賈盼盼，劉　冬，王振華

（中航工業(yè)航空動(dòng)力控制系統(tǒng)研究所，江蘇無錫214063）

伺服回路故障檢測(cè)方法研究

賈盼盼，劉冬，王振華

（中航工業(yè)航空動(dòng)力控制系統(tǒng)研究所，江蘇無錫214063）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)伺服回路復(fù)雜，其工作可靠性和故障容錯(cuò)性對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)安全至關(guān)重要，因此研究伺服回路的故障檢測(cè)技術(shù)十分必要。提出1種基于模型監(jiān)控的快速伺服回路故障檢測(cè)方法，根據(jù)伺服回路物理機(jī)構(gòu)從電氣到機(jī)械進(jìn)行故障的逐級(jí)檢測(cè)，通過比較器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)回路故障的快速判斷。與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明：該方法能夠準(zhǔn)確檢測(cè)系統(tǒng)故障，并且縮短了系統(tǒng)判故時(shí)間，簡(jiǎn)化了伺服機(jī)構(gòu)建模和軟件代碼實(shí)現(xiàn)。為數(shù)控系統(tǒng)快速檢測(cè)故障提供了高效的技術(shù)手段，具有一定的通用性。

伺服回路；故障檢測(cè)；模型監(jiān)控；數(shù)控系統(tǒng)；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

0　引言

故障檢測(cè)與診斷技術(shù)是指對(duì)系統(tǒng)異常狀態(tài)的預(yù)測(cè)、檢測(cè)、原因的識(shí)別的各種技術(shù)的總稱，是1項(xiàng)建立在機(jī)械工程、測(cè)試技術(shù)、信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、人工智能等眾多理論基礎(chǔ)上的新興綜合性科學(xué)技術(shù)［1-3］。國(guó)內(nèi)外對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷和傳感器解析余度技術(shù)已進(jìn)行了大量研究［4-7］，但對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)至關(guān)重要的伺服回路的故障診斷研究報(bào)道很少。蔣平國(guó)等研究了航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)回路故障診斷和容錯(cuò)控制方法［8-9］，對(duì)今后的執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障檢測(cè)方法具有指導(dǎo)意義，但是其故障檢測(cè)的時(shí)間并沒有大幅減少。

相比于采用位置給定值與反饋值進(jìn)行故障判斷的傳統(tǒng)工程方法，本文提出1種基于模型監(jiān)控的快速伺服回路故障檢測(cè)方法，根據(jù)伺服回路物理機(jī)構(gòu)從電氣到機(jī)械進(jìn)行故障的逐級(jí)檢測(cè)，通過比較器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)回路故障的快速判斷。該故障檢測(cè)的方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性、可靠性、可檢測(cè)性有重要意義，可降低維護(hù)檢測(cè)的時(shí)間，提升檢測(cè)的效率。

1　模型監(jiān)控的故障檢測(cè)方法

1.1伺服回路模型的提取

傳統(tǒng)的伺服回路建模方法需要對(duì)伺服機(jī)構(gòu)內(nèi)各環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和參數(shù)辨識(shí)（如圖1所示），結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)形成綜合的伺服回路模型［5］，受限于工程應(yīng)用中各參數(shù)的獲取，其建模準(zhǔn)確性受限于伺服機(jī)構(gòu)加工等因素。本文的伺服回路數(shù)學(xué)模型是根據(jù)真實(shí)物理數(shù)據(jù)擬合出的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合伺服回路特性辨識(shí)的方法建立的數(shù)學(xué)模型，綜合得出的符合真實(shí)需求的數(shù)學(xué)模型［10-15］（如圖2所示）。這種數(shù)據(jù)辨識(shí)和伺服回路特性辨識(shí)相結(jié)合的方法在工程應(yīng)用上接近真實(shí)系統(tǒng)，又可以避免各零件加工制造引起的誤差，完全滿足工程應(yīng)用需求。

圖1　傳統(tǒng)的伺服回路模型

圖2　符合真實(shí)需求的綜合伺服回路模型

1.2故障檢測(cè)方法

傳統(tǒng)的工程應(yīng)用故障檢測(cè)方法直接使用伺服位置給定與反饋?zhàn)鳛榕泄蕯?shù)據(jù)源進(jìn)行伺服回路故障檢測(cè)，其基本原理如圖3所示。該方法的判故原理簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)，但在動(dòng)態(tài)控制過程中伺服給定與反饋偏離，為防止誤報(bào)故障情況，需延長(zhǎng)故障檢測(cè)判故時(shí)間，放大判故閾值，從而影響故障檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

圖3　主燃油回路判故原理

本文采用基于執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型的伺服回路故障檢測(cè)方法，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制回路故障檢測(cè)原理如圖4所示。利用伺服回路模型的預(yù)估反饋值與真實(shí)反饋值作為判故數(shù)據(jù)源進(jìn)行回路故障檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制過程中執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型的位置計(jì)算值比執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置給定值更接近實(shí)際執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置反饋值，使得選取的判故閾值大大降低，提高了判故的準(zhǔn)確性，減少了誤報(bào)故障。以上2種方法在應(yīng)用中的對(duì)比如圖5所示。

