賈海文

摘要：機電作動系統(tǒng)屬于非線性、多變量、強耦合的系統(tǒng)，針對該系統(tǒng)同種故障表現(xiàn)下不同故障模式設(shè)計了故障檢測方法，通過故障檢測率，誤報警率，魯棒性等指標(biāo)對固定閾值和自適應(yīng)閾值的故障檢測系統(tǒng)進(jìn)行了評估。最后基于機電作動系統(tǒng)三閉環(huán)Simulink模型，驗證了評估方法的有效性。

關(guān)鍵詞：EMA;故障檢測;故障檢測方法評估

中圖分類號：V242.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）01-0118-05

隨著機電作動系統(tǒng)（EMA）的應(yīng)用，去除了飛機上大量的液壓回路，有利于飛機維修和減輕了飛機重量。然而，新的故障和安全性的不足阻礙了EMA在主飛行控制執(zhí)行機構(gòu)中的大量使用。依據(jù)Moog公司提供的故障模式，影響和關(guān)鍵性分析（FMECA故障模式及影響分析）信息、美國軍方發(fā)布的工業(yè)信息和執(zhí)行器相關(guān)故障文獻(xiàn)追蹤，將機電作動系統(tǒng)故障模式分為：傳動機構(gòu)故障、驅(qū)動電機故障和傳感器故障。

針對以上故障模式，國內(nèi)外學(xué)者分別基于不同方法進(jìn)行了故障檢測。2016年Ismail M A，Balaban E等人提出了一種新的基于振動的混合技術(shù)，用于檢測EMA滾珠絲杠卡阻和滾珠碎裂故障，主要是通過比較絲杠健康理論值與EMA測試臺實驗值進(jìn)行比較。從而判斷故障是否發(fā)生。Chirico等人研究了基于EMA的“數(shù)據(jù)驅(qū)動故障檢測技術(shù)”在EMA滾珠絲杠中設(shè)置兩種不同剝落尺寸的剝落斷層，使用貝葉斯分類器通過振動和電流兩個條件指標(biāo)來識別故障。Ismail等人開發(fā)了基于EMA的故障檢測和量化技術(shù)，直接檢查在測試臺上收集的振動數(shù)據(jù)，以確定和表征健康狀況，確定對振動數(shù)據(jù)執(zhí)行高分辨率角度重采樣（以消除速度波動）使得可以檢測和測量EMA滾珠軸承中的剝落的嚴(yán)重性。然而，上述檢測方法雖然具有一定的有效性，但對各種擾動比較敏感，例如，操作條件，數(shù)據(jù)的擾動和傳感器的測量，將會限制其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。

Romeral L，Rosero J A等人結(jié)合基于模型的故障檢測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與FFr分析技術(shù)，對電機繞阻短路故障和轉(zhuǎn)子靜態(tài)偏心故障進(jìn)行檢測Ossmann D等人通過應(yīng)用離散小波變換（DWT）—監(jiān)測PMSM（永磁同步電機）電流，來檢測和診斷電氣（短路：相與地之間或相與相之間）和機械（偏心）故障。雖然，傅立葉變換（STFT）等技術(shù)可以對不同的頻率和時間進(jìn)行分析，但其僅適用于系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)的時候。而在真實飛行狀態(tài)中，EMA工作在一個非穩(wěn)態(tài)環(huán)境中，所以在檢測時只能依賴于小波分析。然而基于信號處理的方法在飛機上的應(yīng)用誤報警率比較高。針對EMA傳感器故障，Wang J等人設(shè)計了一種基于z檢驗的故障檢測程序來實現(xiàn)角位移傳感器的自我診斷，并且通過卡爾曼濾波估計調(diào)整解算器的不匹配故障來實現(xiàn)故障調(diào)節(jié)，但并沒有考慮噪聲和外部干擾。2009年Balaban E，Saxena A等人研究了傳感器的不同故障模式，并設(shè)計了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）的診斷系統(tǒng)。該方法不僅可以檢測各種故障模式，而且可以區(qū)分傳感器和系統(tǒng)故障。最后通過在機電作動器已有的實驗數(shù)據(jù)中注入偏置、漂移、縮放等故障模擬來檢測該方法的有效性。不足之處是，專家系統(tǒng)需要強大的數(shù)據(jù)支持和豐富的維修經(jīng)驗，而機電作動系統(tǒng)在民機上的應(yīng)用屬于—個全新的領(lǐng)域，使用時間和應(yīng)用范圍有限，所以基于專家系統(tǒng)故障檢測方案還需要不斷的完善。

考慮國內(nèi)外有關(guān)機電作動系統(tǒng)故障檢測，發(fā)現(xiàn)對檢測方法的評估研究相對較少。因此本文采用了未知輸人觀測器，把建模的不確定性、外部干擾和測量噪聲看作是系統(tǒng)的未知輸入，使其從殘差中完全解，并對自適應(yīng)閾值與固定閾值兩種判定方法進(jìn)行了評估。

1機電作動系統(tǒng)建模與故障建模

本文所研究的無刷直流電機為二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)。

1.1電壓平衡方程

3故障檢測方法評估

機電作動系統(tǒng)運行環(huán)境復(fù)雜，動態(tài)變化劇烈，一旦受損或者卡死，飛行品質(zhì)會劇烈下降甚至墜機。因此，故障檢測系統(tǒng)的目標(biāo)就是以最短的時間檢測出故障并且分離故障，給機組留出足夠的時間采取措施。因此，本節(jié)以檢測性能指標(biāo)、診斷性能指標(biāo)和魯棒性3大類指標(biāo)作為標(biāo)準(zhǔn)，來評估上述故障檢測系統(tǒng)的性能。其結(jié)構(gòu)如圖3所示：

