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1、第二十八届（2012）全国直升机年会论文基于飞参数据的发动机状态监测与故障分析系统常春雷 欧白羽 缪万波（陆军航空兵学院直升机机械工程系发动机教研室，北京，101123）摘 要：为了实现对发动机工作状态及时、准确的监控和预报，提高其使用安全。本文以某型直升机飞行参数记录仪为数据来源，选取反映发动机工作状态的参数作为研究对象，建立了基于飞参数据的发动机状态监测与故障分析系统。文中详细介绍了系统结构以及功能。关键词：发动机；状态监测；故障分析；系统1 引言基于飞参数据的发动机状态监测与故障分析系统，是以某型直升机飞行参数记录仪为数据来源，选取反映发动机工作状态的参数作为研究对象，通过运用专家经验知
2、识和推理方法求解复杂问题，实现对发动机的状态监测与故障诊断分析。它通过对发动机飞参数据等相关的工作状态数据实施全面、持续的跟踪，实现对发动机工作状态的及时、准确的监控和预报，为故障的判断提供数据分析方法和专家决策支持，从而提高直升机发动机状态监控质量水平，达到延长动部件寿命，确保人、机安全的目的。本系统的开发有利于存贮和推广诊断专家的宝贵经验知识,不受时间、环境等因素的影响,在故障诊断与维修中能够快速检测、定位故障。2 系统总体设计针对直升机发动机分析工作的现实的需求和未来的发展要求，基于飞参数据的发动机状态监测与故障分析系统的总体框架如图所示。图基于飞参数据的发动机状态与故障分析系统结构框图
3、3 系统功能本系统在整体功能上可以分为六个部分:数据预处理、数据展现、状态监控、故障分析、专家知识库管理、系统管理。3.1 数据预处理功能实现将飞参数据记录仪的原始飞行数据进行数据转录和相应的滤波处理，为系统提供可分析的数据,包括数据滤波、转录和标准化等三个功能。数据滤波主要包括野值数据的处理、旋翼高频噪声处理和缺失数据处理等工作。首先进行野值数据的判断，对于野值数据进行强行剔除，然后按照功率平衡公式进行填充。角速度、姿态角和过载等参数测量值须采用低通滤波，来减轻旋翼高频成份对所测量信号的影响。对由于飞参仪记录原因造成的数据缺失采用BP神经网络与最小二乘法加权的数据拟合方法进行数据填充。原始数
4、据预处理后，尽可能地减少了噪声对数据的影响，为后续数据处理提供良好可信的飞行数据。数据转录和标准化主要是对飞参记录仪中加密数据进行转录，并对转录数据进行标准化处理，标准化后存储到分析数据库中，为后续智能处理提供标准的数据基础。3.2 数据展现功能对发动机转速、旋翼转速、温度和压力等主要反映发动机状态的参数数据以及参数匹配关系等进行图表展现，功能包括数据曲线显示、表格显示和飞行姿态显示。数据曲线显示主要采取线图、点图、直方图等方式，并具有图形缩放功能。数据表格显示是对飞参数据按照表格进行显示，可按照时间段，数值区间进行过滤显示，并支持时间轴的缩放。飞行姿态显示是对直升机的飞行姿态进行动态展示，直
5、升机模型根据飞参数据回现飞行姿态情景，同步显示飞参数据。3.3 状态监控功能状态监控功能主要包括参数超限监控和参数匹配监控。飞参系统记录的每个参数的正常工作值都有上、下限，如果记录的某些数据超出正常值范围，说明相应的某个部件可能发生故障，维护中必须对其进行仔细检查。在对发动机进行的监控中，单个参数超限值的分析是发动机进行监控的重要部分。根据参数的工作值上、下限要求，实现对发动机转速、旋翼转速和温度等参数的超限告警提示，并通过数据驱动启动专家系统进行故障定位，同时给出排故方案。发动机参数间相互变化关系能够反映出发动机性能变化趋势，对发动机参数间相互匹配关系实施监控，发现异常告警进行提示。主要包括
6、温度随发动机转速的变化规律监控和发动机转速、温度随总距位置的变化规律监控利用直升机飞参仪记录的飞行中的发动机温度、转速与总距位置，建立温度、转速以及总距位置变化规律图。通过对温度与发动机转速的关系进行监控，能够准确无误地监控到燃烧室内的不稳定燃烧现象。这类异常燃烧通常能导致发动机超温、超转，甚至会烧坏叶片，严重损坏发动机。发动机转速、温度与总距位置的关系能够反映出发动机操纵系统和燃油系统的故障情况。当总距操纵杆的调节螺母松动导致传动杆长度变化，或者燃油系统中的某个部件发生故障时，都能够通过发动机转速、温度与总距位置的关系体现。系统结合变化规律图中异常情况进行故障诊断分析，给出专家分析建议。3.
