謝文俊，齊 蓉，肖 蕾

1.西北工業(yè)大學 自動化學院，西安 710072

2.空軍工程大學 工程學院，西安 710038

3.西安衛(wèi)星測控中心，西安 710043

作動系統(tǒng)健康狀況對飛行安全影響的評估方法

謝文俊1，2，齊 蓉1，肖 蕾3

1.西北工業(yè)大學 自動化學院，西安 710072

2.空軍工程大學 工程學院，西安 710038

3.西安衛(wèi)星測控中心，西安 710043

1 引言

作戰(zhàn)飛機的飛行安全性與飛行控制系統(tǒng)的可靠性密切相關。雖然飛行控制系統(tǒng)采用多余度設計技術，但往往是對控制系統(tǒng)的回路和控制計算機采用余度備份，而飛控系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)核心部件之一——機電作動系統(tǒng)，由于空間位置少、供電難和超重等原因，余度設置通常比較少，機電作動系統(tǒng)的故障往往給戰(zhàn)機帶來的是難以克服的“硬傷”，關系到飛行安全的飛行控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)的一次故障可能會導致災難性的后果。因此，必須對飛控系統(tǒng)實施有效的健康狀態(tài)進行量化評估[1-4]。

機電作動系統(tǒng)的健康狀態(tài)是一個變化過程，它的運行狀態(tài)可以分為四種情況：即正常狀態(tài)、隱性異常狀態(tài)、預防維修狀態(tài)和失效狀態(tài)。本文基于概率理論和極值理論對機電作動系統(tǒng)的健康狀況進行評估，在此基礎上通過對機電作動系統(tǒng)進行故障模式及影響分析，找出系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)，對其故障模式及分布規(guī)律進行仿真，綜合研究機電作動系統(tǒng)故障對飛行安全的影響。

2 飛控系統(tǒng)飛行安全評估方法

飛行安全評估可以支持航空器壽命周期中各個階段的安全管理。在航空器設計和研制階段，可以評定系統(tǒng)的安全性是否符合有關標準和規(guī)定；在航空器使用階段，可以考核既定的危險事件是否已經(jīng)消除或控制在規(guī)定的可接受水平范圍內(nèi)；還可應用于評估新技術的使用對飛行安全的影響。

飛行安全的定量評估判據(jù)可以采用概率判據(jù)[5-6]，概率評估判據(jù)可認為是對飛行風險提出的判斷準則，根據(jù)風險的定義，可以采用等級標準、概率以及概率與經(jīng)濟損失三種方式，對風險進行判定。在此基礎上，提出預防措施，有針對性地改進航空器設計，以防止同類事故的再次發(fā)生。

本文針對“機電作動系統(tǒng)-飛行控制系統(tǒng)”的故障模式，提出如圖1所示的飛行安全評估方法。

圖1 機電作動系統(tǒng)故障對飛行安全影響的評估方法

具體的實施步驟如下：

步驟1對機電作動系統(tǒng)進行故障模式及影響分析（Failure Mode and Effect Analysis，F(xiàn)MEA），找到系統(tǒng)中對飛行安全影響最大的薄弱環(huán)節(jié)。并對關鍵元件的故障模式和故障分布概率函數(shù)進行分析。

步驟2應用Monte-Carlo法進行故障隨機性仿真，作為系統(tǒng)的不利因素輸入，對飛行器運動進行仿真，得到?jīng)Q定性參數(shù)（迎角、過載等參數(shù)）的極值樣本。

文獻[3]建立了另外一個分析旋轉(zhuǎn)物體動力學的方法，其思路是：(1)把旋轉(zhuǎn)體的位移分為兩部分，一部分是剛體運動(包括繞軸線的旋轉(zhuǎn))所引起的位移，另一部分是彈性變形所引起的位移；(2)彈性變形所引起的位移用物體不旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的振動模態(tài)進行疊加，而這些模態(tài)通過三維有限元分析得到。文獻[3]在文獻[4]中應用這個方法分析了旋轉(zhuǎn)車輪與柔性軌道結(jié)構(gòu)的非赫茲非穩(wěn)態(tài)接觸問題，在文獻[5]中用來分析軌道曲線嘯叫。文獻[3]的方法需要用到三維有限元分析，尤其是不方便處理輪軌力沿車輪滾動圓的高速移動。

