孟 飛，楊冬進

(空軍工程大學航空機務士官學校 航空儀電工程系，河南 信陽 464000)

0 引言

某型航空發(fā)動機在使用中，由于機械-電氣-液壓一體化的復雜設計和近乎苛刻的使用條件，使得該發(fā)動機同比故障概率一直居高不下，特別是由于其起動電氣控制系統(tǒng)故障造成的起動中止、排氣超溫、轉速過高、伴隨喘振等起動失效故障頻發(fā)，加上維修現(xiàn)場缺乏有效的故障診斷設備，需要技術人員反復拆件試車更換設備來進行故障定位，嚴重影響其實用性、經(jīng)濟性。因此，準確測量起動電氣控制系統(tǒng)附件電氣參數(shù)性能以便迅速判定起動系統(tǒng)邏輯控制關系、實現(xiàn)在停車狀態(tài)下模擬發(fā)動機起動流程并迅速定位故障成為用戶當前的迫切需求。

近年來，針對航空發(fā)動機起動系統(tǒng)故障的研究主要分為三個方向：一是直接研究導致起動失效的設備或裝置，在維修手段上達到降低故障率的目的。如文獻[1]研究了發(fā)動機起動時超溫的故障機理并提出了相應故障預防措施；文獻[2]分析了起動工作過程，提出了一種可以適應高原工作的發(fā)動機供油調(diào)整方法，能夠解決發(fā)動機起動失速問題。二是從設計入手，分析起動系統(tǒng)故障的失效原因，提出相應改進措施，如文獻[3]在分析發(fā)動機起動機、脫開機構運動速度及壓氣機性能基礎上，研究出起動機高功率高轉速下的脫開技術方案，不僅將起動時間縮短，更能提升起動工作性能，同時還保證了發(fā)動機結構主體不發(fā)生變化。三是將發(fā)動機地面運行參數(shù)數(shù)據(jù)作為樣本，對發(fā)動機起動過程進行辨識，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡、邏輯診斷理論、人工智能等方法建立起動模型，在計算機上實現(xiàn)對發(fā)動機故障的邏輯診斷，如文獻[4]和文獻[5]。隨著機載電子設備的快速發(fā)展應用，傳統(tǒng)的地面設備檢測發(fā)動機的功能轉而由計算機在線實現(xiàn)。采集發(fā)動機實時的性能數(shù)據(jù)可以及時分析發(fā)動機性能參數(shù)和發(fā)展趨勢，從而減少故障檢測和隔離時段。文獻[6]采用基于xPC Target原理搭建了仿真平臺可較為準確地測量發(fā)動機健康參數(shù)，更早地檢測和隔離各種起動系統(tǒng)故障。

本文結合目前檢測技術的發(fā)展和故障預測理論的應用，使用故障模式和影響分析技術(Failure Mode and Effects Analysis，F(xiàn)MEA)對發(fā)動機起動電氣控制系統(tǒng)各重要性能參數(shù)及信號進行實時“健康摸底”，根據(jù)歷史記錄時間序列數(shù)據(jù)分析電壓、電阻、電流、開關量的變化，并與標準庫和故障庫比對，從而判明系統(tǒng)各附件性能狀況，有效診斷出導致起動失敗的原因及故障模式，為該系統(tǒng)維修提供決策依據(jù)，預防危險性故障的發(fā)生。

1 原位診斷理論研究

1.1 起動電氣控制系統(tǒng)簡介

發(fā)動機的高低壓轉子由靜止狀態(tài)被帶動轉動，達到可以由發(fā)動機本身獨立供油而工作的這一過程，就是發(fā)動機的起動。起動電氣控制包括時間控制裝置、轉速控制裝置、自動起動裝置及附屬裝置等電氣設備。起動程序機構根據(jù)時間控制裝置和轉速控制裝置的指令，適時控制機電附屬裝置進行發(fā)動機的電點火、供燃油、補氧氣、升轉速和限制排氣溫度，從而完成發(fā)動機的起動。這些電氣設備在工作中，有表征其本身工作的特性或?qū)ν廨敵鲆?guī)定的電壓、電流、電阻、離散信號、地/開信號及其它模擬信號，信號與正常值的差異往往是引起發(fā)動機起動系統(tǒng)故障的重要表征。

