朱素華 邢清雄

摘 ? 要：本文建立了民機(jī)起落架防滑剎車系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，結(jié)合工程實(shí)際分析了系統(tǒng)常見故障，研究了系統(tǒng)故障注入方法。在對(duì)系統(tǒng)典型故障數(shù)據(jù)特征分析的基礎(chǔ)上，采用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法進(jìn)行典型執(zhí)行器和傳感器的故障診斷。通過(guò)Simulink仿真驗(yàn)證了本文所研究方法的有效性。

關(guān)鍵詞：起落架防滑剎車系統(tǒng) ?故障注入 ?故障診斷 ?神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：V267 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）08（c）-0007-03

隨著航空工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展以及民機(jī)的現(xiàn)代化、大型化，民機(jī)機(jī)電系統(tǒng)的復(fù)雜程度越來(lái)越高，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)各類故障。這些故障如果得不到及時(shí)的排除，輕則影響系統(tǒng)工作效率、增加能耗、加快設(shè)備損耗、影響乘客的舒適度，重則影響飛行安全。通過(guò)例行檢查和定期維護(hù)能降低故障的發(fā)生與危害，但這種方法沒有實(shí)時(shí)性，主要是對(duì)已經(jīng)發(fā)生的故障的補(bǔ)救，并且依賴于工作人員的經(jīng)驗(yàn)。起落架防滑剎車系統(tǒng)是飛機(jī)的安全關(guān)鍵系統(tǒng)之一，該系統(tǒng)故障可能會(huì)造成災(zāi)難性的后果。

本文針對(duì)民機(jī)起落架防滑剎車系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)建模、故障注入和故障診斷研究。通過(guò)設(shè)計(jì)系統(tǒng)故障診斷功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)故障的在線診斷，并通過(guò)故障注入和診斷仿真驗(yàn)證故障診斷的有效性。

1 ?起落架防滑剎車系統(tǒng)建模

起落架防滑剎車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，對(duì)組成剎車系統(tǒng)的各部分分別建立數(shù)學(xué)模型[1-3]。

2 ?故障分析及故障診斷

2.1 故障分析

剎車系統(tǒng)中常見的故障為電液伺服閥故障和機(jī)輪速度傳感器故障[4]。

（1）電液伺服閥故障。

主閥芯磨損：主閥芯磨損后，徑向間隙將增大，伺服閥輸出流量的精度下降，導(dǎo)致零位無(wú)載流量增益增大、零位內(nèi)泄漏增大、以及壓力增益降低等。主閥芯卡死：由油液污染引起的主閥芯卡死，使得伺服閥的無(wú)載控制流量增益發(fā)生畸變，流量和壓力增益降低。閥套密封圈破損：由于伺服閥長(zhǎng)期處于高溫、高壓的工作環(huán)境中，使得密封圈失去彈性、硬化進(jìn)而導(dǎo)致破損，導(dǎo)致內(nèi)泄漏特性曲線發(fā)生畸變、壓力增益顯著降低。

這三種故障均會(huì)導(dǎo)致伺服閥壓力增益下降，進(jìn)而導(dǎo)致剎車時(shí)間變長(zhǎng)，剎車距離變大。

（2）機(jī)輪速度傳感器故障。

本文考慮輪速傳感器在長(zhǎng)期使用后，其增益會(huì)發(fā)生一定的漂移。由于防滑控制盒是依據(jù)輪速傳感器的反饋信號(hào)產(chǎn)生防滑電流，通過(guò)控制機(jī)輪的滑移率，使得機(jī)輪與跑道的結(jié)合系數(shù)盡可能的大。而當(dāng)輪速傳感器發(fā)生增益漂移故障后，相比于無(wú)故障時(shí)，生成的防滑電流不再準(zhǔn)確，剎車效率降低，剎車時(shí)間表達(dá)，剎車距離變長(zhǎng)。

2.2 故障注入

（1）電液伺服閥故障。

由液壓伺服閥的故障分析可以知道，主閥芯磨損、卡死和閥套密封圈破損均會(huì)導(dǎo)致液壓伺服閥的壓力增益下降，所以可以通過(guò)在伺服閥輸出壓力信號(hào)后連接一個(gè)故障注入模塊，設(shè)置恒增益模式，通過(guò)設(shè)置恒增益參數(shù)為小于1的值，實(shí)現(xiàn)這三種故障的注入。

（2）機(jī)輪速度傳感器增益故障。

機(jī)輪速度傳感器主要是為控制盒提供輸入信號(hào)，可以通過(guò)在防滑控制盒機(jī)輪速度傳感器反饋信號(hào)處連接一個(gè)故障注入模塊，設(shè)置為恒增益模式，通過(guò)設(shè)置恒增益參數(shù)，注入相應(yīng)的輪速傳感器增益漂移故障。