步驟3應用極值理論進行機電作動系統(tǒng)故障后駕駛員排除風險的概率定量評估。

步驟4求得機電作動系統(tǒng)的故障概率。

步驟5應用極值理論計算飛行安全概率。

缺乏文化背景知識是學生對英語思維方式感到陌生而無法正確組織學習過的語言知識的重要原因?！霸诳缥幕浑H中，第二語言學習者會發(fā)現(xiàn)，他們不僅外語交際能力受到了巨大的挑戰(zhàn)，他們母語文化的交際規(guī)則和思維方式也常常行不通。他們的價值觀念也常常受到誤解或責難?！盵2]英語學習者在交際中出現(xiàn)語法錯誤往往容易被諒解，但語用錯誤則可能被視為不禮貌不友好。對英語學習者而言，除了糾正語法錯誤，也要懂得用語得體，避免語用錯誤。無論是出于培養(yǎng)學生英語能力的考慮，還是出于提高學生綜合素質(zhì)的考慮，在英語教學中進行文化導入都是必要的。

3 飛行控制系統(tǒng)故障模型

若超出這個范圍，則操縱面的輸出值不再變化，因此有：

式中，x(t)∈Rn為狀態(tài)向量；u(t)∈Rp為控制向量；y(t)∈Rm為觀測向量（或傳感器的輸出向量）；A∈Rn×n，B∈Rn×p，C∈Rm×n為相應維數(shù)的常數(shù)矩陣。

控制系統(tǒng)的故障一般反映在傳感器故障、執(zhí)行器故障、系統(tǒng)狀態(tài)故障等幾個方面[7-8]。機電作動系統(tǒng)故障屬于執(zhí)行器故障。為了便于研究，假設系統(tǒng)的傳感器不發(fā)生故障，只有執(zhí)行器發(fā)生故障，并考慮建模誤差，用擾動表示，則故障系統(tǒng)模型可以用以下一般形式描述為：

寶寶說：“爸爸媽媽，請你們在幫我挑選東西前，好好查一查有關的安全標準，避免買來有安全隱患的物品，減少對我的傷害?！?/p>

定義1.3[14] 偽BCI-代數(shù)X的一個濾子F叫做X的一個反群濾子，如果(GF) (x → 1) → 1 ∈ F 或(x1)1 ∈ F ? x ∈ F.

在飛行控制系統(tǒng)中，機電作動系統(tǒng)的主要功能是驅(qū)動舵面的偏轉(zhuǎn)，因此廣義上的機電作動系統(tǒng)，除了驅(qū)動電機、控制電路和機械傳動裝置，可以引申到舵面。

飛機機電作動系統(tǒng)的故障行為，會使控制系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變化，從而影響系統(tǒng)的性能，通常情況下，飛機作動系統(tǒng)的故障主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

（1）由于機械傳動裝置的故障，造成操縱面的卡死，此時的故障模型為：

過去的半個多世紀，在‘創(chuàng)新’的名義下，小學數(shù)學標準被當作一項產(chǎn)品設計，任意改動，修飾.如今的小學數(shù)學充斥著不當?shù)膬?nèi)容和方法，甚至許多錯誤；瘡痍處處，面目全非.這是美加數(shù)學衰敗的首要原因.自從小學引進了發(fā)現(xiàn)式數(shù)學，不但小學數(shù)學一落千丈，中學乃至大學的數(shù)學以及科學也受到影響.由于國民數(shù)學和科學基礎太差，美國有很多工作崗位找不到合適的員工.更有人指出，美國前些年的房貸危機是由于上至總統(tǒng)，下至普通民眾數(shù)學能力的極大欠缺所造成的，不無道理.

