綜合傳動裝置一體化模型評價與驗證研究

周 銳，蔣覺義，喬 麗

(1.中國航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028；2.中國北方車輛研究所 車輛傳動重點實驗室，北京 100072)

0 引言

綜合傳動裝置作為裝甲車輛的核心組成單元，安裝在裝甲車輛動力艙中，為車輛提供直駛變速、轉(zhuǎn)向、制動、壓氣機(jī)驅(qū)動、風(fēng)扇驅(qū)動等功能，其運行的健康狀態(tài)直接影響裝甲車輛的任務(wù)可靠性水平。作為故障檢測和控制的常用手段，建模分析已廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶和武器裝備等領(lǐng)域[1]。然而故障發(fā)現(xiàn)模型和控制策略模型通常被設(shè)計成獨立的兩個模型，缺乏對故障發(fā)現(xiàn)時的應(yīng)激控制[2]。喬麗[3]等已經(jīng)針對裝甲車輛綜合傳動裝置典型的機(jī)械類、電子類故障的發(fā)現(xiàn)與控制，建立基于性能的故障發(fā)現(xiàn)/控制一體化模型，該模型將綜合傳動的功能，故障發(fā)現(xiàn)和控制耦合一體。準(zhǔn)確合理的一體化模型可以在綜合傳動裝置研制過程提高測試性和可靠性，而模型的驗證和評價是保證建模精確的重要手段[4-5]。本文針對綜合傳動裝置故障發(fā)現(xiàn)/控制一體化模型的評價與驗證，建立模型的評價指標(biāo)體系，研究模型驗證的方法和流程。

1 綜合傳動裝置一體化模型概述

1.1 綜合傳動裝置

綜合傳動裝置為典型機(jī)電液系統(tǒng)，安裝在車輛動力艙中，為整車提供直駛變速、轉(zhuǎn)向、制動、風(fēng)扇驅(qū)動等功能，具有手自一體換擋功能和中心轉(zhuǎn)向功能。如圖1所示，國外模型坦克的動力傳動示意圖，其通過變速機(jī)構(gòu)，為整車提供不同的前進(jìn)和倒退速度，通過采用聯(lián)體泵馬達(dá)、實現(xiàn)純靜液無極調(diào)速，滿足轉(zhuǎn)向功能需求；采用液粘調(diào)速離合器為冷卻風(fēng)扇提供動力，降低動力艙溫度應(yīng)力；采用液機(jī)聯(lián)合制動方式，通過液力減速器實現(xiàn)穩(wěn)定可靠制動。

圖1 綜合傳動裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 模型要素

根據(jù)綜合傳動裝置的結(jié)構(gòu)和原理，利用Stateflow對其進(jìn)行仿真建模。Stateflow是有限狀態(tài)機(jī)的圖形實現(xiàn)工具，有采用圖形建模的方式構(gòu)建層次化的、并行工作的狀態(tài)，以及各狀態(tài)之間由事件驅(qū)動的邏輯遷移關(guān)系[6-7]。一體化模型結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示，其主要包括綜合傳動功能模型、故障發(fā)現(xiàn)模型和故障控制模型[8-9]。

圖2 一體化模型

1.2.1 功能模型

以法國ESM500為原型建立一體化模型，其動力原理如圖3所示。首先建立綜合傳動裝置的功能模型，將發(fā)動機(jī)，變速機(jī)構(gòu)，液力變矩器和傳輸路線等功能結(jié)構(gòu)用圖形邏輯的形式進(jìn)行仿真，實現(xiàn)綜合傳動的基本功能；然后根據(jù)FMEA分析的故障清單，調(diào)整模型參數(shù)和修改控制信號，實現(xiàn)故障的注入。功能模型仿真的綜合傳動主要功能有直駛變速功能，轉(zhuǎn)向功能，制動功能，風(fēng)扇驅(qū)動和故障注入[10]。

圖3 EMS500綜合傳動裝置示意圖

1)直駛變速功能:ESM500綜合傳動裝置通過4前1倒變速機(jī)構(gòu)，為整車提供不同的前進(jìn)和倒退速度。其功能由前傳動、液力變矩器和行星變速機(jī)構(gòu)共同完成，傳遞到主軸上實現(xiàn)。所以其功能要素包括發(fā)動機(jī)輸入轉(zhuǎn)速，前傳動輸出轉(zhuǎn)速，行星變速機(jī)構(gòu)傳動比，車速，檔位和變速能力。