7、4 故障分析功能3.4.1 专家系统推理机建立专家系统推理分析机制，针对发动机状态参数超限、参数匹配异常以及操作人员输入的相关故障现象，实现准确确定发动机故障类型、原因、部位、以及应采取的相应措施，以提高故障诊断准确率。专家系统推理机主要功能是协调控制整个专家系统，决定如何选用知识库中的有关知识，对用户提供的证据进行推理，以最终对用户提出的特定问题做出回答。推理机对每一条“规则”的条件部分进行测试，如果所有的条件都满足，对应的“规则”就可以应用，相应的动作就被触发。在这个过程中工作存贮器的内容也随之改变，某些数据被加进去，另一些数据要被剔除，然后推理机继续搜索另一个可以应用的“规则”，这个过程
8、一直进行下去，直到再找不到可以应用的“规则”为止。由于发动机本身的复杂性,考虑到目前能采集到的飞参数据不能完全满足发动机故障诊断需求以及发动机故障分析往往具有不确定性、不完备性、不精确性等特点，专家推理机实现基于产生式规则的正向推理方式（即：由判据出发导出结论）,并同时支持两种推理规则，一是实现精确的产生式规则,既根据已有的飞参数据、故障现象描述，能精确进行故障定位、给出专家建议。二是实现模糊产生式规则，通过规则的可信度/阀值，实现不确定性推理。3.4.2 状态统计分析状态统计分析是对发动机状态进行统计，以图表的形式展现，如：转速统计、温度统计，为故障诊断、维修决策提供分析依据。3.4.3 发
9、动机性能趋势分析发动机性能趋势分析是利用飞参数据，结合故障树以及发动机部件热力计算，对发动机使用中性能参数进行渐变趋势分析，达到故障分析和事故征候预测目的，有效减少飞行事故。性能趋势分析分为整机和部件两部分，整机性能采用性能指数来宏观评定性能的变化，部件监控通过小偏差计算来指示整机性能的变化可能是由哪个具体部件引起的。把易测的发动机性能参数(如排气温度)作为应变量，把无法直接测的发动机部件参数(如压气机效率)作为自变量，根据测得的发动机性能参数，利用部件方程和热力循环分析方法确定这些参数间的数学关系，获得部件参数，从而确定发动机性能变化趋势并判断气路中存在的故障，通过历史参数对比和数理分析方法
10、，实现发动机状态监控和故障诊断，分析部件性能渐变。3.4.4 事故征兆预测利用故障预测模型，通过对飞参数据的智能判读，进行事故征兆预测，方便机务人员进行故障预防，包括如下三方面：(1)预测方法：根据历史故障分析处理的结果，建立参数状态指标，通过预测模型，预测参数状态发展趋势，再经过智能处理，预测设备未来的故障情况。(2)预测模型：利用该参数的现有数据而且应利用与该参数有关的各项参数数据，预测某一参数状态的未来趋势。(3)状态还原：状态指标根据故障征兆所对应的参数状态来确定。预测出的结果为参数的状态指标，根据指标公式模糊还原为参数状态，再由模糊产生式规则形成故障征兆，最后由故障征兆构成故障判据。
11、3.4.5 故障定位分析根据专家知识库、飞参数据、操作人员提供输入的故障现象等发动机相关诊断信息，通过专家系统推理机进行精确或模糊的推理，实现对飞行状态、设备故障、参数统计和使用限制等事件的通报，给出故障部位的判定。提出专家建议。3.4.6 决策支持对排故方案按照评定指标进行排序。为专家分析或预测的故障选择最优的排故方案，辅助地面机务人员排故。实现故障的分解归类：分解归类的路径依据模糊产生式规则，分解方法在专家判据库中选择合适的判据，依据路径找寻匹配的排故方案。采用专家群意见对排故方案进行打分，对打分的结果，根据最小后悔度原则进行排故方案的最优化排序。3.5 专家知识库管理功能将发动机故障诊断