令uiout為第i個操縱面的實際輸出，uiin為第i個操縱面正常時的輸出。第i個操縱面卡死的故障模式可描述為：

式中，ai為常數(shù)，i=1，2，…，p。

式中，E∈Rn×l為擾動的分配矩陣；d∈Rl為擾動向量。

在以上研究基礎上，基于極值理論計算機電作動系統(tǒng)故障條件概率的基本步驟如下：

在實際控制系統(tǒng)中，操縱面的輸出有一個限制范圍，即

飛行控制系統(tǒng)主要由感知對象狀態(tài)的傳感器、實施數(shù)據(jù)處理和執(zhí)行控制功能的計算機以及操縱舵面運動的伺服作動系統(tǒng)等分系統(tǒng)組成，所以飛行控制系統(tǒng)是包含有幾十個部件的復雜系統(tǒng)。依據(jù)飛行控制系統(tǒng)的基本組成，經(jīng)常把系統(tǒng)的故障類型分為傳感器故障、飛行控制計算機故障、伺服作動系統(tǒng)故障以及控顯裝置故障等幾部分。通常情況下，飛行控制系統(tǒng)可以用下面的狀態(tài)空間模型描述：

從而看出2010年到2012年CPA的人數(shù)逐年遞減，這是由于行業(yè)不景氣導致的，在2013年合并后CPA的人數(shù)在不斷增加。CPA作為會計師事務所的關鍵人才，其數(shù)量愈多就表明審計的專業(yè)性有了更好的保證，專業(yè)性提高有助于提高審計質(zhì)量。在合并之后業(yè)務收入有了明顯的提高，因為審計質(zhì)量的提高使事務所的聲譽提升，才有更多的客戶，審計質(zhì)量的提升使審計工作也獲得更多的報酬，因此業(yè)務收入的提高也就體現(xiàn)了審計質(zhì)量的提高。A合并后的綜合排名一躍而上，說明了合并對審計質(zhì)量的提高有積極影響，但2014年雖相比合并前的排名占有優(yōu)勢，但排名較2013年下降，這也就表明合并后審計質(zhì)量的提升并不明顯。

果園生草是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)一致公認、必不可少的科學作務方法。但相當一部分地區(qū)沒有發(fā)揮果園生草的積極作用，反而使其變?yōu)椴莺Γ蔀榕c果樹爭肥爭水、誘發(fā)病蟲的一大因素。在長江流域如四川、安徽、浙江、江西等地區(qū)，因生草誘發(fā)的黑斑病、炭疽病、褐斑病嚴重發(fā)生，對獼猴桃樹體健康和商品產(chǎn)量帶來直接沖擊，要引起高度重視。北方獼猴桃產(chǎn)區(qū)依然沿用果園清耕、寸草不生的傳統(tǒng)作務法，對土壤改良和果品品質(zhì)也有直接不良影響，這種南北極端化的果園生草管理，要盡快改進。只有科學生草，計劃生草，才能化害為利，發(fā)揮效能。南方控草、北方促草要成為今后獼猴桃園科學作務的基本方針。

如果滿足：

此情況表示操縱面停留在輸出的最大（或者最?。顟B(tài)，就是所謂的作動器開路失效。

（2）由于驅(qū)動電機的故障，造成驅(qū)動功率有所下降，此時的故障模型為：

令uiout為第i個操縱面的實際輸出，uiin為第i個操縱面正常時的輸出。第i個操縱面卡死的故障模式可描述為：

式中，αi為常數(shù)，αi∈[0，1]，i=1，2，…，p。

第i個操縱面松浮的故障模式為：

另外，與故障模式（2）相類似的一種故障模式為：

（4）操縱面損傷的故障模型：第i個操縱面損傷的故障模式可描述為式（9）。

式中，βi為損傷比例系數(shù)，i=1，2，…，p，且βi∈[0，1]。當βi=0時，相當于第i個操縱面在uiin(t)處卡死的故障；當βi=1時，即第i個操縱面處于正常情況。

