陳亞民，王俊杰

（31664部隊(duì)，甘肅白銀，730900）

0 引言

當(dāng)前機(jī)載設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估、早期故障診斷以及故障預(yù)測(cè)是國(guó)內(nèi)外PHM的技術(shù)研究熱點(diǎn)。而機(jī)載液壓系統(tǒng)作為直升機(jī)機(jī)電系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)著直升機(jī)的特定操縱與驅(qū)動(dòng)任務(wù)。直升機(jī)上很多部件的工作都依賴于它提供的壓力，它擔(dān)負(fù)著直升機(jī)操縱系統(tǒng)、收放系統(tǒng)、機(jī)輪剎車(chē)及地面轉(zhuǎn)向駕駛等工作，對(duì)直升機(jī)的安全飛行和著陸等非常重要。因此開(kāi)展直升機(jī)液壓系統(tǒng)的故障診斷和健康評(píng)估技術(shù)研究具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

目前主要的機(jī)載設(shè)備故障診斷和健康評(píng)估方法可以大體分為基于失效物理模型的方法、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的的評(píng)估方法兩種類型?；谑锢砟Ｐ偷姆椒ㄊ褂幂^多的是基于癥狀的方法，包括專家系統(tǒng)方法、模糊推理方法、模式識(shí)別方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[1]。

考慮到液壓系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)較多，直接的檢測(cè)量不能反映諸如磨損等失效量，因此完全建立液壓系統(tǒng)失效模型是比較復(fù)雜的，同時(shí)液壓系統(tǒng)在測(cè)試、使用過(guò)程中可以積累大量反映系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)，這些數(shù)據(jù)為基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的健康監(jiān)測(cè)技術(shù)提供了支持。因此本文采用基于統(tǒng)計(jì)過(guò)程的（Statistical Process Control）SPC狀 態(tài) 監(jiān)測(cè)算法，研究直升機(jī)液壓系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)和健康衰退識(shí)別方法。

1 SPC理論

統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制（SPC）借助數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，科學(xué)地對(duì)隨機(jī)波動(dòng)與異常波動(dòng)進(jìn)行區(qū)別，提早對(duì)設(shè)備的異常變化提出預(yù)警, 從而達(dá)到及時(shí)采取措施消除異常的目的[2]。從性能過(guò)程的角度，也可稱SPC為統(tǒng)計(jì)性能監(jiān)控（Statistical Performance Monitor，SPM），用以及時(shí)發(fā)現(xiàn)過(guò)程故障隱患以避免發(fā)生事故。

統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制的實(shí)施可以分為如下幾個(gè)步驟：

(1)建立過(guò)程模型，選取過(guò)程變量，采集系統(tǒng)健康狀態(tài)下的運(yùn)行數(shù)據(jù)并提取均值、方差等統(tǒng)計(jì)特征；

(2)穩(wěn)定性檢測(cè)，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特征提取，并根據(jù)SPC控制圖對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行檢測(cè)；

(3)故障識(shí)別，根據(jù)異常數(shù)據(jù)識(shí)別系統(tǒng)狀態(tài)并采取必要措施應(yīng)多異常。

2 某型直升機(jī)液壓系統(tǒng)飛參數(shù)據(jù)提取

直升機(jī)的飛參數(shù)據(jù)中包含著系統(tǒng)健康狀態(tài)相關(guān)的信息，系統(tǒng)性能改變時(shí)可以通過(guò)飛參數(shù)據(jù)的變化表現(xiàn)出來(lái)。本文對(duì)多架直升機(jī)主液壓壓力值這一飛參數(shù)據(jù)的進(jìn)行分析，提取出液壓系統(tǒng)的健康特征。考慮到每架次放起落架的時(shí)間較短，并且采樣頻率低，數(shù)據(jù)中包含的頻域信息較少，因此通過(guò)時(shí)域分析提取系統(tǒng)健康特征是較好的方式[3]。

時(shí)域特征也稱為信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征，時(shí)域特征的提取使用的是概率統(tǒng)計(jì)方法；根據(jù)每架次放起落架的時(shí)間內(nèi)的主液壓值的特點(diǎn)，選擇均值、方差、均方根、峰峰值等特征，如圖1所示，若該架次收起落架的過(guò)程中系統(tǒng)飛參信號(hào)中給出了告警信息則在圖中用紅點(diǎn)標(biāo)識(shí)?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著系統(tǒng)健康的衰退，均值與均方根變小，即主液壓壓力值數(shù)值會(huì)有所下降；方差以及峰峰值變大則說(shuō)明每架次中主液壓的波動(dòng)會(huì)變大同時(shí)范圍段也有相應(yīng)增大。

圖1 某架機(jī)主液壓壓力時(shí)域特征

圖1時(shí)域特征中，均值與均方值能夠較好地與系統(tǒng)的告警相匹配，并且兩者之間的數(shù)值較為接近，因此可以直接選擇均值作為一種系統(tǒng)健康特征參數(shù)，而方差、均方根、峰峰值并不能很好地與系統(tǒng)的告警相匹配。接著對(duì)選擇的均值特征時(shí)間序列進(jìn)行自相關(guān)分析，如圖2所示，發(fā)現(xiàn)均值特征參數(shù)是非穩(wěn)定的時(shí)間序列。

圖2 某架機(jī)主液壓壓力均值特征自相關(guān)分析

通過(guò)一階差分方法對(duì)這些均值特征時(shí)間序列進(jìn)一步處理，均值差分結(jié)果及對(duì)應(yīng)的自相關(guān)分析如圖3，圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)處理后的時(shí)間序列變成了平穩(wěn)時(shí)間序列，并且經(jīng)過(guò)差分處理的均值時(shí)間序列能夠較好地同步告警信號(hào)，因此將液壓系統(tǒng)的主液壓壓力均值差分序列數(shù)據(jù)作為該液壓系統(tǒng)健康特征參數(shù)。

