1、书书书测控技术年 第卷 第期装 备 无 损 检 测 与 健 康 监 测 技 术 专 刊(二)收 稿 日 期:基 金 项 目:航 空 科 学 基 金()引 用 格 式:刘 正 圆,李 金 龙,王 湛,等基 于 层 次 分 析 的 电 传 飞 控 系 统 健 康 状 态 评 估测 控 技 术,():,():基于层次分析的电传飞控系统健康状态评估刘 正 圆,李 金 龙,王湛,宋乐,罗 健 晖(中 国 航 空 工 业 集 团 公 司 西 安 飞 行 自 动 控 制 研 究 所,陕 西 西 安)摘 要:针 对 电 传 飞 控 系 统 组 成 复 杂、健 康 状 态 无 法 进 行 准 确 定 量 评 估
2、 的 难 题,采 用 层 次 分 析 方 法,创 新 性地 建 立 了 一 种 针 对 复 杂 系 统 健 康 状 态 定 量 评 估 的 方 法 与 实 践 流 程。首 先 提 出 了 系 统 健 康 状 态 无 量 纲 指标 健 康 指 数 的 定 义,根 据 系 统 内 外 场 使 用 场 景 和 特 点,结 合 用 户 习 惯 定 义 了 系 统 健 康 状 态 的 划 分 等 级,然 后 根 据 组 成 设 备 失 效 特 性,建 立 了 系 统 特 征 参 数 健 康 指 数 定 量 评 估 的 通 用 算 法 库。结 合 系 统 特 点 和,自 上 而 下 地 将 系 统 划 分
3、 为 不 同 层 次,结 合 各 个 层 次 的 评 估 结 果 和 系 统 权 重 分 析,自 下 而 上 地 对整 个 系 统 的 健 康 状 态 进 行 了 精 细 化 定 量 评 估,突 破 了 以 往 依 靠 系 统测 试 结 果 对 系 统 非“”即“”的健 康 状 态 定 性 评 估。通 过 型 号 实 践,验 证 了 该 方 法 的 有 效 性、准 确 性,可 满 足 实 际 工 程 应 用。关 键 词:电 传 飞 控 系 统;层 次 分 析 法;健 康 指 数;状 态 评 估;权 重 分 析中 图 分 类 号:文 献 标 志 码:文 章 编 号:():牞 牞 牞 牞 牗 牞
4、牞 牘牶 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牶 牷 牷 牷 牷 装 备 的 健 康 状 态 是 指 在 规 定 的 条 件 下 和 规 定 的 时间 内,装 备 能 够 保 持 一 定 的 可 靠 性 和 维 修 性 水 平,并 稳定、持 续 完 成 预 定 功 能 的 能 力。装 备 的 健 康 状 态评 估 是 装 备 故 障 预 测 与 健 康 管 理(,)系 统 的 一 项 重 要 功 能,对 装 备 的 健 康 状 态 作 出 正 确 的 评 估不 仅 能 为 装 备的 故 障 预 测 和 维 修 决 策 提 供 依 据,而 且 能 为 装 备 的 精确 化 维 修 提 供 技 术
5、 支 持。早 在世 纪年 代,美 国 就 提 出 了的 概念,并 将 其 应 用 于 联 合 攻 击 战 斗 机(,)解 决 方 案 中。在 采 用等 技 术 之 后,保 障 设 备 减 少 了,维 护 人 员 减 少 了,架次 生 成 率 提 高 了。美 国 海 军 在 其 舰 船 维 修过 程 中 开 发 了 综 合 状 态 评 估 系 统,该 系 统 能 够 监 测 舰船 机 械 数 据 的 变 化 趋 势,能 对 舰 船 及 其 设 备 进 行 状 态评 估,给 出 各 设 备 所 处 的 状 态,并 给 出 了 具 体 的 维 修 建议。美 国 空 军 通 过 使 用 健 康 监 测