12、分析推理规则、故障案例、排故方案等事实性知识和专家特有的经验性知识转化为计算机可利用的形式并进入知识库。实现知识的修改、删除和更新，并对知识库的完整性和一致性进行维护。本模块实现对知识的可视化编辑录入、支持图象、文字、视频等各种知识要素。它使操作人员/专家快捷的修改知识而不必了解知识库中知识的表示方法、知识库的组织结构等实现上的细节问题，提高了系统的可扩充性。3.5.1 推理规则管理实现对专家系统推理规则的更新、修改、调整功能。专家系统的推理规则采用产生式规则，产生式规则是专家系统中用的最多的一种知识表示，通常用于表示具有因果关系的知识。对于各事实之间的关系常用树状结构来表示。把一组产生式规则
13、放在一起，使之相互配合，协调作用，一个产生式生成的结论可以供另一个产生式作为前提使用，以这种方式求得问题的解决。3.5.2 故障案例管理实现对发动机故障案例的检索、复用、修订、案例库更新功能。3.5.3 排故方案管理实现排故方案的更新、修改、调整功能，对排故方案按照评定指标进行排序。为故障选择最优的排故方案，辅助地面机务人员排故。方案的检索方法：提供了多指标和单指标的检索方法，用户可以根据不同的需要进行方案的搜索。3.6 系统管理功能主要实现用户登录管理、数据导入/导出和发动机工作信息管理。登录到该专家系统中的用户需要输入相应的信息（用户名，密码），不同的用户具有不同的操作权限。当用户不能成功
14、登录到系统中时，系统会给出相关的信息，来提示用户注意。该模块可实现数据库之间的数据导入导出、备份复制功能；可实现对发动机机型、机号、部件编号、部件工作时间等信息的维护管理。4 结论本文借鉴国外典型发动机状态监测与故障诊断系统，建立了某型涡轴发动机基于飞参数据的发动机状态监测与故障分析系统。给出了系统的结构，详细阐述了系统的功能。经实践证明，该系统工作稳定可靠，测试精度高，对发动机状态监控以及其使用安全、维护工作具有重要的现实意义，具有较高的应用价值。参 考 文 献1 郭琪，黄向华，吕孟军.某型航空发动机综合测试仪的系统软件设计J .自动化与仪表.20112 Newlon R O, White
15、D J, Dussault P L. Condition Monitoring of Rotorcraft Structures: Why We Need It and How toAchieve It R. AIAA- 2007- 1671.3 姜彩虹，孙志岩，王曦. 航空发动机预测健康管理系统设计的关键技术J .航空动力学报. 20094 蒋世奇，古天祥.发动机关键参数测量与状态监测系统J .仪器仪表学报.20055 康文雄，李华聪，杨勇柯.航空发动机状态监测系统设计研究J .计算机测量与控制.20046 李本威，高国胜，胡国才，侯志强. 涡轴发动机状态监测系统的研究J .航空涡轮实验与研究. 2002(15).1039
25 基于飞参数据的发动机状态与故障分析系统-常春雷(4)