圖3 某架機(jī)主液壓壓力時(shí)域健康特征

圖4 某架機(jī)主液壓壓力均值差分特征自相關(guān)分析

3 直升機(jī)液壓系統(tǒng)健康狀態(tài)識(shí)別

■3.1 SPC控制圖

SPC控制圖是實(shí)現(xiàn)質(zhì)量監(jiān)測(cè)主要工具。是把SPC運(yùn)用到具體檢驗(yàn)量并以圖片的形式呈現(xiàn),利用樣本統(tǒng)計(jì)量檢驗(yàn)總體均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ是否發(fā)生顯著變化的過(guò)程[4]。SPC的控制圖分為計(jì)量型和計(jì)數(shù)型控制圖，在兩個(gè)大的類別下又有很多小的分類，選擇合適的控制圖對(duì)統(tǒng)計(jì)量的檢驗(yàn)是非常重要的。

質(zhì)量特性為連續(xù)值時(shí)，正態(tài)分布是最常用的特性分布函數(shù)。若抽樣得到的樣本均值為，n為樣本大小，滿足條件：

則認(rèn)為顯著水平為α?xí)r，總體均值μ未發(fā)生顯著變化，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。其中的上控制限、中心線和下控制限分別為UCL（Upper Control Limit：上控制界限）、CL（Center Line：中心線）、LCL（Low Control Limit：下控制界限）。

SPC控制圖如圖5所示。

圖5 SPC控制圖

在控制圖中，控制界限的確定一般采用3σ準(zhǔn)則，即取。3σ準(zhǔn)則又稱為拉依達(dá)準(zhǔn)則，先假設(shè)一組檢測(cè)數(shù)據(jù)只含有隨機(jī)誤差，計(jì)算該組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，并按一定概率確定一個(gè)區(qū)間，凡超過(guò)這個(gè)區(qū)間的誤差就不屬于隨機(jī)誤差而是粗大誤差。而對(duì)于正態(tài)分布，有

■3.2 直升機(jī)機(jī)載液壓系統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)SPC模型構(gòu)建

利用SPC理論對(duì)提取的健康特征參數(shù)均值差分時(shí)間序列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖6(a)所示。同時(shí)擬合出其對(duì)應(yīng)的概率密度直方圖及估計(jì)所得的概率密度函數(shù)，圖6(b)所示，其中參數(shù)估計(jì)的結(jié)果為，通過(guò)K-S檢驗(yàn)在置信度α=0.01的情況下判定數(shù)據(jù)服從該參數(shù)下的正態(tài)分布，因此選擇上述參數(shù)構(gòu)建該型號(hào)直升機(jī)液壓系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)SPC模型[5]。

圖6 健康特征參數(shù)時(shí)間序列及其直方圖

■3.3 基于上述SPC模型的飛機(jī)健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)

根據(jù)上述構(gòu)建的SPC模型對(duì)飛機(jī)液壓系統(tǒng)的健康特征參數(shù)時(shí)間序列進(jìn)行穩(wěn)定性分析，并根據(jù)所得結(jié)果將系統(tǒng)的衰退過(guò)程劃分為三個(gè)階段，每個(gè)階段同時(shí)也代表著系統(tǒng)的一種健康狀態(tài)，判定規(guī)則如下：

（1）“正常階段”：該階段中系統(tǒng)性能良好。SPC判定這一階段中的數(shù)據(jù)處于穩(wěn)定狀態(tài)并且飛參信號(hào)無(wú)告警。該階段系統(tǒng)的健康狀態(tài)為“正常狀態(tài)”，性能穩(wěn)定并且能夠正常工作；

（2）“衰退階段”：該階段中系統(tǒng)性能發(fā)生了一定程度的退化，但沒(méi)有引發(fā)故障。SPC長(zhǎng)時(shí)間地判定這一階段的數(shù)據(jù)處于非穩(wěn)定狀態(tài)而飛參信號(hào)無(wú)告警或告警極少。該階段系統(tǒng)的健康狀態(tài)為“衰退狀態(tài)”，性能下降但依舊能夠正常工作。

（3）“故障階段”：該階段中系統(tǒng)性能進(jìn)一步退化至引發(fā)故障，飛參信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間的給出告警。該階段系統(tǒng)的健康狀態(tài)為“故障狀態(tài)”，故障出現(xiàn)并且對(duì)系統(tǒng)的工作造成影響。

依據(jù)上述三個(gè)階段的劃分方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)液壓系統(tǒng)的健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠有效識(shí)別其工作狀況，為直升機(jī)的維修保障提供決策支持。

4 結(jié)論

本文通過(guò)分析某型直升機(jī)機(jī)載液壓系統(tǒng)的機(jī)理故障，結(jié)合其故障告警、主液壓壓力等飛參數(shù)據(jù)分析，確定了以其主液壓壓力均值作為該系統(tǒng)的健康狀態(tài)評(píng)估參數(shù)，通過(guò)均值差分的方法重構(gòu)均值序列數(shù)據(jù)，形成主液壓均值差分時(shí)間序列作為直升機(jī)液壓系統(tǒng)的健康特征參數(shù)。然后基于統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制SPC理論對(duì)上述差分序列數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立了直升機(jī)液壓系統(tǒng)健康評(píng)估模型，并在此基礎(chǔ)上給出了該模型的飛機(jī)液壓系統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)方法，可以較好的識(shí)別該型直升機(jī)液壓系統(tǒng)的健康狀態(tài)，對(duì)液壓系統(tǒng)的潛在性能退化有一定的識(shí)別和預(yù)測(cè)能力，具有一定的應(yīng)用前景。