上述機電作動系統(tǒng)的四種（包含操縱面損傷故障）故障行為，將影響系統(tǒng)的動態(tài)性能，所以，對于飛行控制系統(tǒng)，作動器故障的一般故障模式表示為：

式中，G∈Rn×q為作動器的故障分配矩陣；fa(t)∈Rq為作動器故障的函數(shù)。對于上述四種作動器故障，fa(t)將以不同的函數(shù)形式給出。

4 機電作動系統(tǒng)故障概率量化

農(nóng)業(yè)是我國社會經(jīng)濟發(fā)展的基礎，可以有效促進人們的生活水平和社會經(jīng)濟的發(fā)展，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的快速普及，互聯(lián)網(wǎng)在很多方面都已經(jīng)得到了廣泛的應用，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展需要抓住互聯(lián)網(wǎng)這一契機，通過“互聯(lián)網(wǎng)+”實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)資源的整合，促進農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，本文就“互聯(lián)網(wǎng)+”時代下推動農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展進行了簡要的分析探討，希望通過本文能夠給相關工作者帶來幫助。

對故障特征的提取，實際是對各特征量異常信息的提取。如圖2所示，該特征值在正常工作的情況下，其觀測值應該位于之間，并且其可能出現(xiàn)的最大值和最小值分別為的特征值取值分別記為“超出正常工作范圍上限”和“超出正常工作范圍下限”。

根據(jù)現(xiàn)地背景中裸露石塊光譜反射曲線，采用計算機全光譜配色，配制出高仿真巖石涂料。用于仿石制作時表面噴涂。模擬周圍背景裸露山石的光學特征。制作過程中添加微膠囊相變材料和無機泡沫吸波材料，最終制作出的仿石器材如圖11所示。

特征量異常信息與故障發(fā)生概率之間存在著一定的關系，為了便于計算和分析，常采用線性映射方法，設特征量Si采樣值為Ui，特征量Si所對應的故障發(fā)生的概率為，如果特征量Si的采樣值為Ui超出正常工作范圍上限，并且滿足

4.2 故障發(fā)生概率標準化處理

其中，f(·)和g(·)分別表示對第i個部件的當前故障發(fā)生概率及未來故障發(fā)生趨勢的計算函數(shù)，可采用最值法等方法；hi表示對第i個部件未來故障發(fā)生趨勢的重要程度權(quán)重。

※ 3個月以下的寶寶用退熱藥一定要咨詢醫(yī)生。阿司匹林、安乃近、尼美舒利副作用大，不是兒科使用的退熱藥。

對于部件故障發(fā)生概率Pi的分布問題，可以根據(jù)實驗或經(jīng)驗方法獲得。在實際應用的過程中，由于故障特征預測單元輸出的是預測狀態(tài)的時間序列信息，因此，可通過上節(jié)變換成Pi的采樣序列，記為Pi(k)，k=1，2，…，n，n表示采樣序列的長度。

4.3 基于極值理論條件概率計算

通過對故障發(fā)生概率進行區(qū)間分離，即可完成對系統(tǒng)健康狀態(tài)的量化分級。假設定義多個健康等級，則可以通過定義每一個故障的發(fā)生頻率、風險概率的上限和下限來定義健康性指標。

4.1 故障發(fā)生概率提取

將機電作動系統(tǒng)的健康等級規(guī)定為五級：一級健康水平為事故出現(xiàn)概率小于或等于10-9；二級健康水平為故障出現(xiàn)概率大于10-9但小于或等于10-7；三級健康水平為故障出現(xiàn)概率大于10-7但小于或等于10-5；四級健康水平為故障出現(xiàn)概率大于10-5但小于或等于10-3；五級健康水平為故障出現(xiàn)概率大于10-3。該五級健康等級中的故障發(fā)生頻率、故障概率與機電作動系統(tǒng)的健康狀態(tài)之間的關系如圖3所示。

圖3 機電作動系統(tǒng)健康狀態(tài)量化等級及其與運行狀態(tài)的對應關系

[2]I should bite my tongue off. （Goossens 1990：333）

步驟1確定樣本容量n，獲得樣本的觀察值Pi(1)，Pi(2)，…，Pi(n)，分別表示第i個部件的故障發(fā)生概率的時間序列，序號i依次為1，2，…，k，表示第i個部件。