1.2 電氣設備FMEA分析

FMEA基于故障模式的影響，分析各故障模式嚴酷程度和概率大小，列出危害后果，從而達到確定系統(tǒng)所有故障的目的。故障模式及影響分析的合理性和知識庫的科學性是診斷結果是否有效的關鍵因素，也是系統(tǒng)設計的難題[7]。為此，首先通過搜集整理所有用戶單位故障數(shù)據(jù)的方式完善對起動系統(tǒng)故障模式的研究，為工程實踐提供理論支持；其次根據(jù)維修任務制定合適的測量時機，建立一套起動電氣控制系統(tǒng)電氣設備的電子履歷本，完善測量時機、方法和標準，準確記錄測量結果；最后將測量所得的電特征參量與其歷史記錄相比較，利用模糊控制決策理論，建立各設備元件的故障模式和自學習故障診斷專家系統(tǒng)。按照GJB1391-92故障模式影響及危害性分析程序[8]，針對起動電氣控制系統(tǒng)各附件梳理功能組成、研究故障模式，并分析其可靠性。點火裝置可靠性(部分)如圖1所示，點火裝置故障模式及影響分析(部分)如表1所示。

圖1 點火裝置可靠性方框圖(部分)

表1 點火裝置故障模式及影響分析表(部分)

1.3 知識庫的建立

將維修資料和歷史故障分析手段作為故障診斷的主要知識來源，并將故障診斷知識通過FMEA表格的形式直觀明了地顯示出來，就可轉換成計算機能夠識別的診斷知識庫?；贔MEA的診斷知識庫的建立，實際上就是將FMEA轉換成數(shù)據(jù)庫形式，并從數(shù)據(jù)表中獲得規(guī)則[9]。為完成推理機的設計，本項目在設計知識庫時，運用專家系統(tǒng)將FMEA需要研究的知識要點進行規(guī)則轉化，為提高故障診斷準確性，在推理上使用混合推理。診斷流程為：系統(tǒng)初始化，專家系統(tǒng)確定故障重要度與權重值；將故障現(xiàn)象獲取，通過檢索條件表中的記錄是否包含存在故障事實來進行規(guī)則匹配，尋找故障原因。如果在診斷時有多條規(guī)則同時匹配成功，采用權重最大化策略，即規(guī)則表中選擇權重大的規(guī)則。診斷完畢后通過人機界面與用戶交流，確定最終的故障源，給出診斷結論和維修建議。

2 硬件設計

硬件設計主要從發(fā)動機起動系統(tǒng)電路控制關系出發(fā)，根據(jù)起動過程工作邏輯進行電路設計，包括信號轉換調(diào)理單元、主控單元、故障診斷單元和電源單元等，發(fā)動機起動系統(tǒng)原位診斷系統(tǒng)結構如圖2所示。其中各重要模塊的作用為：

圖2 發(fā)動機起動系統(tǒng)原位診斷系統(tǒng)結構框圖

(1)穩(wěn)壓電源模塊用來將機內(nèi)及地面提供的28 V直流電轉換為平臺所需的12 V和5 V高品質(zhì)穩(wěn)定直流電；

(2)信號取樣與控制模塊用于起動系統(tǒng)與測試平臺的信號交聯(lián)；

(3)功放模塊采用OPA552將主控模塊的D/A信號處理，特征電壓范圍為0～28 V，從而驅(qū)動自動起動裝置內(nèi)的繼電器線圈工作，實現(xiàn)對繼電器性能的測試；

(4)恒流源模塊用來穩(wěn)定被測部件電流；

(5)數(shù)字量驅(qū)動模塊采用TTL邏輯陣列，根據(jù)主控測試流程，分時輸出控制信號，實現(xiàn)開關量邏輯序列檢測。

構建的測試平臺包括加固機和適配箱兩大部分。加固機是主控單元，可以進行測試控制、數(shù)據(jù)處理與分析；適配箱為測試單元，用于信號調(diào)理與轉換、數(shù)據(jù)采集與傳送[6]。該測試平臺可對系統(tǒng)邏輯功能、自動起動裝置內(nèi)各繼電器性能參數(shù)、各起動電氣控制附件的電壓、電流、電阻、離散信號、地/開信號及其它模擬信號通過原位測量的方式，得到信號的幅值特征及相關性特征，從而形成診斷向量，為起動系統(tǒng)故障判定提供決策依據(jù)。

圖3邏輯功能及時間單元測試原理

2.1 邏輯功能及時間單元測試

為準確模擬發(fā)動機起動工作過程，判明故障產(chǎn)生時機，需對起動系統(tǒng)進行邏輯功能及時間單元測試，邏輯功能及時間單元測試原理如圖3所示。

邏輯功能測試方法為：由計算機控制總線接口，根據(jù)既定測試程序，分時輸出控制信號至被試件輸入端，讀入被試件的輸出狀態(tài)，經(jīng)處理后與數(shù)據(jù)庫中標準邏輯關系比較，從而判斷其邏輯功能是否正常，并從對應的故障庫中給出相應故障信息和維修建議報告。時間單元的測試原理與邏輯測試類似。由輸出信號觸發(fā)被試件時間模塊，計算機內(nèi)部時鐘同時計時，并跟蹤被試件輸出狀態(tài)信號，記錄狀態(tài)轉變的時間，與標準時間比對，以判斷時間模塊的工作狀況。