2)轉(zhuǎn)向功能:綜合傳動裝置通過采用聯(lián)體泵馬達(dá)實現(xiàn)純靜夜無極調(diào)速，滿足轉(zhuǎn)向功能。其功率流向為經(jīng)輸入軸主動齒輪，一部分通過被動直齒輪、主動錐齒輪和被動錐齒輪驅(qū)動泵組給液壓操縱系統(tǒng)供油，同時傳感器監(jiān)測的信號和油門開度等也會去控制液壓操縱系統(tǒng)的動作，另一部分功率流(轉(zhuǎn)向流)由前傳動的兩個主齒輪、被動齒輪帶動聯(lián)體泵馬達(dá)，再由馬達(dá)傳至兩側(cè)匯流排太陽輪，轉(zhuǎn)向時，零軸帶動匯流排太陽輪轉(zhuǎn)動，使兩側(cè)減速器及主動輪產(chǎn)生差速或旋轉(zhuǎn)反向，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。根據(jù)功能實現(xiàn)的過程，功能要素包括：油壓、油溫、馬達(dá)轉(zhuǎn)速、傳感器參數(shù)和減速器狀態(tài)。

3)制動功能:車輛的制動可以由變速箱切斷動力和利用制動器的反向力矩吸收動能來實現(xiàn)。因此其功能要素包括車速，變速箱傳動狀態(tài)和制動器力矩。

4)風(fēng)扇驅(qū)動:傳動裝置對于冷卻風(fēng)扇的驅(qū)動，通過前動力裝置將功率傳輸?shù)斤L(fēng)扇粘液離合器最后控制風(fēng)扇驅(qū)動。其功能要素包括前動力裝置輸出功率、風(fēng)扇控制參數(shù)和風(fēng)扇粘液離合器參數(shù)。

5)故障注入:據(jù)統(tǒng)計，裝甲車輛多個系列的綜合傳動裝置在臺架和實車試驗過程中暴露出很多的故障問題，數(shù)量約70多項，主要的故障是機(jī)械類的，如：操縱壓力超限、油濾報警、溫度超限、轉(zhuǎn)速(或速比)異常、油液滲漏、液位異常、扭矩過載、異常噪聲、擋位錯亂、功能失效(無轉(zhuǎn)向、無檔位等)、電控/測試單元節(jié)點掉線、傳感器信號無輸出、電控/測試單元電源模塊無電壓輸出。

模型的故障注入關(guān)鍵要素包括：故障模式、故障位置、故障原因及注入方法、嚴(yán)酷等級、影響及傳播途徑。例如機(jī)械類故障中的輔助傳動主齒輪斷齒，故障原因為疲勞或強(qiáng)度不足，故障位置發(fā)生在輔助傳動模塊，故障影響和傳播途徑為動力無法傳遞、輔助傳動中斷和無法轉(zhuǎn)向，嚴(yán)酷等級Ⅱ，據(jù)此注入方式為輔助傳動模塊中的傳動比為0，其stateflow編寫如圖4所示。

圖4 輔助傳動主齒輪斷齒故障注入

1.2.2 故障發(fā)現(xiàn)模型

故障的發(fā)現(xiàn)模型是在系統(tǒng)模型建立和故障注入完成的基礎(chǔ)上，通過對不同工況下模型仿真運行的測試參數(shù)和性能進(jìn)行分析，是否能發(fā)現(xiàn)注入的故障模式。因此根據(jù)測試運行和對故障的識別算法，故障發(fā)現(xiàn)模型的要素包括：測試性參數(shù)(測點，測試策略和測試性輸出)，故障的發(fā)現(xiàn)率，故障識別準(zhǔn)確率等。

1.2.3 故障控制模型

故障的發(fā)現(xiàn)是基于故障的檢測，而故障控制的研究則還需要在故障隔離于診斷的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的控制規(guī)則的制訂。需要在故障傳遞的基礎(chǔ)上，自下而上地形成可以層層遞推的故障診斷邏輯。

研究故障診斷邏輯就需要進(jìn)行基于系統(tǒng)運行狀態(tài)正常/故障的狀態(tài)模型來更好地表達(dá)其故障的傳遞關(guān)系。故障控制的基本思想是：不斷接收系統(tǒng)狀態(tài)及性能參數(shù)的變化，“認(rèn)識”或“掌握”系統(tǒng)當(dāng)前真實運行狀況，與對應(yīng)任務(wù)剖面/運行工況下的期望目標(biāo)相比較，從而改變故障控制的結(jié)構(gòu)、參數(shù)或根據(jù)自適應(yīng)的規(guī)律改變故障控制的作用，保證系統(tǒng)在故障發(fā)現(xiàn)后及時故障切換與處理，避免任務(wù)失敗，保證系統(tǒng)運行在某種意義下最優(yōu)或次優(yōu)的狀態(tài)。通過對反映輸出量大小的誤差信號的測量，獲得需要校正的輸出響應(yīng)量的信息，然后將其轉(zhuǎn)換為對控制輸入的校正量，最后通過修改自適應(yīng)律進(jìn)行故障控制規(guī)則的校正。

