基于殘差向量的船用液壓系統健康狀態評估方法研究

錢 超，李 偉，喻志成，尹偉偉，湯 華

(1.海軍工程大學，湖北 武漢 430033；2.海軍航空工程學院，山東 煙臺 264001；3.92474部隊，海南 三亞 572000；4.902廠，上海 200030)

基于殘差向量的船用液壓系統健康狀態評估方法研究

錢 超1，李 偉2，喻志成3，尹偉偉4，湯 華4

(1.海軍工程大學，湖北 武漢 430033；2.海軍航空工程學院，山東 煙臺 264001；3.92474部隊，海南 三亞 572000；4.902廠，上海 200030)

針對船用液壓系統健康狀態評估問題，提出了一種基于殘差向量的動態評估方法，設計了基于殘差向量的基本評估原理，研究了系統建模方法、殘差生成方法、殘差分析方法和健康度計算方法，并結合示例，構建了具體模型、殘差與故障映射關系，最終評估液壓系統的歸一化健康度指標，方法可為開展液壓系統故障診斷與預測提供參考。

液壓系統；狀態評估；殘差

1 方法設計

針對液壓系統的狀態評估問題，本文提出了一種基于殘差向量的液壓系統健康狀態評估方法，其評估原理如圖1所示，主要包括4個過程[1-3]。

圖1 基于觀測模型的健康狀態評估原理圖

1)系統建模。構建液壓系統解析模型是該方法的核心，利用液壓系統各元件之間的流量特性、壓力特性和控制特性建立系統狀態觀測模型，模型中的變量包括電流、油液壓力、流量、溫度，以及機械位移、轉速、加速度等，包含的變量根據系統的具體情況、健康評估目標和其他約束條件具體而定。由于液壓系統往往表現為非線性特征，在建立狀態觀測模型時，根據情況確定觀測模型的形式。

2)殘差生成。根據輸入信號的編號觀測傳感器采集信號的變化，同時將采集信號與觀測模型的理論輸出進行比較，形成殘差。當殘差為0時表示系統健康；當殘差不為0時，用殘差向量表示[4]。

3)殘差向量分析。對得到的殘差向量進行分析，根據殘差向量的不同特征判斷液壓系統的故障情況，包括故障類型、故障位置等。殘差向量狀態的不同，代表故障模式的不同，殘差向量中的不同元素，對不同故障的診斷貢獻也不同，可以利用加權法進行故障診斷。

4)健康度計算。對殘差向量，按照對應故障的重要度、危害性和發生頻率進行權值分配，最后計算出歸一化的健康度，用來表征整個液壓系統的健康狀態。

2 液壓系統建模

系統建模是一項復雜工程，特別是對于非線性的復雜液壓系統難以建立清晰的數學模型，對于液壓系統中局部環節的監測和評估可以利用建立的數學模型進行解算。液壓系統回路由液壓缸、節流閥、單向閥、換向閥和動力源組成，如圖2所示。利用前述研究內容，可以建立4個壓力傳感器對系統監測[5-6]。

圖2 液壓系統健康狀態評估示例

正常情況下，液壓系統負載產生的壓力經過液壓缸、調速閥、液控單向閥和換向閥向上傳遞，相互之間存在關聯關系，通過解析元件的壓力傳遞函數便可以建立各點壓力的計算模型。以液壓缸向右運動的過程進行監測為例，系統建立的模型如下。

1)液壓缸的流量狀態方程如式(1)所示，受力平衡方程如式(2)所示。

(1)

(2)

2)節流閥的流量狀態方程如式(3)所示。

(3)

式中：q2為節流閥流量；Cj為流量系數；ρ為油液密度；p2和p1分別表示節流閥進出口壓力；Aj為節流閥通流面積，由式(4)計算得到。

Aj=Kju，

(4)

式中：Kj為調定量與通流面積的關系系數；u為節流閥調定量。

3)液控單向閥的流量狀態方程與式(3)相似，可表示為式(5)所示。

(5)

式中：q3為單向閥流量；Cd為流量系數；p2和p3分別表示節流閥進出口壓力；Ad為液控單向閥通流面積，由式(6)或式(7)計算得到。

Ad=K1p3，

(6)

式中：K1為控制壓力與通流面積的關系系數，用于在單向閥正向開啟時計算。

Ad=K2p4，

(7)

式中：K2為控制壓力與通流面積的關系系數，用于在液控開啟反向流動時計算。

4)表示液壓缸出口壓力，由回油路沿程壓力損失和流經換向閥或其他部位的局部壓力損失累加所得，一般較小。沿程壓力損失和其他部位局部壓力損失完全可以根據實際管路狀況進行建模計算。如果忽略沿程壓力損失，流經換向閥的局部壓力損失可用式(8)表示。

(8)