圖4　伺服回路判故

圖5　2種方法比較

根據(jù)伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制方式，對(duì)其工作所涉及的電氣、電液轉(zhuǎn)換、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)等環(huán)節(jié)的故障情況進(jìn)行快速檢測(cè)。模型監(jiān)控判故主要包含以下2類故障檢測(cè)回路。

1.2.1外環(huán)給定位置模型故障檢測(cè)

1.2.1.1外環(huán)給定位置故障檢測(cè)

外環(huán)給定位置故障檢測(cè)以伺服回路模型輸出和伺服回路真實(shí)回采為判故數(shù)據(jù)源，檢測(cè)回路構(gòu)成如圖4所示。其中，根據(jù)真實(shí)的物理數(shù)據(jù)擬合出的數(shù)學(xué)模型與伺服回路特性辨識(shí)的方法建立符合真實(shí)需求的數(shù)學(xué)模型，綜合得出伺服回路模型。采用1階慣性環(huán)節(jié)作為伺服回路模型。采用數(shù)據(jù)辨識(shí)方法可接近真實(shí)系統(tǒng)的特性，還可避免由于加工制造導(dǎo)致的模型不準(zhǔn)確。

采用如下方法設(shè)計(jì)比較器：若LM與Lfd的差值大于給定的閾值，確認(rèn)判故時(shí)間后，判為故障。邏輯如下

式中：LM為通過伺服回路模型的位移值；Lfd為回采真實(shí)位移值。

1.2.1.2快速診斷的外環(huán)給定位置故障檢測(cè)方法

快速診斷故障檢測(cè)的方法適用于反饋緩慢變化故障。

采用如下方法設(shè)計(jì)比較器：在模型值與反饋值的差超出閾值且LM_S與Lfd的差與上一周期的LM_S與Lfd的差的差值為正，確認(rèn)判故時(shí)間后，判為故障。邏輯如下

式中：LM為模型值；Lfd為反饋值。

該故障檢測(cè)方法通過誤差（模型值與反饋值的差）閾值范圍避免虛警和誤報(bào)。

1.2.2內(nèi)環(huán)給定位置模型故障檢測(cè)

內(nèi)環(huán)執(zhí)行機(jī)構(gòu)位移距離與外環(huán)回路相比更短，因此，在同一電流量綱范圍內(nèi)，對(duì)其故障檢測(cè)響應(yīng)快。按控制類型可將故障分為電流輸出故障檢測(cè)、電液伺服閥閥芯位移故障檢測(cè)和分油活門故障檢測(cè)3類。

（1）電流輸出故障檢測(cè)。電流輸出故障檢測(cè)以控制電流模型輸出和電流回采為判故數(shù)據(jù)源，檢測(cè)回路如圖6所示。其中，通過電流輸出和電流回采數(shù)據(jù)進(jìn)行電流模型辨識(shí)，根據(jù)實(shí)際電流回采經(jīng)RC濾波器的電氣特性，采用1階慣性環(huán)節(jié)作為電流模型。

圖6　電流回路判故原理

采用如下方法設(shè)計(jì)比較器：Imdl與Ifd的差值大于給定的閾值，確認(rèn)判故時(shí)間后，判為故障。邏輯如下

式中：Imdl為通過模型的電流值；Ifd為回采電流值。

（2）電液伺服閥閥芯位移故障檢測(cè)。電液伺服閥閥芯位移故障檢測(cè)視以控制閥芯模型輸出和閥芯回采為判故數(shù)據(jù)源，檢測(cè)回路構(gòu)成如圖7所示。其中，閥芯模型通過電流輸入和閥芯輸出的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行閥芯模型模型辨識(shí)，根據(jù)實(shí)際電液伺服閥閥芯的工作特性，采用1階慣性環(huán)節(jié)作為閥芯模型。

圖7　閥芯回路判故原理

采用如下方法設(shè)計(jì)比較器：LMdl與Lwfv的差值大于給定的閾值，確認(rèn)判故時(shí)間后，判為故障。邏輯如下

式中：LMdl為通過模型的位移值；Lwfv為回采真實(shí)位移值。

芯位移判故時(shí)間很短，可以迅速且有效地檢測(cè)出故障。因此，電液伺服閥閥芯位移故障檢測(cè)方法是必不可少的伺服回路故障檢測(cè)方法。

（3）分油活門故障檢測(cè)。噴口回路由內(nèi)環(huán)分油活門回路和外環(huán)大油腔填充回路構(gòu)成，由于外環(huán)大油腔回路流量大，作動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，所以對(duì)外環(huán)回路監(jiān)控?zé)o意義。噴口回路應(yīng)采用分油活門的模型進(jìn)行故障診斷，以分油活門的位置給定作為監(jiān)控的分油活門輸入，以分油活門的位置輸出作為監(jiān)控的分油活門輸出，依據(jù)輸入輸出建立分油活門模型，其原理如圖8所示，這種方法能縮短判故時(shí)間。

