一种航空液压舵机系统故障仿真模型库的构建方法与流程

本发明属于液压舵机系统故障诊断领域，涉及一种航空液压舵机系统故障仿真模型库的构建方法(A Method to Construct Simulation Model Database for Hydraulic Actuator System)。

背景技术：

航空液压舵机系统是飞行自动控制系统的重要子系统，对飞机的安全起降及飞行性能有重大影响。典型的液压舵机系统是由控制器、伺服阀、液压缸及位置传感器组成的闭环系统。

液压舵机系统部件多，结构复杂，故障具有相关性，单一的量测信息包含的故障特征有限且可能覆盖多种故障模式，需综合多种量测信息进行故障诊断方法设计。以往的故障诊断方法侧重于对舵机系统中单个部件进行研究，忽略了单个部件故障对整个闭环系统的影响。

为研究闭环液压舵机系统的故障诊断问题，有必要建立较为全面的舵机系统故障仿真模型库，研究各典型工况，典型故障条件下的系统状态响应，为后续故障诊断方法的研究进行数据储备。针对此问题，提出一种液压舵机系统参考模型库的构建方法。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种航空液压舵机系统故障仿真模型库的构建方法，为针对该系统的故障诊断方法研究提供数据储备。

技术方案

一种航空液压舵机系统故障仿真模型库的构建方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：建立液压舵机系统的数学模型，包括伺服阀、液压缸、位置传感器和控制器四部分的数学模型；

步骤2：根据液压舵机系统的数学模型建立各工况条件下，与数学模型相应的仿真标称模型，保存模型和获得的仿真数据；所述各工况条件根据给定信号类型、给定信号频率、给定信号幅值、负载类型、负载大小、加入量测噪声水平进行划分；

步骤3：基于仿真标称模型，建立各典型故障条件下的故障仿真模型，保存模型和仿真数据；所述各典型故障按故障种类、故障参数变化程度进行划分；

步骤4：建立模型名称关键字与模型类型名称、模型保存路径的对应关系表，方便查找所需模型和仿真数据；所述模型名称关键字包括模型类型、给定信号类型、负载类型、故障类型；所述模型类型包括标称模型、故障模型两大类。

所述步骤2的给定信号类型划分为阶跃给定或正弦给定，给定信号的频率为0.1HZ、0.5HZ或1HZ，给定信号的信号幅值为液压缸冲程的95％、80％或65％。

所述负载类型划分为空载、恒定负载或阶跃负载，负载大小分为70％、80％、90％额定负载。

所述仿真加入的量测噪声水平划分为30db、50db或70db。

所述各典型故障按故障种类划分为：供油压力下降、油液混入空气、伺服阀泄漏、伺服阀阻塞、液压缸内泄漏及位置传感器变增益故障。

所述故障参数变化程度为10％，20％，50％或100％。

所述液压舵机系统标称模型在Matlab/Simulink环境下建立，模型命名方式：Nominal_给定信号类型_给定信号幅值_给定信号频率_负载类型_负载大小_噪声水平.mdl。

所述对各工况条件下舵机系统标称模型进行仿真获得仿真数据包括：液压缸左腔压力数据PA，右腔压力数据PB，伺服阀阀芯位移数据Xv，液压缸活塞速度数据Vxp以及位移数据Xp；仿真数据按以下方式命名并保存：数据类型_给定信号类型_给定信号幅值_给定信号频率_负载类型_负载大小_噪声水平.mat。

所述对舵机系统各故障模型进行仿真获得仿真数据包括：液压缸左腔压力数据PA，右腔压力数据PB，伺服阀阀芯位移数据Xv，液压缸活塞运动速度数据Vxp以及位移数据Xp；命名保存方式：数据类型_给定信号类型_给定信号幅值_给定信号频率_负载类型_负载大小_噪声水平_故障种类_故障参数变化程度.mat。

所述模型名称关键字为模型类型、给定信号类型、负载类型或故障类型。

有益效果

本发明提出的一种航空液压舵机系统故障仿真模型库的构建方法，针对各种典型工况、典型故障条件下的液压舵机系统进行仿真，所建立的模型库较为完备。提供基于模型名称关键字的模型保存路径快速查找功能，方面用户查找所需模型。使得此类系统故障数据匮乏的现状得以改善，为后续针对该系统的故障诊断方法研究进行数据储备。

附图说明

图1为本发明的液压舵机系统原理图；

图2为本发明的参考模型库构建流程图；

图3为本发明的液压舵机系统仿真模型结构图；

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明实施例针对一类典型的液压舵系统进行参考模型库构建，该系统结构图如图1所示，电液伺服阀将控制器输出的电信号放大并转换，用以控制大功率液压能，从而推动液压缸活塞运行。活塞运动位移由位移传感器检测并反馈到系统输入端构成位置闭环控制。