圖4繼電器特征電壓測試原理

2.2 繼電器特征電壓測試

自動起動裝置內(nèi)的繼電器用于適時接通或斷開起動系統(tǒng)電氣設備的工作，主要性能特征即為繼電器內(nèi)使工作線圈吸合或釋放時的電壓值。繼電器特征電壓測試原理如圖4所示。

繼電器吸合電壓的測試是通過IO輸出板將被測繼電器的工作線圈切換到可調(diào)電源上，利用帶D/A功能STC單片機對電壓可調(diào)模塊(338K)的輸出電壓進行調(diào)整，使施加在被測繼電器線圈兩端的電壓逐漸升高，同時通過IO輸入板對繼電器的工作狀態(tài)進行監(jiān)控。當繼電器工作瞬間即停止電壓的改變，同時通過A/D口讀取施加在繼電器線圈兩端的電壓值，此時的電壓值即為使繼電器吸合的工作電壓。與此類似，使控制電壓逐漸降低時，就可以測得使繼電器斷開的線圈釋放電壓。

圖5線圈電阻測試方案

2.3 線圈電阻測試

由IO輸出控制，將被測繼電器線圈兩端切換到恒流源通道，同時回讀線圈兩端電壓值，通過24位高精度A/D轉換芯片(AD7705)將測試結果回傳進行數(shù)據(jù)處理，換算得出電阻值，記錄測試結果，作為附件工況的判斷依據(jù)。線圈電阻測試方案如圖5所示。

由于該發(fā)動機起動系統(tǒng)沒有設置標準檢測信號輸出接口，因此測試設備必須通過轉接電纜采集系統(tǒng)電路工作信息，然后由適配邏輯轉換模塊將采集信息調(diào)理為測試平臺能夠識別的標準信號。在硬件設計中，采用了知名品牌的貨架產(chǎn)品，元器件選取考慮足夠的功率冗余，保證適配轉接電路工作的可靠性和準確性。同時，控制部分和轉接調(diào)理部分均采用電氣隔離，設置保險電路，避免串電干擾引發(fā)系統(tǒng)崩潰。這樣，保證了采集信號的準確性以及起動系統(tǒng)和測試儀器的安全性。

3 軟件設計

3.1 軟件功能

軟件功能包括自動起動裝置邏輯功能測試、控制單元關鍵參數(shù)測試、觸頭接觸電阻測試、起動流程測試、數(shù)據(jù)處理與故障診斷、故障預測、維修決策、報表生成等。

3.1.1 自動起動裝置邏輯功能測試

按照自動起動裝置內(nèi)部標準電路邏輯建立等效電路結構模型，通過與系統(tǒng)實際檢測的邏輯數(shù)據(jù)進行比對，輸出自動起動裝置內(nèi)部邏輯情況。

3.1.2 控制單元關鍵參數(shù)測試

通過電路邏輯轉換來判斷控制單元的工作狀態(tài)，讀取并鎖定關鍵參數(shù)進行輸出。同時作為相關事實結合規(guī)則用于故障診斷和模糊決策。

3.1.3 觸頭接觸電阻測試

系統(tǒng)控制恒流源模塊、電量取樣及控制模塊控制相關單元的狀態(tài)轉換，采用精確電阻測試算法，進行常開/常閉觸頭接觸電阻測試。

3.1.4 起動流程測試

按照標準起動控制程序向自動起動裝置輸出控制信號，讀取自動起動裝置的輸出信號，與標準數(shù)據(jù)庫進行對比，測試起動流程的執(zhí)行情況。

3.1.5 數(shù)據(jù)處理與故障診斷

對測試得到的結果運用時序法來進行分析處理，依據(jù)系統(tǒng)設定的規(guī)則來查找相應故障的起因，給出診斷結論，并將測試結果納入事實庫中。

3.1.6 維修決策

對各模擬信號通過在線測量和定期維護的方式，得到信號的幅值特征及相關性特征，從而形成診斷向量，為起動系統(tǒng)故障判定提供決策依據(jù)。

3.1.7 報表生成

以報表形式輸出測試分析、診斷結果及維修建議。

3.2 軟件流程

3.2.1 開發(fā)工具

本系統(tǒng)采用ViusalBasic6.0作為軟件開發(fā)工具，VB具有人工智能語言的某些特征，它能進行關系、邏輯運算，有較強的符號處理能力，可以直接訪問多類型的數(shù)據(jù)庫，直接創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫并進行適當?shù)木S護。VB與Windows內(nèi)部程序結合，開發(fā)的應用軟件具有高效快速、界面豐富友好的特點。

