留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于键合图模型的SHA/EMA余度系统的故障诊断

刘宏飞 于黎明 张柱 阎旭栋 韩旭东

刘宏飞, 于黎明, 张柱, 等 . 基于键合图模型的SHA/EMA余度系统的故障诊断[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(4): 760-768. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0150
引用本文: 刘宏飞, 于黎明, 张柱, 等 . 基于键合图模型的SHA/EMA余度系统的故障诊断[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(4): 760-768. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0150
LIU Hongfei, YU Liming, ZHANG Zhu, et al. Fault diagnosis for SHA/EMA redundant system based on bond graph model[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2019, 45(4): 760-768. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0150(in Chinese)
Citation: LIU Hongfei, YU Liming, ZHANG Zhu, et al. Fault diagnosis for SHA/EMA redundant system based on bond graph model[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2019, 45(4): 760-768. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0150(in Chinese)

基于键合图模型的SHA/EMA余度系统的故障诊断

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0150
基金项目: 

国家自然科学基金 51275021

详细信息
    作者简介:

    刘宏飞  男, 硕士研究生。主要研究方向:作动系统故障诊断; 于黎明, 女, 博士, 教授, 硕士生导师。主要研究方向:有人驾驶飞机飞行操纵系统优化设计

    于黎明  女,博士,教授,硕士生导师。主要研究方向:有人驾驶飞机飞行操纵系统优化设计

    张柱  男, 硕士研究生。主要研究方向:作动系统控制算法及能量优化

    阎旭栋  男, 硕士研究生。主要研究方向:作动系统控制器设计

    韩旭东  男, 硕士研究生。主要研究方向:作动系统故障诊断

    通讯作者:

    于黎明, E-mail: yuliming@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: V240.2;TP202

Fault diagnosis for SHA/EMA redundant system based on bond graph model

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 51275021

More Information
  • 摘要:

    针对液压伺服作动器(SHA)和机电作动器(EMA)组合的余度系统中故障模式复杂的问题,采用基于键合图模型的故障诊断方法,可以诊断出系统中多种参数故障。首先建立SHA/EMA余度系统的行为模型,然后根据因果关系倒置法转换成诊断键合图模型,进而推导出计算残差的解析冗余关系式(ARR),并创建故障特征矩阵(FSM)作为故障隔离的依据。联立行为模型和诊断模型对可隔离故障进行诊断,并通过ARR估计故障参数以诊断不可隔离故障。选取典型故障进行仿真验证,结果表明可隔离故障和不可隔离故障均被成功隔离,验证了所提方法对SHA/EMA余度系统的故障诊断是有效可行的。

     

  • 图 1  SHA/EMA余度系统的原理图

    Figure 1.  Schematic diagram of SHA/EMA redundant system

    图 2  SHA/EMA余度系统的键合图模型

    Figure 2.  Bond graph model of SHA/EMA redundant system

    图 3  SHA/EMA余度系统的开环输出力曲线

    Figure 3.  Curves of open-loop output force of SHA/EMA redundant system

    图 4  SHA/EMA余度系统的开环位移曲线

    Figure 4.  Curves of open-loop displacement of SHA/EMA redundant system

    图 5  SHA/EMA余度系统的诊断键合图模型

    Figure 5.  Diagnostic bond graph model of SHA/EMA redundant system

    图 6  SHA/EMA余度系统的故障诊断仿真模型

    Figure 6.  Simulation model for fault diagnosis of SHA/EMA redundant system

    图 7  SHA/EMA余度系统无故障时的残差曲线

    Figure 7.  Residual curves of SHA/EMA redundant system without fault

    图 8  液压缸内泄漏故障的残差曲线

    Figure 8.  Residual curves of internal leakage fault in hydraulic cylinder

    图 9  滚柱丝杠失步故障的残差曲线

    Figure 9.  Residual curves of out-of-step fault in roller screw

    图 10  电液伺服阀内泄漏故障的参数估计

    Figure 10.  Parameter estimation of internal leakage fault in electro-hydraulic servo valve

    图 11  滚柱丝杠卡死故障的参数估计

    Figure 11.  Parameter estimation of jamming fault in roller screw

    表  1  SHA/EMA余度系统的仿真参数

    Table  1.   Simulation parameters of SHA/EMA redundant system

    仿真参数 数值
    电液伺服阀流量增益Kq/(m2·s-1) 2.7
    电液伺服阀流量-压力系数Kc/((m3·s-1)·Pa-1) 1.75×10-11
    电液伺服阀电流增益Kv/(m·A-1) 1.52×10-4
    液压缸的液容效应Chj/(Pa·m-3) 4.59×10-14
    液压缸内泄漏Ril/(Pa·(m3·s-1)-1) 5.0×1011
    液压缸活塞的有效面积Ah/m2 1.47×10-3
    液压缸等效黏性阻尼Bh/(N·s·m-1) 10 000
    液压缸活塞上等效质量mh/kg 55
    舵面与活塞杆连接刚度K2/(N·m-1) 1.0×108
    舵面等效质量mr/kg 600
    电机输入电压U/V 40
    电机电枢电感Lw/H 0.002 5
    电机电枢电阻Rw 1.5
    电机电磁力矩常数Km/(N·m·A-1) 0.2
    电机-滚柱丝杆转动惯量Jm/(kg·m2) 0.001 2
    电机转子轴启动摩擦转矩Se/(N·m) -0.01
    轴承摩擦系数fm/((N·m·s)·rad-1) -0.000 4
    滚柱丝杠导程P/m 0.002 54
    滚柱丝杠连接刚度Ks/(N·m-1) 3×108
    舵面与滚柱丝杠连接刚度K1/(N·m-1) 1.0×108
    丝杠上等效质量m/kg 1
    滚柱滚柱丝杠黏性摩擦系数fr/((N·m·s)·rad-1) 1×104
    舵面负载力Fl/N -10 000
    下载: 导出CSV