参照图2，本发明针对上述系统提出故障参考模型库的构建方法具体按以下步骤实施：

步骤1：建立液压舵机系统的数学模型：

液压舵机系统的数学模型，包括伺服阀、液压缸、位移传感器、控制器四部分的数学模型。

(1)伺服阀模型

将伺服阀模型简化为一个二阶系统，其传递函数为：

其中，X_v为伺服阀阀芯位移，U为控制器输出，K_sv为伺服阀增益，ω_sv为伺服阀固有频率，ζ_sv为伺服阀阻尼比。

(2)液压缸模型

液压缸模型可由滑阀负载流量方程、液压缸两腔的流量连续性方程以及液压缸的负载力平衡方程推导获得。

定义液压缸左右两腔初始容积为V_A0和V_B0，当滑阀阀芯位移x_v＞0时，流入A腔的流量为正，流出B腔的流量为正；当x_v＜0时，流入A腔的流量为负，流出B腔的流量为负。

当x_v＞0时，滑阀的负载流量方程为：

当x_v＜0时，滑阀的负载流量方程为：

其中，C_d为流量系数，ω为伺服阀节流窗口面积梯度，ρ为油液密度，p_s和p_r分别为系统供油压力和回油压力。

忽略管道中的压力损失和管道动态特性，考虑油液体积弹性模量，油温为常数的情况。可得液压缸两腔的流量压强关系式：

其中，V_A(x_p)及V_B(x_p)计算公式如下，V_LA及V_LB为阀口至左右两腔油管的容积，V_A0及V_B0为液压缸左右两腔的初始容积。

V_A(x_p)＝V_LA+V_A0+A_px_p (8)

V_B(x_p)＝V_LB+V_B0-A_px_p (9)

将式(8)、(9)代入(6)、(7)式可得液压缸两腔的流量连续性方程为：

液压缸的内部泄漏流量Q_il的计算公式为：

Q_il＝c_i(p_A-p_B) (12)

液压缸两腔向外管道的泄漏流量Q_elA、Q_elB分别为：

Q_elA＝c_ep_A (13)

Q_elB＝c_ep_B (14)

其中，c_i、c_e分别为液压缸的内外泄露系数。

只考虑活塞质量，忽略腔内流体的质量，负载力平衡方程如下所示：

其中，为摩擦力，F_ex为施加的外力。液压缸摩擦力模型如下所示：

上式中，F_s为最大静摩擦力，F_c为库仑摩擦力，k_vis为黏性摩擦力，α为速度参考量，sgn(·)为符号函数。

(3)位移传感器模型

将位移传感器模型简化为一个比例环节，用系数K_f表示

(4)控制器模型

对舵机系统采用比例控制，用系数K_p表示。

步骤2：根据舵机系统的数学模型建立各工况条件下的仿真标称模型，保存模型和仿真数据；

(1)伺服阀模型

根据式(1),利用Simulink模块库提供的Transfer Fcn可建立伺服阀模型。

(2)液压缸模型

根据式(2)～(16),利用Simulink模块库提供的数学操作模块建立滑阀负载流量方程、液压缸两腔的流量连续性方程、液压缸的负载力平衡方程。

(3)位移传感器模型

通过在闭环反馈回路上串联Gain模块实现。

(4)控制器模型

利用Simulink模块库提供的PID Controller建立控制器模型，仅设置比例参数，实现比例控制。

将上述液压系统各部件模型串联，建立如图3所示的液压舵机系统仿真标称模型。通过改变系统运行的工况条件，获得各典型工况条件下的液压舵机系统标称模型。各工况条件根据给定信号类型、给定信号频率、给定信号幅值、负载类型、负载大小、加入量测噪声水平进行划分。其中，按给定信号类型可划分为阶跃给定和正弦给定两类；按给定信号频率可划分为0.1HZ、0.5HZ、1HZ三类；按给定信号幅值可划分为液压缸冲程的95％、80％、65％三类；按负载类型可划分为空载、恒定负载、阶跃负载三类；按负载大小可分为70％、80％、90％额定负载；按仿真加入的量测噪声水平可划分为30db、50db、70db三类。

各标称模型按“Nominal_给定信号类型_给定信号幅值_给定信号频率_负载类型_负载大小_噪声水平.mdl”命名并保存。例如仿真模型给定为1HZ正弦信号，幅值为95％液压缸冲程，加入恒定负载且负载大小为80％的额定负载，量测噪声水平为50db，则可将该模型命名为“Nominal_sin_1HZ_95p_constload_80p_50db.mdl”。

对各工况条件下舵机系统标称模型进行仿真，获得仿真数据包括：液压缸左腔压力数据PA，右腔压力数据PB，伺服阀阀芯位移数据Xv，液压缸活塞速度数据Vxp以及位移数据Xp。仿真数据按“数据类型_给定信号类型_给定信号幅值_给定信号频率_负载类型_负载大小_噪声水平.mat”方式命名并保存。例如从标称模型“Nominal_sin_1HZ_95p_constload_80p_50db.mdl”获得的左腔压力数据可命名为“PA_sin_1HZ_95p_constload_80p_50db.mat”文件。

