Разработка и применение метода дефектации на основе адаптивных фильтров и оценки скорости вращения электрогидростатического привода

Электрогидростатический привод (EHA) является ключевым компонентом для управления полетом в более электрических самолетах (MEA). Типичная структура ЭГА показана на рисунке 1. Его компактная конструкция гарантирует высокую удельную мощность, низкие эксплуатационные расходы, а также более высокую отказоустойчивость и безопасность по сравнению с традиционным гидравлическим сервоприводом (HSA)¹. Тем не менее, нынешняя надежность EHA не может удовлетворить практические требования более электрических самолетов². В результате технология резервирования была внедрена в конструкцию EHA. Чтобы максимизировать эффективность технологии резервирования, рабочее состояние системы должно контролироваться методом обнаружения неисправностей³. В зависимости от места, где происходит неисправность, режимы неисправности EHA можно разделить на неисправности сервоконтроллера и неисправности блока управления питанием (PCU). Неисправности PCU можно разделить на неисправности датчиков, неисправности электромеханического блока и неисправности гидравлического блока. Механизм неисправности сервоконтроллера имеет мало отношения к корпусу EHA, а вероятность неисправности датчика намного ниже, чем у компонента^{оборудования 4}. Поэтому в данной работе мы сосредоточимся на неисправностях электромеханического агрегата и гидравлического агрегата.

К неисправностям электромеханических блоков относятся неисправности модуля привода двигателя и неисправности бесщеточного двигателя постоянного тока (BLDCM). Как правило, вероятность неисправности электроники силового привода (PDE) (например, короткого замыкания, неисправности обрыва) относительно высока. Когда происходит короткое замыкание, ток PDE резко возрастает за короткий промежуток времени, вызывая серьезные последствия, такие как отключение двигателя или повреждение электрических компонентов. Хотя двигатель может сохранять свое рабочее состояние после неисправности обрыва цепи, перегрузка по току и перенапряжение для других электрических компонентов по-прежнему неизбежны, и, следовательно, могут произойти вторичные неисправности⁵. Что касается BLDCM, то обмотки двигателя наиболее подвержены неисправностям из-за короткого замыкания или обрыва^{цепи 6}. ФДЭ в электромеханическом блоке соединен последовательно с соответствующими обмотками двигателя. Метод обнаружения неисправностей, разработанный для обмоток двигателя, также эффективен при устранении неисправностей в PDE. Поэтому неисправности электромеханического блока, в том числе как в двигателе, так и в PDE, должны быть обнаружены в режиме онлайн.

К неисправностям гидравлического блока относятся неисправности поршневого насоса с фиксированным рабочим объемом, встроенного блока клапанов и исполнительного цилиндра⁷. Поршневой насос EHA состоит из поршней, автоматов перекоса и тарелок клапанов; Повреждение уплотнения и износ клапанной пластины являются основными формами неисправности⁸. Эти два режима неисправности увеличивают утечку насоса. За этим следуют аномальные изменения выходного потока и давления, которые, в конечном итоге, приводят к снижению частоты вращения исполнительного цилиндра и снижению производительности сервопривода системы. Режимы неисправности встроенного блока клапанов включают неисправность резервуара под давлением, неисправность обратного клапана, неисправность предохранительного клапана и неисправность клапана выбора режима. Резервуар под давлением обычно имеет самоповышающуюся конструкцию с высокой надежностью. Однако при возникновении неисправности недостаточное давление наддува вызывает кавитацию насоса, что приводит к ненормальному выходному расходу. Усталость пружины, износ компонентов и деформация являются распространенными режимами неисправностей в обратных клапанах и предохранительных клапанах. Неисправность обратного клапана представляет собой обратную утечку, которая напрямую приводит к ненормальному потоку. Неисправность предохранительного клапана приводит к неправильной функции защиты, что приводит к ненормальному давлению. Распространенными неисправностями клапана выбора режима являются выход из строя возвратной пружины и обрыв катушек проволоки. Первый вызывает текущее переключение рабочего состояния, что приводит к ненормальному движению исполнительного цилиндра. Неисправность приводного цилиндра приводит к снижению точности управления положением и динамических характеристик. Таким образом, неисправности гидравлических агрегатов вызывают ненормальный расход и давление⁹. Поскольку поток и скорость вращения двигателя в системе EHA примерно пропорциональны, скорость вращения можно контролировать в режиме онлайн для обнаружения аномального расхода и давления из-за внезапных неисправностей.

Необходимо разработать соответствующие методы обнаружения неисправностей, направленные на ранее упомянутые неисправности электромеханического блока и неисправности гидравлического блока. Методы обнаружения неисправностей в электромеханической системе в основном включают оценку состояния и идентификацию параметров¹⁰. Наблюдатель состояния строится на основе математической модели системы, которая производит оценку состояния и определяет неисправности, анализируя остаточную последовательность, генерируемую наблюдателем. Alcorta et al. предложили простой и новый нелинейный наблюдатель с двумя корректирующими условиями для обнаружения вибрационных неисправностей в коммерческих самолетах, который является очень эффективным¹¹. Однако этот тип метода должен решить проблему робастности наблюдателя. Другими словами, он должен подавлять изменения в остаточной последовательности, вызванные информацией, не относящейся к ошибкам, такой как ошибка модели или внешние возмущения. Более того, этот метод часто требует очень точной информации о модели, которую обычно трудно собрать в практических инженерных приложениях.

Метод идентификации параметров использует определенные алгоритмы для идентификации важных параметров в системе. При возникновении сбоя изменяется и значение соответствующего параметра. Таким образом, неисправности могут быть обнаружены путем обнаружения изменения параметров. Метод идентификации параметров не требует расчета остаточной последовательности, поэтому он позволяет избежать влияния помех на точность обнаружения. Адаптивный фильтр широко используется для идентификации параметров из-за его простоты реализации и стабильной работы, что означает, что он является благоприятным и осуществимым методом электромеханического обнаружения неисправностей¹². Zhu et al. предложили новый мультимодельный метод обнаружения неисправностей адаптивной оценки, основанный на адаптивных фильтрах ядра, который реализует оценку реального значения состояния полета и обнаружение неисправностей привода в режиме онлайн с хорошей производительностью¹³.

Ссылаясь на предыдущие исследования, были разработаны соответствующие методы обнаружения неисправностей. Сопротивление обмоток резко изменяется при возникновении электрических неисправностей, таких как обрыв цепи или короткое замыкание. Поэтому был разработан адаптивный фильтр на основе алгоритма NLMS для определения сопротивления обмоток, который может определить, произошла ли электрическая неисправность. Сочетание адаптивного фильтра с алгоритмом NLMS для минимизации изменения вектора параметров приводит к лучшему и более быстрому эффекту сходимости¹⁴. Для неисправностей гидроагрегата предложен алгоритм оценки частоты вращения, основанный на четкой аналитической зависимости между частотой вращения насоса и положением исполнительного цилиндра. Гидравлические неисправности EHA были обнаружены в режиме онлайн путем сравнения расчетной скорости вращения с фактической скоростью в режиме реального времени.

В данной работе был принят метод испытаний, сочетающий моделирование и эксперименты. Сначала была построена математическая модель ЭГА, а также выполнено моделирование предложенного метода обнаружения неисправностей. Моделирование включало проверку методов обнаружения в условиях отсутствия неисправностей и впрыска неисправностей. Затем метод обнаружения неисправностей был реализован в реальном сервоконтроллере. Наконец, результаты моделирования и экспериментов были проанализированы и сравнены для оценки эффективности метода обнаружения неисправностей.