實時性：指當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，故障檢測系統(tǒng)在要求的時間內(nèi)，以盡量短的時間檢測到故障;靈敏度：指故障檢測系統(tǒng)對輕度故障的檢測能力;誤報率：指系統(tǒng)沒有發(fā)生故障，檢測系統(tǒng)卻報警;漏報率：指系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，檢測系統(tǒng)卻沒有檢測出來;錯報率：故障定位錯誤和報警時間錯誤;魯棒性：指檢測系統(tǒng)在存在噪聲、干擾和建模誤差的情況下，還能保持滿意的實時性、誤報率和漏報率等性能指標(biāo)。

上述指標(biāo)分別從不同的方面對故障檢測系統(tǒng)做出了評估，然而對于不同類型的系統(tǒng)，這些指標(biāo)偏重程度是不一樣的，比如飛控機電作動系統(tǒng)，實時性和分離能力是故障檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。所以在利用上述指標(biāo)對故障檢測系統(tǒng)進(jìn)行性能評價時，要明確哪些性能是主要的，哪些是次要的。本節(jié)利用權(quán)重來評估每個指標(biāo)相對于總體性能作用大小的量化值，但是確定權(quán)重又有一定的難度，因為他們不但包含有評估客體因素還包括評估主體因素，因此，一個指標(biāo)的重要程度主要受下列4種因素影響：①評估組織者對該指標(biāo)的重視程度;②該指標(biāo)值所反映的信息量;③指標(biāo)間的相互影響;④該指標(biāo)評估結(jié)果的可靠程度。

常用的系統(tǒng)評估指標(biāo)量化方法有：體操計分法、兩兩比較法、自頂向下法等。本節(jié)采用兩兩比較法來確定各個指標(biāo)的相對權(quán)重，構(gòu)造如表1所示的評估指標(biāo)相對重要性判斷表。

魯棒性的權(quán)重之所以比較大，是因為一種故障檢測算法，即使檢測性能再好，如果對建模誤差和外界干擾沒有魯棒性，就失去了實際工程價值。飛控機電作動系統(tǒng)是多變量、強耦合的機電一體化復(fù)雜系統(tǒng)，由于安裝調(diào)試誤差、制造工藝等因素的影響，在系統(tǒng)建模時總會出現(xiàn)建模誤差，再加上飛機飛行環(huán)境的復(fù)雜性，因此魯棒性成為了最重要的性能指標(biāo)。

4各評估指標(biāo)量化值

對于圖3中的各評估指標(biāo)，如漏報率、誤報率這樣的指標(biāo)容易給出定量結(jié)果;但在大多數(shù)情況下，像魯棒性、實時性和靈敏度很難給出一個定量的描述，只能給出定性評估結(jié)果。因此，在這里對定性指標(biāo)進(jìn)行量化，結(jié)果如表2所示。

在比較魯棒性這一指標(biāo)時，設(shè)置相同的噪聲及建模誤差，分別應(yīng)用于固定閾值和自適應(yīng)閾值兩種判別方式上進(jìn)行比較，來判定哪種方式的魯棒性好。針對上述其他指標(biāo)評估時，以傳感器偏置故障為例，采用計算機仿真方法在一定時間內(nèi)隨機注人不同程度的故障，從而得到相應(yīng)的故障檢測率。由圖4所示，可以看出輸人故障數(shù)大于200時故障檢測率穩(wěn)定于90%左右。因此下文選取故障數(shù)為350來計算其余指標(biāo)。

系統(tǒng)疊加的噪聲是分別是信噪比（sNR）為5、6、7的高斯白噪聲。各指標(biāo)評估結(jié)果如表3～5所示。

5綜合評估結(jié)果

通過上小節(jié)固定閾值和自適應(yīng)閾值在不同噪聲環(huán)境下的對比結(jié)果可以看出，自適應(yīng)閾值在檢測率、靈敏度方面明顯優(yōu)于固定閾值;實時性能變化不明顯;基于上述分析的評估結(jié)果如表6所示，該表內(nèi)容是對比意義下的結(jié)果，沒有絕對性。

6評估結(jié)果分析

由以上分析結(jié)果可以得出，當(dāng)系統(tǒng)疊加信噪比為5的高斯白噪聲時，固定閾值的檢測率達(dá)到90%左右，相比自適應(yīng)閾值而言設(shè)計上容易實現(xiàn)。但是隨著的信噪比值的增加，漏報率從9%增加到了42%，檢測性能下降嚴(yán)重，無法平衡漏檢率和誤報率，致使其綜合性能值不高僅為4.96。相比而言，采用自適應(yīng)閾值代替固定閾值，檢測性能各指標(biāo)明顯優(yōu)于固定閾值，評價分?jǐn)?shù)升為12，隨著信噪比值的增加，檢測性能各指標(biāo)也有一定的下降，其中漏報率增加較明顯，但相對緩慢，所以其總體性能值為6.4>4.96，相對固定閾值不足之處為設(shè)置相對復(fù)雜，且閾值計算效果比較依賴殘差的敏感度。因此，自適應(yīng)閾值相比固定閾值可以同時兼顧檢測率與虛警率，且對外界擾動具有一定的抗干擾能力，但是在自適應(yīng)閾值的設(shè)計上需要額外設(shè)計一個殘差生成器且需要對殘差進(jìn)行區(qū)間估計，所以自適應(yīng)閾值的好壞與系統(tǒng)動態(tài)模型的精度密切相關(guān)。相比而言固定閾值的選取更加簡單，只需要通過觀察正常狀態(tài)殘差的最大值即可，省去了系統(tǒng)建模，對于復(fù)雜系統(tǒng)在工程上更容易實現(xiàn)。