2.3 故障診斷

防滑剎車系統(tǒng)模型具有復(fù)雜的非線性特點(diǎn)，選擇BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)防滑剎車控制系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷研究。

（1）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)樣本集的收集和處理。

根據(jù)所要研究的故障類型以及所搭建的防滑剎車系統(tǒng)模型信息，選擇的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入為：

，其中，、分別為飛機(jī)速度和機(jī)輪速度，為已經(jīng)剎車的時(shí)間，為伺服閥輸出的剎車壓力。

設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出為，防滑剎車系統(tǒng)的狀態(tài)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的期望輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

通過(guò)上節(jié)建立的防滑剎車系統(tǒng)Simulink模型，采集系統(tǒng)在正常狀態(tài)時(shí)的數(shù)據(jù)以及故障數(shù)據(jù)（故障注入時(shí)間為（0，25），伺服閥漂移系數(shù)為（0，1），輪速傳感器漂移系數(shù)為（0.5，1.5））共1000組的輸入向量pb及對(duì)應(yīng)的期望輸出tb，構(gòu)成初步的樣本集。由于組成樣本pb0的參數(shù)單位不同，數(shù)量級(jí)相差較大，為了改善神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能，防止出現(xiàn)過(guò)飽和現(xiàn)象，本文使用MATLAB函數(shù)將pb0轉(zhuǎn)化為范圍為（-1，1）的向量Pb，將 作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的樣本集，用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練。

（2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和訓(xùn)練。

根據(jù)上述所選擇的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入輸出可知，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層的神經(jīng)元數(shù)為n=4，輸出層的神經(jīng)元數(shù)為m=2，選擇α=8，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層的神經(jīng)元數(shù)為10，隱含層、輸出層的激活函數(shù)分別為tansig、purlin函數(shù)，訓(xùn)練目標(biāo)設(shè)為0.001，在MATLAB/nntool中構(gòu)建防滑剎車控制系統(tǒng)故障診斷神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)訓(xùn)練可知，設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練到143步的時(shí)候達(dá)到要求的精度。

3 ?故障診斷結(jié)果及分析

將MATLAB/nntool中訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)保存到MATLAB工作區(qū)，再使用MATLAB的命令，將設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成為一個(gè)Simulink模塊。圖2為防滑剎車系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷Simulink模型圖，模型接受來(lái)自防滑剎車系統(tǒng)的飛機(jī)速度、機(jī)輪邊緣線速度、已經(jīng)剎車時(shí)間、伺服閥輸出剎車壓力，將其進(jìn)行歸一化處理后，作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊的輸入向量，從而獲得診斷結(jié)果。

飛機(jī)著陸時(shí)的速度為72m/s，當(dāng)飛機(jī)速度小于1m/s時(shí)，認(rèn)為飛機(jī)剎車完成。

（1）正常狀態(tài)。

在不設(shè)故障的情況下，剎車總用時(shí)為26.4s，剎車距離為963m。分別仿真無(wú)故障時(shí)飛機(jī)-機(jī)輪速度、剎車壓力、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出tb1、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出tb2，可知tb1的絕對(duì)值小于0.03，tb2的絕對(duì)值小于0.02，在誤差范圍內(nèi)可近似為0，與期望輸出符合。

（2）伺服閥故障。

在第10s注入伺服閥故障，將其壓力增益改為正常狀態(tài)的0.6倍下，剎車總用時(shí)為30.1s，剎車距離為1044.8m，剎車效率低于無(wú)故障時(shí)。圖3和圖4分別為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出tb1、 tb2，tb1的絕對(duì)值小于0.015，tb2在第10s從0變?yōu)?，均與期望輸出符合，即設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以正確的診斷伺服閥故障。

（3）輪速傳感器增益漂移。

在第5s注入輪速傳感器增益漂移故障，將傳感器增益改為無(wú)故障時(shí)的1.2倍，則剎車總用時(shí)為29.5s，剎車距離為1022m，剎車效率低于無(wú)故障時(shí)。圖5和圖6分別為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出tb1、tb2，tb1在第5s從0變?yōu)?，tb2的絕對(duì)值小于0.006，符合期望輸出，即設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以正確的診斷出傳感器增益漂移故障。

4 ?結(jié)語(yǔ)

起落架防滑剎車系統(tǒng)作為民機(jī)機(jī)電系統(tǒng)的重要組成部分，研究其故障診斷具有重要意義。本文以起落架防滑剎車控制系統(tǒng)作為研究對(duì)象，分別進(jìn)行了系統(tǒng)建模、故障分析與注入、故障診斷研究，并結(jié)合典型民機(jī)參數(shù)進(jìn)行了Matlab仿真驗(yàn)證，表明了故障診斷的有效性。

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