式中：ζ表示換向閥出油口局部阻力系數；v表示油的流速。

以上各式中流量和流速均可由活塞桿運動速度計算得到。不考慮泄露情況下流量各處相等，泄露狀態可在故障識別過程中分析得到。

3 殘差與故障映射關系分析

通過對圖2所示液壓系統分析，殘差向量狀態與故障模式的關聯關系如表1所示，殘差向量的分量初步表征了一些故障，通過聯合作用便可以進一步定位故障，且殘差值偏離越大則表征故障狀態越嚴重，即健康度較低。

表1 殘差—故障關系表

4 權重分配與健康度計算

在層次化健康狀態評估過程中，元件或子系統對上一級系統的影響力需要權重表征，即便對于一個底層的元件，不同監測參數也存在不同的權重系數，因此，合理的權重分配，對于準確實施健康狀態評價非常重要。

權重分配可以按照物理模型進行理論分析，但是難度非常大，尤其是對于艦艇導彈發射裝置這類復雜系統，比較可行的方法是利用專家知識和經驗，通過專家調查和專家群評分來確定權重分配方案，得到權重向量空間。

首先需要設計專家調查表，按照劃分的裝備層次結構和可靠性關系圖，列出所有調查項的評分條件，由專家進行評分。根據收回的專家評分表，進行綜合分析，確定權重向量空間。如果無法利用分數的形式給出每個單元的權重，也可以采用相對重要度的調查方法，通過比較兩兩之間的相對重要性，給出數據，然后經過后續的模型算法處理，得到權重向量。同樣以起豎液壓系統為例，設計專家直接打分法調查表，對液壓泵、過濾器、溢流閥、換向閥、平衡閥、分流集流閥、液控單向閥、單向節流閥健康度進行評分。設計專家相對重要性評分調查表，對液壓泵、過濾器、溢流閥、換向閥、液控單向閥、單向節流閥、液壓缸兩兩之間的相對重要度進行評分，并得出相對重要性賦值。賦值1,1，表明同樣重要；賦值1,3，表明稍微重要；賦值1,5，表明明顯重要；賦值1,7，表明強烈重要；賦值1,9，表明極端重要；賦值1,2/4/6/8，表明為插值。

事實上，對于艦艇導彈發射裝置這類復雜的系統，采用相對重要度的調查方式更可行。在得到專家打分結果后，則可以建立兩兩判斷矩陣V=(vij)n×n，vij表示第i個項目對第j個項目的相對重要性標度，其中vij具有式(9)所示性質。

(9)

其中：k為2個相對重要度評分的比值，如1/3，1/5和1/9等。

首先對判斷矩陣，按照式(10)進行一致性判定。

(10)

式中：D為8×8矩陣，d=[d1,d2,…,d8]為給定模型，如果經判定不滿足一致性，則將矩陣進行適當修改后重新判斷，直到滿足為止。最后進行權重求解，得到滿足條件的一組解λ=[λ1,λ2,…,λ8]，作為分層次健康狀態評估的權重向量。

另外，還要根據專家可信度對多位專家同時打分的結果進行優化，專家可信度的評判是依靠歷史評價結果，同時根據本次打分進行修正，針對本次打分，將多位專家打分結果進行相似性和差異性評估，根據某個專家的相似性與差異性計算專家可信度。

(11)

式中：ωk表示第k位專家的可信度；m表示專家數量；u(k)和δ(k)表示第k位專家的相似性與差異性。

最后根據所有專家的可信度和其評分數據進行綜合權重計算，并對權重系數進行歸一化處理，使權重系數之和為1。

運用上述方法，對輪式導彈發射車進行全面的分析，便可以得到一個依據專家知識定義的權重向量空間，為實現分層次健康狀態評估奠定基礎。

另外，系數向量w=[w1,w2,w3,w4]根據信號重要度的評分得出，所研究的液壓系統健康度H可以表示為式(12)所示。

(12)

5 結束語

通過原理設計、系統建模、殘差生成、殘差分析和健康度計算等方法的研究，設計了一種基于殘差向量的健康狀態評估方法，最終評估液壓系統的歸一化健康度指標。結合液壓系統示例構建了具體模型、殘差與故障映射關系，為開展液壓系統狀態評估提供了一種可行的手段。

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In order to solve the problem of the health condition assessment of marine hydraulic system,a dynamic assessment method is put forward and its principle is designed with modeling method,the residual generation,analysis method and the health degree calculation method studied.With an example,the specific model and the mapping relationship between residual and fault of the hydraulic system are built to assess the normalized index of health degree,which can provide the reference for the fault diagnosis and prediction.

hydraulic system;condition assessment;residual

國家部委預研基金項目(9140A27020214)

錢 超(1978-)，男,湖北武漢人，工程師,碩士，研究方向為裝備綜合保障工程管理。

TH137.1

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.03.015

2016-12-16