（3）由于機械傳動裝置的故障，造成操縱面松浮的故障，所謂的松浮是一種特殊的故障類型，表示操縱面不受控制，只是隨著飛機飛行呈漂浮狀態(tài)。此時的故障模型為：

步驟4將累積概率pi=i/n+1，i=1，2，…，n作為極值分布模型公式中分布函數(shù)G(x)對應的概率值，記z(i)=pi。

步驟6對所求出的模型作擬合優(yōu)度檢驗，分析其擬和程度的優(yōu)劣。

步驟7若通過擬合優(yōu)度檢驗，則根據(jù)所求出的極值分布模型求解故障發(fā)生的概率P。

根據(jù)上述步驟可以得到Pi處于某一區(qū)間的概率P。P的含義表示為：發(fā)生某一等級故障的概率，如果概率越大，表示發(fā)生該等級的可能性越大，反之越小。

5 仿真實例

本章綜合應用上述研究成果，計算由于機電作動系統(tǒng)故障引起的飛行安全綜合概率。

假設飛行中副翼驅(qū)動舵機發(fā)生故障，飛行員在轉(zhuǎn)彎時滾轉(zhuǎn)動作過程中驅(qū)動舵機燒壞卡死，引起舵面卡于某一位置，造成了飛機的持續(xù)滾轉(zhuǎn)。飛行員可以通過平尾的差動偏轉(zhuǎn)來消除，但存在一定的滯后時間和隨機概率。

瞬間卡死后假設機電作動系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，其指示值是一個隨機數(shù)，隨機地分布在特定的限制范圍內(nèi)。一般情況下隨機數(shù)的分布規(guī)律為均勻分布，其數(shù)學表達式為：

式中，xi為傳感器的指示值，在(xmin,xmax)范圍內(nèi)；Rand(0,1)為(0，1)均勻分布隨機數(shù)。

側(cè)院十分狹窄，為一下沉式臺地空間，因此以鋪裝為主，緊靠建筑一側(cè)布置低矮花灌木，靠圍墻一側(cè)則貼墻種植竹叢，同時地形設計由建筑墻向側(cè)庭中央傾斜，避免建筑墻基積水.這樣側(cè)院既可作為通道，也可作為休息場所觀賞景物，實現(xiàn)了側(cè)院的物盡其用.

機電作動系統(tǒng)故障的概率密度經(jīng)Monte-Carlo得到的故障樣本如圖4所示。

圖4 故障樣本直方圖

建立人-機閉環(huán)的SIMULINK仿真模型，進行仿真后得到?jīng)Q定性參數(shù)為滾轉(zhuǎn)角速度ωx，采用Monte Carlo法對人-機閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)特性進行仿真，得到ωx的50個樣本極值。

將滾轉(zhuǎn)角速度的極限值設定為ωxmax=90°/s，采用基于極值分布的最小二乘法估計分布參數(shù)，以累積概率的負雙對數(shù)函數(shù)為橫坐標，ωx的樣本極值為縱坐標，得到樣本極值分布如圖5所示。其中，“+”表示橫向通道滾轉(zhuǎn)角速度傳感器故障后的樣本極值。

地熱能大多埋藏到地下2000~5000 m，地熱開發(fā)往往在比石油和天然氣開發(fā)更加復雜的地質(zhì)環(huán)境中進行，要面對惡劣的高溫高壓條件，所以對科學技術提出了很高的要求。在地熱開發(fā)過程中，鉆探工程費用可能占整個項目投資的一半以上，因此提升地熱鉆井效率尤為重要。