例如，現(xiàn)在的綜合傳動裝置多采用電液自動操縱系統(tǒng)，根據(jù)車速等參數(shù)的變化來選擇擋位和執(zhí)行換擋操縱動作，同時對于渦速等信號的監(jiān)測來控制液力變矩器的解鎖和閉鎖，以降低換擋過程的沖擊或提高傳動系統(tǒng)的效率。因此，參與控制的車速和渦速信號對于車輛的平穩(wěn)運行有著至關(guān)重要的作用。基于以上原因，現(xiàn)在綜合傳動裝置對于車速和渦速信號進(jìn)行雙余度備份監(jiān)測和存儲設(shè)計，以保證車輛的正常行駛。

2 評價指標(biāo)體系的建立

模型的評價主要是通過模型的功能需求分析、輸出特征分析，對模型的建立的正確性和功能性進(jìn)行評價。對于模型評價指標(biāo)體系的建立，首先根據(jù)分析模型的功能需求，得到評價的指標(biāo)集，再選擇合適的體系結(jié)構(gòu)，建立起模型評價指標(biāo)體系。

2.1 模型的功能需求

通過對綜合傳動裝置系統(tǒng)模型的各個模塊要素分析，獲取故障發(fā)現(xiàn)模型和故障控制模型的功能需求，為評價指標(biāo)的提出打下基礎(chǔ)。

2.1.1 故障發(fā)現(xiàn)模型功能需求

1)數(shù)據(jù)輸入功能：該模型需求能夠接受實測數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的輸入，包括正常數(shù)據(jù)及異常數(shù)據(jù)。

2)故障注入功能：在功能模型的系統(tǒng)架構(gòu)上，需要能夠仿真注入各種故障，為后續(xù)的故障發(fā)現(xiàn)和控制提供驅(qū)動。

3)故障檢測功能：作為模型的主要功能， 需要能從數(shù)據(jù)中檢測到模型中的故障，提出告警。

4)故障隔離功能：檢測到故障信息后，需要對故障進(jìn)行隔離定位，為診斷和控制提供輸入。

5)信號輸出功能：故障的檢測結(jié)果需要傳輸出去，若隔離成功后還需傳輸給控制模型。

2.1.2 故障控制模型功能需求

控制策略生成功能：當(dāng)發(fā)現(xiàn)模型檢測并隔離出故障后，控制模型接收信號，生成故障的控制策略。

控制操縱功能：控制策略生成后，模型需要通過信號傳遞、參數(shù)調(diào)整等行為執(zhí)行控制策略，緩解故障。

2.2 模型評價指標(biāo)集

通過模型的功能需求分析，針對功能模塊、故障發(fā)現(xiàn)模塊和故障控制模塊各具體需求，提出對應(yīng)的指標(biāo)參數(shù)，形成指標(biāo)集能夠評價模型的功能性，準(zhǔn)確性和可靠性。如表1所示。

表1 指標(biāo)集

2.3 模型的評價指標(biāo)體系

2.3.1 指標(biāo)體系構(gòu)型的確立

圖5 系統(tǒng)模型的評價指標(biāo)體系

根據(jù)功能需求選取到指標(biāo)參數(shù)后，需要選擇指標(biāo)體系的構(gòu)型。常用的模型評價指標(biāo)體系構(gòu)型分為三類，分別是：網(wǎng)狀指標(biāo)體系、層次化指標(biāo)體系、層次網(wǎng)指標(biāo)體系。網(wǎng)狀指標(biāo)體系將指標(biāo)集分布于同一維平面之中；層次化指標(biāo)體系把復(fù)雜的問題分解為一個個小問題，每一問題稱為一個元素，然后對于每一個元素根據(jù)隸屬關(guān)系，繼續(xù)分解，直至最低層元素可以相對容易地度量為止，即形成了一個遞進(jìn)層次結(jié)構(gòu)；層次網(wǎng)指標(biāo)體系是一種將網(wǎng)狀與層次化構(gòu)型相結(jié)合的表現(xiàn)形式。