系統(tǒng)知識庫采用Access數(shù)據(jù)庫的形式，主要根據(jù)起動系統(tǒng)工作邏輯和電路連接關系，存儲加電、測電、參數(shù)指標、故障分析、維修建議等信息，用于測試時的判讀標準。數(shù)據(jù)庫包括標準庫、事實庫和規(guī)則庫，其中，標準庫用于存儲起動系統(tǒng)等效電路結構模型；動靜態(tài)的各種事實被存儲于事實庫中，而基于專家系統(tǒng)的規(guī)則統(tǒng)一被置于規(guī)則庫內(nèi)。其中，事實庫由于系統(tǒng)的運行和推理的進行，事實在不斷地更新和變化，因而事實庫也是處于不斷地完善之中。

用規(guī)則不僅可以表達事實，而且可以附上權重表示對事實的相信程度，這就實現(xiàn)了專家系統(tǒng)中的非精確推理。

3.2.2 軟件主程序

主程序由主菜單功能選擇模塊、測試模塊、數(shù)據(jù)處理及分析模塊、故障診斷模塊、維修決策模塊、報表生成模塊組成，主程序診斷流程如圖6所示。其中功能選擇模塊包括自動起動裝置原位測試和起動在線測試選擇；測試模塊包括邏輯功能測試、控制單元關鍵參數(shù)測試、觸頭接觸電阻測試和起動流程測試子程序[10]；數(shù)據(jù)處理與故障診斷模塊采用時序分析法分析測試的最終結果，依據(jù)系統(tǒng)設定的規(guī)則判據(jù)對應相應故障原因，引出診斷結論，并將測試結果納入事實庫中；維修決策模塊根據(jù)診斷結果給出維修建議；報表生成模塊以報表形式輸出測試分析結果、診斷結果及維修建議。

3.2.3 軟件測試流程

將地面起動按照系統(tǒng)本身工作流程劃分為11個模塊，按照工作時序逐步進行測試，測試結論實時顯示，并可以生成報表，打印并存儲，軟件測試流程如圖7所示。

圖6主程序診斷流程圖

圖7 軟件測試流程圖

系統(tǒng)地面起動流程測試界面如圖8所示。進入主界面后，首先對測控平臺的96個測試通道進行自檢。通過后才能進入相應測試模塊，防止因設備本身故障導致診斷誤差。

圖8地面起動流程測試界面

3.3 抗干擾問題

該系統(tǒng)涉及的信號種類較多，信號線的交叉連接產(chǎn)生了空間輻射干擾，各信號通道之間及信號與電源通道之間均有明顯干擾發(fā)生。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，采取了如下抗干擾技術：

(1)在信號的傳輸上依據(jù)信號類型分通道模塊設計，模塊與模塊之間各使用專用通道傳輸信號。其中，具有特殊需求和特征的模擬信號為保證精度，還專設地線，并區(qū)分地線A/D類型。

(2)在抗電磁波輻射設計上進行綜合屏蔽。機箱的材質(zhì)采用航空級鋁合金，使其表面搭鐵電阻盡可能?。豢刂颇K電路據(jù)精度要求增加屏蔽罩；印刷板電路也設置有效接地，并對傳輸線路采用屏蔽線設計。

(3)在軟件上運用多種方手段如數(shù)字濾波、判斷標志等措施來提高軟件系統(tǒng)抗干擾能力。

4 結語

本文從工程實踐的經(jīng)濟性和效率出發(fā)，根據(jù)某型航空發(fā)動機起動工作過程邏輯，綜合采用PC104總線控制、數(shù)據(jù)采集與處理、故障模式影響分析技術，研究了發(fā)動機起動系統(tǒng)在線診斷技術途徑，并用便攜式加固一體機試制智能檢測設備，對電氣控制系統(tǒng)各附件進行實時“健康摸底”，與標準庫和故障庫對比，根據(jù)歷史記錄時間序列數(shù)據(jù)分析判明其性能狀況，從而有效診斷出導致起動失敗的原因及故障模式，并提出相應維修方法和故障預測策略。根據(jù)用戶反映，試制的檢測平臺具有小型化、模塊化、便攜性等特點，可原位在線快速實現(xiàn)起動電氣控制系統(tǒng)附件的性能測試和故障診斷，提高了該系統(tǒng)的維修效率。特別是能對隱蔽故障和臨界故障進行排查，對附件及主要元件的性能狀況進行評估，提出預防性維修措施，可以充分為維修保障提供技術支持。該系統(tǒng)還可以拓展應用于飛機其他電氣控制系統(tǒng)的維修保障，具有較好的經(jīng)濟效益和推廣應用前景。