6、 系 统,对 某 型 导 弹在 使 用 过 程 中 的 数 据 进 行 了 检 测 和 记 录,并 进 行 了 远程 综 合 分 析 和 健 康 状 态 评 估,根 据 长 期 评 估 结 果 辅 助进 行 视 情 维 修 决 策,从 而 降 低 了 装 备 使 用 中 的 维 护 经济 成 本。等通 过 建 立 贝 叶 斯 网 络 拓 扑结 构 模 型,根 据 节 点 输 入 信 息 进 行 了 推 理 分 析,并 利 用仿 真 结 果 数 据 进 行 了 产 品 健 康 状 态 评 估。等通 过 引 入 状 态 空 间 模 型 建 立 产 品 的 退 化 失 效 模型,结 合 条 件 概
7、率 分 布 模 型 建 立 了 不 同 故 障 模 式 下 的在 线 监 测 和 状 态 评 估 模 型,也 有 学 者 通 过 结 合 高 斯 混合 模 型、神 经 网 络 等 基 于 数 据 驱 动 的 方 法,在 不 需 要 完备 的 系 统 知 识 和 准 确 数 学 物 理 模 型 的 情 况 下,实 现 了设 备 健 康 状 态 评 估。在 国 内,也 一 直 开 展 装 备 健 康 状 态 的 研 究。陈 加 伟建 立 了 基 于 时 序 分 析 的 系 统 健 康 状 态 评 估模 型,基 于 模 糊 矩 阵 细 化 指 标 影 响 权 重,集 合 遗 传 算 法进 行 了 一
8、 致 性 优 化,实 现 了 较 为 精 准 的 系 统 运 行 状 态评 估。杜 恩 祥 等从 装 备 的(,故 障 模 式 影 响 与 危 害 性分 析)结 果 中 提 取 影 响 健 康 状 况 的 因 素,采 用 将 模 糊综 合 和 灰 色 关 联 分 析 相 结 合 的 方 法,进 行 定 量 分 析 和评 估,得 出 装 备 在 处 于 测 试 参 数 异 常 下 的 健 康 状 态 等级。马 海 英 等采 用 劣 化 度 的 装 备 模 糊 综 合 评 估 模型 对 系 统 的 健 康 装 备 进 行 了 评 估,可 反 映 装 备 的 健 康状 态。目 前 对 较 为 简 单
9、 的 部 件 或 者 子 系 统 的 健 康 评 估研 究 较 多,对 于 类 似 于 飞 机 电 传 飞 控 系 统 这 种 组 成 及交 联 关 系 错 综 交 织 的 系 统,由 于 系 统 的 功 能 高 度 完 善、系 统 各 部 分 彼 此 互 相 影 响,系 统 的 故 障 模 式 和 失 效 机理 复 杂,难 以 建 立 精 确 的 模 型 进 行 全 系 统 的 健 康 状 态评 估,从 应 用 范 围 上,面 向 实 际 型 号 应 用 的 整 系 统 级 的健 康 状 态 评 估 方 法 和 流 程 研 究 较 少。飞 机 的 电 传 飞 控 系 统 是 影 响 飞 机
10、飞 行 安 全 的 关 键系 统 之 一,该 系 统 的 健 康 状 态 综 合 诊 断 与 评 估 技 术 一直 是 航 空 工 程 师 关 注 与 研 究 的 热 点。目 前,电 传飞 控 系 统 健 康 状 态 诊 断 在 工 程 实 践 中 主 要 依 靠 系 统 机内 自 检 测(,)完 成,面 临 的 主 要 问 题 包括 测 试 结 果 非“”(不 通 过)即“”(通 过),测 试 信 息仅 记 录 故 障 数 据、无 法 获 取 系 统 健 康 状 态 全 貌,测 试 结果 无 状 态 维 修 决 策 支 持 信 息 等,从 而 造 成 故 障 诊 断 与维 修 修 复 时 间
11、 长、备 件 及 计 划 维 修 次 数 多,装 备 保 障 人员 及 费 用 不 断 增 加。随 着 电 传 飞 控 系 统 的 功 能 日 趋 复杂,仅 依 靠 系 统故 障 信 息 的 事 后 诊 断 方 法,越 来 越不 能 满 足 系 统 全 寿 命 周 期 的 使 用 与 维 护 需 求,需 要对 系 统 的 健 康 装 备 进 行 更 为 精 细 化(而 非 简 单 的 非“”即“”)的 评 估,用 于 实 现 基 于 状 态 的 维 修。研 究 思 路电 传 飞 控 系 统 是 复 杂 的 机电液 混 合 的 多 余 度系 统,具 有 设 备 组 成 众 多、多 余 度 耦 合