步骤3：基于仿真标称模型，建立各典型故障条件下的故障仿真模型，保存模型和仿真数据；

液压系统典型故障仿真方法如表1所示：

表1液压舵机系统典型故障

(1)供油压力下降故障仿真模型

标称模型中的系统供油压力采用Constant模块进行赋值。为模拟供油压力下降故障，将Constant模块替换为Step模块，通过设置Step模块中Step time参数设置故障注入时间，通过设置Initial value及Final value参数设置故障前后的供油压力值。

(2)油液混入空气故障仿真模型

油液混入空气故障通过减小液压缸模型中的油液体积弹性模量进行模拟。在标称模型中油液体积弹性模量表示为一个Gain模块，通过修改Gain模块中的增益值改变油液体积弹性模量参数。为实现故障注入时间的控制，可并联两个Gain模块，一个设置为正常的油液体积弹性模量值，另一个设置为故障后的体积弹性模量值。两个模块的输入端连接方式不变，输出端连接一个Switch模块的两个输入端，Switch模块对输入信号进行切换，切换时机即故障注入的时机由一个pulse generator模块控制，Switch模块的输出端连接方式与原Gain模块的连接方式保持一致。

(3)伺服阀泄漏故障仿真模型

伺服阀模型是一个二阶的Transfer Fcn模块，减小Transfer Fcn模块中的伺服阀增益即可实现故障仿真。为进一步控制故障注入的时间，并联两个伺服阀模型，一个为正常伺服阀模型，另一个为改变伺服阀增益的故障模型。两个伺服阀模型的输入端均连接到控制器的输出端，输出端分别连接一个Switch模块的两个输入端，Switch模块对输入信号进行切换，切换时机即故障注入的时机由一个pulse generator模块控制。Switch模块的输出端连接方式与原Transfer Fcn模块的连接方式保持一致。

(4)伺服阀阻塞故障仿真模型

通过减小二阶Transfer Fcn模块中的伺服阀固有频率实现故障仿真，故障注入时间控制方法与伺服阀泄漏故障相同。

(5)液压缸内泄漏故障仿真模型

液压缸内泄漏故障通过改变内泄漏增益系数实现，内泄漏系数对应于仿真模型中的一个Gain模块，通过修改Gain模块中的增益值改变内泄漏系数的大小。为实现故障注入时间的控制，可并联两个Gain模块，一个设置正常的内泄漏系数，一个设置为故障的内泄漏系数。两个模块的输入端连接方式不变，输出端连接一个Switch模块的两个输入端，Switch模块对输入信号进行切换，切换时机即故障注入的时机由一个pulse generator模块控制，Switch模块的输出端连接方式与标称模型中Gain模块的连接方式保持一致。

(6)位移传感器变增益故障仿真模型

位移传感器故障通过改变传感器增益系数实现。传感器增益系数对应于反馈回路上串联的一个Gain模块，通过修改Gain模块中的增益值改变传感器增益系数的大小。为实现故障注入时间的控制，可并联两个Gain模块，一个设置正常的传感器增益系数，一个设置为故障的传感器增益系数。两个模块的输入端连接系统模型的位移输出端，与标称模型中的连接方式一致。模块的输出端连接一个Switch模块的两个输入端，Switch模块对输入信号进行切换，切换时机即故障注入的时机由一个pulse generator模块控制，Switch模块输出端连接至系统的输入端。

根据上述故障注入方法，改变模型参数，使其分别为正常模型参数10％，20％，50％，100％，建立各工况各故障条件下的故障仿真模型。

各故障模型按“Faulty_给定信号类型_给定信号幅值_给定信号频率_负载类型_负载大小_噪声水平_故障种类_故障参数变化程度.mdl”方式命名并保存。例如故障模型为20％伺服阀泄漏故障，给定为1HZ正弦信号，幅值为95％液压缸冲程，加入恒定负载且负载大小为80％的额定负载，量测噪声水平为50db，则可将该模型命名为“Faulty_sin_1HZ_95p_constload_80p_50db_Fksv_20p.mdl”。

对舵机系统各故障模型进行仿真，获得仿真数据包括：液压缸左腔压力数据PA，右腔压力数据PB，伺服阀阀芯位移数据Xv，液压缸活塞运动速度数据Vxp以及位移数据Xp。仿真数据按“数据类型_给定信号类型_给定信号幅值_给定信号频率_负载类型_负载大小_噪声水平_故障种类_故障参数变化程度.mat”方式命名并保存。例如从故障模型“Faulty_sin_1HZ_95p_constload_80p_50db_Fksv_20p.mdl”获得的液压缸活塞位移数据可命名为“Xp_sin_1HZ_95p_constload_80p_50db_Fksv_20p.mat”文件。

步骤4：建立模型名称关键字与模型名称、模型保存路径的对应关系表，方便查找所需模型和仿真数据。

模型名称关键字包括模型类型、给定信号类型、负载类型、故障类型。模型类型包括标称模型、故障模型两大类。关键字与模型名称、模型保存路线的对应关系表示例如表2所示。在模型保存路径下建立与模型名称一致的文件夹，将模型文件及仿真数据保存在文件夹中。

表2关键字与模型保存路径、模型名称的对应关系表示例