圖8　分油活門回路判故原理

采用如下方法設(shè)計(jì)比較器：LM與Lfd的差值大于給定的閾值，確認(rèn)判故時(shí)間后，判為故障。邏輯如下

式中：Lm為通過伺服回路模型的位移值；Lfd為回采真實(shí)位移值。

依據(jù)斜坡跟蹤過程中給定值與執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的最大誤差值確定故障診斷閾值，延遲確認(rèn)時(shí)間一般為執(zhí)行機(jī)構(gòu)采樣周期的50倍。

2　試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文各種故障檢測(cè)方法，在半物理試驗(yàn)條件下，對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)的伺服回路故障檢測(cè)進(jìn)行測(cè)試與驗(yàn)證。

2.1導(dǎo)葉電流回路故障檢測(cè)情況

為了驗(yàn)證電流伺服回路判故方法的有效性，本文分析了電流模型判故情況。電流模型輸出跟蹤情況如圖9所示。從圖中可見，電流的模型輸出值與電流反饋值跟蹤良好，說明模型精確度高。電流模型判故如圖10所示，分析對(duì)比了給定值故障檢測(cè)與模型故障檢測(cè)2種故障檢測(cè)方法。從圖中可見，模型檢測(cè)故障的方法未判斷故障，而給定值判故方法判斷了故障，這與真實(shí)情況不符，屬于誤判，說明模型故障檢測(cè)的方法可以真實(shí)地檢測(cè)故障。

圖9　電流模型輸出跟蹤

圖10　電流模型判故

2.2主燃油閥芯伺服回路故障檢測(cè)情況

為了驗(yàn)證閥芯伺服回路判故方法的有效性，本文分析了閥芯位置卡死的情況。主燃油回路閥芯判故如圖11所示。從圖中可見，閥芯故障檢測(cè)方法迅速且有效的判斷出了故障，故障閾值是500 bit，延遲確認(rèn)時(shí)間是30 ms。

圖11　主燃油回路閥芯判故

2.3噴口分油活門回路故障檢測(cè)情況

為了驗(yàn)證分油活門回路判故方法的有效性，本文分析了伺服回路電液伺服閥卡死的情況。分油活門模型輸出跟蹤情況如圖12所示。從圖中可見，數(shù)據(jù)辨識(shí)出的模型是準(zhǔn)確的。在電液伺服閥卡死的情況下，分油活門會(huì)迅速打到一端，此時(shí)外環(huán)給定位置判故方法迅速診斷出故障（如圖13所示），故障閾值是200 bit，延遲確認(rèn)時(shí)間是50 ms。

2.4與其他模型監(jiān)控伺服回路故障檢測(cè)方法比較

上述故障檢測(cè)結(jié)果與其他模型故障檢測(cè)結(jié)果的比較見表1。從表中可見，與其他模型故障檢測(cè)方法相比，本文研究的方法判故時(shí)間縮短近25%；且內(nèi)環(huán)回路故障檢測(cè)方法比外環(huán)故障檢測(cè)方法判故迅速。

圖12　分油活門模型輸出跟蹤

圖13　噴口回路閥芯判故

表1　模型判故比較結(jié)果

3　結(jié)論

（1）與傳統(tǒng)的故障檢測(cè)方法相比，本文研究的基于數(shù)學(xué)模型的伺服回路故障診斷方法判故時(shí)間短，且內(nèi)環(huán)回路故障檢測(cè)方法比外環(huán)故障檢測(cè)方法判故迅速。

（2）本方法適用于數(shù)字電子控制系統(tǒng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制回路，具備一定的通用性，只需根據(jù)需要修改一定的參數(shù)即可應(yīng)用到其他發(fā)動(dòng)機(jī)上。

（3）該方法降低了誤判概率。

（4）軟件實(shí)現(xiàn)方便、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、實(shí)施效果好，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性和可靠性有十分重要的作用。

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（編輯：趙明菁）

Research for Fault Diagnosis Method of Servo Loop

JIA Pan-pan，LIU Dong，WANG Zhen-hua
（AVIC Aviation Motor Control System Institute，Wuxi Jiangsu 214063，China）

Actuator loop of aeroengine is complex，its reliability and fault-tolerant control is important to the safety of aeroengine. Therefore，it is quite necessary to research for fault diagnosis of actuator loop.A quick model-based monitoring actuator loop fault diagnosis method was put forward.Fault diagnosis were started from physical actuator to digital electronic system one by one，system faults were quickly judged by comparator of actuator loop.Compared with the result of test，the method can detect fault more exactly and faster than traditional method and simplifies the model of actuator loop and software code.The method is universal and provides an efficient technological means for quick fault diagnosis of digital electronic control system.

servo loop；fault diagnosis；model monitoring；digital electronic control system；aeroengine

V 233.7

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.04.005

2016-03-01基金項(xiàng)目：航空動(dòng)力基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助

賈盼盼（1989），女，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作；E-mail：janis7@126.com。

引用格式：賈盼盼，劉冬，王振華.伺服回路故障檢測(cè)方法研究［J］.航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2016，42（4）：21-24.JIA Panpan，LIUDong，WANGZhenhua.Researchforfault diagnosismethodofservoloop［J］.Aeroengine，2016，42（4）：21-24.