12、、功 能 设 计 冗 余等 特 点,典 型 的 系 统 组 成 如 图所 示。图电 传 飞 控 系 统 组 成 示 意基 于 层 次 分 析 的 电 传 飞 控 系 统 健 康 状 态 评 估 电 传 飞 控 系 统 接 收 飞 行 员 或 自 动 飞 行 控 制 分 系 统的 指 令,通 过 对 升 降 舵、副 翼、方 向 舵 等 操 纵 面 的 控 制,实 现 对 飞 机 的 操 纵 和 稳 定 控 制 等,具 有 三 轴 全 权 限 控制 增 稳、三 轴 人 工 配 平、俯 仰 自 动 配 平、空 中 减 速 与 地面 破 升增 阻、副 翼 辅 助 增 升 控 制、边 界 保 护 与 限
13、 制、系统 告 警 等 功 能。本 文 提 出 了 一 种 针 对 复 杂 电 传 飞 控 系 统 健 康 状 态评 估 的 方 法 与 实 践 流 程。首 先 提 出 了 系 统 健 康 状 态 无量 纲 指 标 健 康 指 数 的 定 义 及 系 统 健 康 状 态 的 划 分,建立 了 系 统 健 康 状 态 的 定 量 指 标 评 估 算 法,然 后 根 据 系统 组 成 特 点 和(,失 效 模 式 与 影 响 分 析),自 上 而 下 地 将 系 统 划 分 为主 飞 控 计 算 机 子 系 统、纵 向 伺 服 控 制 子 系 统、横 向 伺 服控 制 子 系 统、航 向 伺 服
14、控 制 子 系 统 和 传 感 器 子 系 统 等个 子 系 统,采 用 层 次 分 析 法,对 各 个 子 系 统 的 健 康 状态 进 行 评 估,最 后,结 合 各 个 子 系 统 的 评 估 结 果 和 子 系统 权 重 分 析,自 下 而 上 地 对 整 个 电 传 飞 控 系 统 的 健 康状 态 进 行 了 定 量 评 估。电 传 飞 控 系 统 健 康 状 态 划 分 及 评 估方 法 健 康 状 态 定 义 及 划 分电 传 飞 控 系 统 的 组 成 设 备 众 多,交 联 复 杂,很 难 采用 简 单 的 定 量 或 定 性 分 析 方 法 进 行 准 确 的 健 康 状
15、 态 评估。层 次 分 析 法 是 一 种 定 性 分 析 和 定 量 分 析 相 结 合 的评 估 方 法,将 复 杂 系 统 定 义 为 一 个 具 有 递 进 层 次 关 系的 有 序 结 构,在 同 一 次 层 次 中 通 过 设 置 不 同 指 标 的 初始 权 重,减 少 了 一 定 的 主 观 因 素,使 评 估 结 果 更 加 客 观和 科 学。所 以,将 层 次 分 析 法 引 入 电 传 飞 控 系 统 的 健康 状 态 评 估 中 非 常 适 合。首 先 提 出 系 统 健 康 度 和 健 康 指 数 的 概 念。电 传 飞控 系 统 及 相 关 设 备 在 使 用 过
16、程 中,随 着 使 用 时 间 增 加,受 到 系 统 组 成 设 备 自 身 因 素 和 外 部 地 理、环 境 等 因 素的 影 响,系 统 的 健 康 状 态 会 变 得 越 来 越 恶 化,系 统 的 健康 状 态 是 时 间 的 函 数,可 表 示 为(),可 将 其 看 成 是组 成 系 统 的 所 有 状 态 参 数 共 同 组 成 的 集 合。系 统 在 平时 正 常 使 用 过 程 中,往 往 处 于 在 一 定 程 度 上 偏 离 最 理想 状 态,但 尚 未 超 过 某 个 最 差 期 望 状 态 的 中 间 状 态。相 应 地,系 统 的 故 障 和 失 效 状 态 可 看 成 是 系 统 的 状 态特 征 参 数 偏 离 了 最 差 期 望 状 态。根 据 可 靠 性 理 论,用系 统 健 康 度()来 表 示 系 统 的 状 态 参 数 接 近 最 理 想状 态 的 程 度,其 定 义 范 围 为,。当 健 康 度 为“”时,表 明 系 统 处 于 最 理 想 状 态;当 健 康 度 为“”时,表明 系 统 处 于 故 障 或 失 效 状 态。考 虑 到 用