網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的指標(biāo)體系將指標(biāo)平鋪在一個平面內(nèi)，簡潔易懂，但對于由多個分系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)組成的復(fù)雜系統(tǒng)來說，單一平面內(nèi)展開指標(biāo)集，關(guān)系過于復(fù)雜，深度上的聯(lián)系無法很好地表達(dá)；相反，層狀結(jié)構(gòu)的指標(biāo)集結(jié)構(gòu)適合于多層次結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，指標(biāo)逐層傳遞；因此針對綜合傳動這樣復(fù)雜的多分系統(tǒng)機(jī)電液耦合結(jié)構(gòu)，采用層次網(wǎng)狀指標(biāo)體系最為合適，即可逐層表述各分部的指標(biāo)聯(lián)系，又可在同一層次平面展開獨立分部的指標(biāo)關(guān)聯(lián)，使得指標(biāo)體系更為清晰、立體和完備。綜合3.2節(jié)的指標(biāo)參數(shù)選擇和層次網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的選定，建立起綜合傳動一體化模型綜合評價指標(biāo)體系，如圖5所示。

2.3.2 指標(biāo)計算方法

基于模型仿真運行中采集的數(shù)據(jù)和模型結(jié)構(gòu)參數(shù)，如模型自身端口數(shù)等，給出各項指標(biāo)的計算方法，見表2。

3 模型驗證方法

3.1 整體評價流程

模型評價工作流程如圖6所示，在Simulink/Stateflow建立好的功能模型、故障發(fā)現(xiàn)模型和故障控制模型，將實測數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)輸入到模型中，對模型進(jìn)行驗證。輸入模型中的數(shù)據(jù)分為兩類：正常狀態(tài)數(shù)據(jù)和異常狀態(tài)數(shù)據(jù)。其中，正常狀態(tài)數(shù)據(jù)用于驗證功能模型，包括綜合傳動的功能實現(xiàn)，部件間信號的傳遞征程和驗證模型仿真正常操縱的準(zhǔn)確性。異常數(shù)據(jù)用于故障發(fā)現(xiàn)模型和故障控制模型的驗證，包括模型檢測故障能力，驗證模型故障注入是否正確，驗證故障隔離是否準(zhǔn)確，以及驗證模型對于故障的控制反應(yīng)，其操縱是否緩解了故障。模型驗證完后，將產(chǎn)生的參數(shù)進(jìn)行計算，得到指標(biāo)集，根據(jù)選擇的層次網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)搭建指標(biāo)體系，最后經(jīng)過評價方法得到模型評價結(jié)果。

表2 指標(biāo)計算方法

續(xù)表2

類別指標(biāo)名稱解釋說明及計算方法小值;S表示嚴(yán)重性,且stability=1-∫10(CH(s)-CL(s))2ds檢測敏感性一個診斷系統(tǒng)應(yīng)該檢測工作狀態(tài)全程(如載荷、速度、噪聲、任務(wù)循環(huán)等)的異常。該指標(biāo)度量一個診斷工具在兩種狀態(tài)水平下的成功函數(shù)的差異,公式如下:狀態(tài)敏感性=1-∫10(C1(s)-C2(s))2ds式中,C1(s)表示狀態(tài)1下的成功函數(shù);C2(s)表示狀態(tài)2下的成功函數(shù);S表示嚴(yán)重性。檢測時間數(shù)據(jù)輸入到模型至給出檢測結(jié)果的響應(yīng)時間故障隔離隔離準(zhǔn)確率成功隔離故障個數(shù)與系統(tǒng)實際故障數(shù)的比率隔離時間數(shù)據(jù)輸入到模型至給出故障隔離結(jié)果的時間控制模型控制策略策略生成時間故障被發(fā)現(xiàn)至故障控制策略生成的時間策略覆蓋率模型可以生成控制策略的故障個數(shù)與故障總數(shù)比率故障緩解率故障得到緩解的策略個數(shù)與系統(tǒng)故障總數(shù)比率控制執(zhí)行控制響應(yīng)時間故障控制策略生成至操縱信號傳出的時間控制完成時間操縱信號輸出至控制完成時間執(zhí)行成功率控制策略執(zhí)行完成個數(shù)與生成策略個數(shù)比率,表示策略執(zhí)行是否通暢