將滾轉(zhuǎn)角速度的最大可能值設定為Max=90°/s，基于極值理論計算得到故障后駕駛員排除風險的概率為Q2= 0.035，樣本極值分布如圖6所示。

圖5 樣本極值分布圖

圖6 樣本極值分布圖

根據(jù)上述方法計算得到機電作動系統(tǒng)出現(xiàn)該故障的概率為6×10-3個/h，則該飛機1個飛行小時內(nèi)的綜合風險概率為2.1×10-4個/h。若以10-6個/h為該飛機的最低適航標準，則該飛機的機電作動系統(tǒng)發(fā)生該故障的最大概率不得超過2.85×10-5個/h。

6 結(jié)束語

本文研究了機電作動系統(tǒng)的健康狀況對飛行安全的影響。在已知機電作動系統(tǒng)故障概率分布的前提下，綜合機電作動系統(tǒng)故障模式及飛控系統(tǒng)故障模型，對飛行安全作出了合理的評估，并可利用該結(jié)論進行安全監(jiān)控。

[1]孫瑞山，劉漢輝，張秀山，等.航空公司安全評估系統(tǒng)[J].中國民航學院學報，1999，17（3）：45-48.

[2]劉金慰，姜斌.飛行控制系統(tǒng)健康監(jiān)控技術研究與系統(tǒng)開發(fā)[J].科技通報，2011，27（5）：32-37.

[3]王華偉，左洪福.航空公司安全評估研究[J].系統(tǒng)工程，2006，24（2）：90-95.

[4]孫瑞山，劉漢輝.航空公司安全評估理論與實踐[J].中國安全科學學報，1999，9（3）：18-23.

[5]沙卡奇 P B.飛行安全教程[M].北京：空軍飛行事故和實效分析中心，1998.

[6]Guidelines and methods for conducting the safety assessment process on civil airborne systems and equipment：US，SAE，ARP 4761[P].1996.

[7]聞新，張洪鈉，周露，等.控制系統(tǒng)的故障診斷和容錯控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998.

[8]姜斌，冒澤慧，楊浩.控制系統(tǒng)的故障診斷與故障調(diào)節(jié)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

XIE Wenjun1，2,QI Rong1,XIAO Lei3

1.School of Automation,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China
2.College of Air Force Engineering,Air Force Engineering University,Xi’an 710038,China
3.Xi’an Satellite Control Center,Xi’an 710043,China

Electro-mechanical actuation system failure often leads to disastrous consequences.Using a top-down design idea, this paper proposes electro-mechanical actuation system analysis approach of the impact on flight safety.Τhis paper combines electro-mechanical actuation system failure mode and the flight control system failure model together.It obtains failure modes and effects analysis of electro-mechanical actuation system.It uses the Monte-Carlo method to obtain the electromechanical actuation system failure probability.Application of extreme value theory is used to calculate the flight safety probability.Simulation experiments demonstrate that this method can be used as the basis for security monitoring.

electro-mechanical actuation system;failure probability;Monte-Carlo

機電作動系統(tǒng)的故障往往導致災難性的后果。采用自上而下的設計思路，建立了機電作動系統(tǒng)對飛行安全影響的分析方法。綜合機電作動系統(tǒng)故障模式及飛控系統(tǒng)故障模型，對機電作動系統(tǒng)進行故障模式及影響分析，用Monte-Carlo法對故障進行隨機性仿真，求得機電作動系統(tǒng)的故障概率，應用極值理論計算飛行安全概率。仿真實驗說明：該方法可以用做進行安全監(jiān)控的依據(jù)。

機電作動系統(tǒng)；故障概率；Monte-Carlo

A

U2

10.3778/j.issn.1002-8331.1111-0332

XIE Wenjun,QI Rong,XIAO Lei.Assessment methods of electromechanical actuation systems health situation impact on flight safety.Computer Engineering and Applications,2013,49（15）：242-245.

航空科學基金(No.20080896009)。

謝文?。?974—），男，副教授，主要研究領域為自動控制，故障診斷；齊蓉（1962—），女，博士，教授；肖蕾（1974—），女，博士，高級工程師。E-mail：sirxwj@163.com

2011-11-18

2012-02-21

1002-8331（2013）15-0242-04

CNKI出版日期：2012-05-09 http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.ΤP.20120509.0845.001.html