    表  2  SHA/EMA余度系统的故障特征矩阵

    Table  2.   FSM of SHA/EMA redundant system

    参数 rf1 rf2 re1 rf3 re2 re3 rf4 re4 Db Ib
    Lw 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0
    Rw 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0
    Km 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1
    fm 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0
    fr 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0
    r 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1
    Ks 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1
    Kq 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0
    Kc 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0
    Chj 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0
    Ril 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1
    Ah 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1
    Bh 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1
    下载: 导出CSV
  • [1] 范殿梁, 付永领, 郭彦青, 等.非相似余度作动系统动态力均衡控制策略[J].北京航空航天大学学报, 2015, 41(2):234-240. http://bhxb.buaa.edu.cn/CN/abstract/abstract13154.shtml

    FAN D L, FU Y L, GUO Y Q, et al.Dynamic force equalization for dissimilar redundant actuator system[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2015, 41(2):234-240(in Chinese). http://bhxb.buaa.edu.cn/CN/abstract/abstract13154.shtml
    [2] 王少萍.工程可靠性[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2000:103-104.

    WANG S P.Engineering reliability[M].Beijing:Beihang University Press, 2000:103-104(in Chinese).
    [3] GAWTHROP P J, BEVAN G P.Bond-graph modeling[J]. IEEE Control Systems, 2007, 27(2):24-45. doi: 10.1109/MCS.2007.338279
    [4] AROGETI S A, WANG D, CHANG B L, et al.Fault detection isolation and estimation in a vehicle steering system[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2012, 59(12):4810-4820. doi: 10.1109/TIE.2012.2183835
    [5] TOUFIGHI M H, SADATI S H, NAJAFI F.Modeling and analysis of a mechatronic actuator system by using bond graph methodology[C]//2007 IEEE Aerospace Conference.Piscataway, NJ: IEEE Press, 2007: 1-8.
    [6] 徐流建.基于键合图和BP神经网络的并网逆变器故障诊断研究[D].乌鲁木齐: 新疆大学, 2015: 1-2.

    XU L J.Research on grid inverter fault diagnosis based on bond graph and the BP neural network[D].Urumqi: Xinjiang University, 2015: 1-2(in Chinese).
    [7] NAWAZ M H, YU L M, LIU H F, et al.Analytical method for fault detection & isolation in electro-hydrostatic actuator using bond graph modeling[C]//International Bhurban Conference on Applied Sciences and Technology.Piscataway, NJ: IEEE Press, 2017: 312-317.
    [8] SAMANTARAY A K, MEDJAHER K, BOUAMAMA B O, et al.Diagnostic bond graphs for online fault detection and isolation[J].Simulation Modelling Practice & Theory, 2006, 14(3):237-262. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=e25768c3e32d8f751809ace149bf0fe8
    [9] 郭丽丽.功率电传混合作动系统体系结构优化分析与设计[D].北京: 北京航空航天大学, 2014.

    GUO L L.Optimization analysis and design on the architecture of power-by-wire hybrid actuation system[D].Beijing: Beihang University, 2014(in Chinese).
    [10] 张煜东.非相似余度机电液综合作动系统性能分析和优化设计[D].北京: 北京航空航天大学, 2016.

    ZHANG Y D.Performance analysis and optimization design of dissimilar redundant integrated electro-hydraulic actuation system[D].Beijing: Beihang University, 2016(in Chinese).
    [11] SAMANTARAY A K, BOUAMAMA B O.Model-based process supervision:A bond graph approach[M].Berlin:Springer, 2008:214-217.
    [12] STAROSWIECKI M, COMTET-VARGA G.Analytical redundancy relations for fault detection and isolation in algebraic dynamic systems[J].Automatica, 2001, 37(5):687-699. doi: 10.1016/S0005-1098(01)00005-X
    [13] CHINNIAH Y, BURTON R, HABIBI S.Failure monitoring in a high performance hydrostatic actuation system using the extended Kalman filter[J].Mechatronics, 2006, 16(10):643-653. doi: 10.1016/j.mechatronics.2006.04.004
    [14] 汪宇亮.基于AMESim的工程机械液压系统故障仿真研究[D].武汉: 武汉理工大学, 2012: 47-48.

    WANG Y L.Research on engineering mechanical hydraulic system fault simulation study based on AMESim[D].Wuhan: Wuhan University of Technology, 2012: 47-48(in Chinese).
    [15] JIAN F, MARÉ J C, FU Y.Modelling and simulation of flight control electromechanical actuators with special focus on model architecting, multidisciplinary effects and power flows[J].Chinese Journal of Aeronautics, 2017, 30(1):47-65. doi: 10.1016/j.cja.2016.07.006
  • 加载中
图(11) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  458
  • HTML全文浏览量:  4
  • PDF下载量:  317
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2018-03-22
  • 录用日期:  2018-11-23
  • 刊出日期:  2019-04-20

目录

    /

    返回文章
    返回
    常见问答