圖6 模型評價與驗證流程

3.2 模型驗證與評價具體工作

3.2.1 數(shù)據(jù)輸入

在模型中通過修改控制信號、輸入/輸出信號的形式，對典型的故障進(jìn)行模擬，驗證故障模式傳遞是否準(zhǔn)確，故障是否發(fā)現(xiàn)并正確地進(jìn)行了故障控制。為提高仿真的真實性，故障發(fā)現(xiàn)、控制的狀態(tài)模型仿真的輸入數(shù)據(jù)為實車測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲模塊中的后臺存儲數(shù)據(jù)。通過專用的裝甲車輛數(shù)據(jù)監(jiān)測軟件可將存儲于存儲模塊中的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，作為后續(xù)仿真的輸入可用數(shù)據(jù)。

選取的實車數(shù)據(jù)可以分為兩類：一類為正常狀態(tài)數(shù)據(jù)，其記錄了功能正常狀態(tài)下的各種狀態(tài)信息，例如車輛運行狀態(tài)及工況，傳感器采集數(shù)據(jù)，操控數(shù)據(jù)。這類數(shù)據(jù)通過模型端口輸入，可以檢驗?zāi)Ｐ徒⑹欠裢暾δ苣Ｐ褪欠駵?zhǔn)確，功率動力傳遞是否正確，控制信號傳輸是否暢通以及控制操作是否準(zhǔn)確實現(xiàn)；另一類是異常數(shù)據(jù)，其包含了故障信息。將異常數(shù)據(jù)輸入到模型中可以檢測故障發(fā)現(xiàn)模型是否準(zhǔn)確，即準(zhǔn)確識別出異常數(shù)據(jù)中的故障，以及故障控制模型對于故障減緩、應(yīng)對是否準(zhǔn)確及時。

3.2.2 功能模型驗證

操縱數(shù)據(jù)傳入到系統(tǒng)模型中，需對綜合傳動裝置的正常項目在模型中驗證。驗證的工作項目包括：1)直駛變速功能;2)轉(zhuǎn)型功能;3)制動功能;4)風(fēng)扇驅(qū)動功能。

驗證功能實現(xiàn)的準(zhǔn)確率，操縱響應(yīng)以及各模塊信號傳遞是否正常，并根據(jù)指標(biāo)清單和計算方法形成指標(biāo)參數(shù)。

3.2.3 故障模型驗證

首先輸入歷史數(shù)據(jù)中的已知故障數(shù)據(jù)對故障注入功能進(jìn)行驗證，通過比對真實故障數(shù)據(jù)響應(yīng)和仿真注入故障的特征響應(yīng)，驗證故障注入是否成功，并計算出相關(guān)指標(biāo)。

然后輸入異常數(shù)據(jù)驗證故障發(fā)現(xiàn)模型和控制模型。針對發(fā)現(xiàn)模型，需要通過判斷模型是否能夠檢測到異常狀態(tài)并實現(xiàn)故障隔離定位，以及檢測隔離是否及時。針對控制模型，需要在故障隔離后，模型給出相對應(yīng)的控制策略，并成功傳輸出信號或調(diào)節(jié)模型的參數(shù)，實現(xiàn)形成的控制策略。最后根據(jù)驗證結(jié)果，計算出相關(guān)部分的指標(biāo)參數(shù)。

3.2.4 指標(biāo)體系形成和評價

對照指標(biāo)計算方法中所提參數(shù)收集驗證過程中的仿真數(shù)據(jù)和結(jié)果，根據(jù)表2的方法計算的指標(biāo)參數(shù)，搭建起圖4所示的綜合傳動裝置系統(tǒng)模型的指標(biāo)體系，并完成最終評價。

4 總結(jié)

本文針對綜合傳動裝置系統(tǒng)一體化建模進(jìn)行了分析，得到了其各分模型的功能要素和主要的功能需求，包括功能實現(xiàn)模型，故障模型(注入與發(fā)現(xiàn))和故障控制模型。概述了模型的功能、結(jié)構(gòu)組成和主要性能參數(shù)。基于模型的結(jié)構(gòu)、建模過程和功能需求提出了一套由24個參數(shù)構(gòu)成的指標(biāo)集，并按照層次網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)篩選后搭建起系統(tǒng)的評價指標(biāo)體系。該體系能夠較為全面系統(tǒng)地評價模型建立，運行和仿真的準(zhǔn)確性、可靠性和響應(yīng)能力。最后給出了一體化系統(tǒng)的整體評價流程，細(xì)分為數(shù)據(jù)輸入驗證，功能模型驗證，故障模型驗證和指標(biāo)體系形成和評價的四項工作，可以為仿真模型的評價和驗證提供參照。