收操作人員的操作指令,對(duì)指令進(jìn)行解析并通過WebSocket協(xié)議驅(qū)動(dòng)Python程序的運(yùn)行。界面前端對(duì)接液壓系統(tǒng)后臺(tái)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度的監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)液壓加載系統(tǒng)設(shè)備可視化、管道可視化、工作過程可視化、功能可視化,最終進(jìn)行液壓加載系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示、設(shè)備預(yù)警和實(shí)時(shí)監(jiān)控,以達(dá)到提高系統(tǒng)效率的目標(biāo)。

圖10 高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)BIM整體技術(shù)架構(gòu)

基于液壓加載系統(tǒng)原理圖,采用3DS MAX軟件對(duì)其子系統(tǒng)元件進(jìn)行標(biāo)注,然后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)建模部件進(jìn)行適當(dāng)修改并進(jìn)行組裝,得到液壓加載系統(tǒng)的三維模型并將其導(dǎo)出為.obj三維模型文件和.mtl材質(zhì)文件。Web端通過本地HTTP協(xié)議讀取該文件,基于WebGL技術(shù)將三維模型導(dǎo)入HTML5框架中,并將其與服務(wù)器相連接,服務(wù)器為其提供展示的數(shù)據(jù)與報(bào)表,使試驗(yàn)智能化,圖11顯示了建立的高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)三維可視化界面,其功能包括液壓加載系統(tǒng)模型、傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、試驗(yàn)設(shè)置與人工操作界面、數(shù)據(jù)綜合管理、試驗(yàn)過程分析和故障診斷分析。

圖11 高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)試驗(yàn)智能運(yùn)行三維可視化界面

4 結(jié)論

針對(duì)高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)試驗(yàn)智能化需求,本文針對(duì)當(dāng)前存在的關(guān)鍵問題提出試驗(yàn)智能化的關(guān)鍵技術(shù),結(jié)論如下。

① 深入分析了液壓加載系統(tǒng)原理并提出了智能運(yùn)行總體框架,采用層次分析法建立高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分組關(guān)聯(lián)架構(gòu),根據(jù)液壓加載系統(tǒng)原理將其分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分組關(guān)聯(lián)。

② 基于多傳感器信息融合技術(shù),提出了液壓加載系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)預(yù)處理流程和數(shù)據(jù)融合架構(gòu),依據(jù)數(shù)據(jù)融合結(jié)果提出了基于深度學(xué)習(xí)的液壓加載系統(tǒng)故障診斷方法和基于支持向量機(jī)的設(shè)備健康預(yù)測(cè)方法。

③ 提出了一種基于設(shè)備特性與加載譜的液壓加載系統(tǒng)智能復(fù)合控制框架,根據(jù)設(shè)備特性建立開環(huán)模糊控制器以滿足加載譜試驗(yàn)的快速性要求,通過流量傳感器反饋建立PID控制器以提高控制精度。

④ 基于WebGL技術(shù)與HTML5框架設(shè)計(jì)了液壓加載系統(tǒng)的三維可視化框架,融合搭建的三維模型將結(jié)果與軟件系統(tǒng)集成,建立了液壓加載系統(tǒng)試驗(yàn)智能運(yùn)行的三維可視化界面并實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示。