专利名称：一种简单式环控系统的在线故障诊断装置及诊断方法
技术领域：
本发明涉及一种简单式环控系统的在线故障诊断装置及诊断方法，属于飞机环境
控制系统的故障诊断技术。
背景技术：
简单式环控系统是一种典型的战斗机环境控制系统，其任务就是在各种飞行条件 下调节座舱或设备舱的供气温度，为飞行员创造安全舒适的工作环境，同时保障机载设备 可靠工作。当简单式环控系统发生故障时，需要及时做出诊断并处理，以提高该系统的可靠 性，保证乘员安全以及机载设备正常工作。 现有的环控系统故障诊断方法多采用故障树分析法，即将系统故障的形成原因 由总体至部分按树枝状逐级细化的分析方法，详见自杰，田秀云.飞机故障诊断与监控技 术.北京兵器工业出版社，2003。庞丽萍等人研究了环控系统中换热器的故障诊断方法， 其采用双模型滤波的方法对换热器进行参数估计、状态预测和故障诊断，详见庞丽萍，曲 洪权，董素君.基于双模型滤波算法的环控系统换热器故障诊断.航空学报，2008。王俨 剀等人研究了涡轮的故障诊断技术，分析了不同故障模式下涡轮的振动特点，以及避免这 些故障出现的设计准则，详见王俨剀，王红红.基于振动分析的鱼雷涡轮机故障诊断技术 初探.鱼雷技术，2009。 Breck在其论文中研究了基于模型响应曲线进行参数识别的环控 系统故障检测方法，详见C. S. Breck. Fault Detection for an Aircraft Environmental Control System usingDynamic Principal Component Analysis. Canada :thesis for master degree ofQueen' s University, 2005。 Sekhon在其论文中研究了涡轮的故障 预测技术，该方法基于对采集参数的小波分析，详见R. Sekhon. Real Time Prognostic Strategies-Application to Gas Turebines. U. S. A :thesis for master degree of ClemsonUniversity， 2007。 上述方法均是对环控系统或其特定部件的故障诊断方法进行研究，而没有从实际 的简单式环控系统角度给出实现方案，且故障诊断效果欠佳。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种简单式环控系统的在线故障诊断装
置及诊断方法，本发明所述的故障诊断方法基于BP神经网络技术，在采集简单式环控系统
特征参数的基础上，利用BP神经网络映射系统的不同故障模式，实现故障诊断。 本发明的一种简单式环控系统的在线故障诊断装置，所述装置与机载计算机相连
接，在线故障诊断装置包括温度传感器A、温度传感器B、温度传感器C、温度传感器D和故障
显示器； 温度传感器A、温度传感器B分别置于换热器的热边入口和热边出口 ，温度传感器 C、温度传感器D分别位于涡轮的入口和出口，温度传感器A、温度传感器B、温度传感器C、温 度传感器D将测得的温度信号传送给故障显示器；
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故障显示器进行故障诊断，得到故障数据，并且显示系统故障，故障显示器与机载 计算机进行信息交换。
本发明的一种简单式环控系统的在线故障诊断方法，包括以下步骤
步骤一 搭建简单式环控系统的在线故障诊断装置； 故障显示器包括通讯模块、温度采集模块、单片机、数显模块、存储模块和数字显 示器；温度采集模块采集温度传感器测得的温度信号，并将温度信号传送给单片机，单片机 进行故障诊断，得到故障数据，故障数据存储到存储模块，同时，故障数据传送给数显模块， 数显模块连接数字显示器，当数显模块收到故障数据后，数字显示器显示系统故障状态，通 讯模块用于单片机与机载计算机进行交换信息，在故障显示器的温度采集模块上连接温度 传感器A、温度传感器B、温度传感器C、温度传感器D，构成简单式环控系统的在线故障诊断 装置； 步骤二 建立并训练BP神经网络，进行故障诊断； 将换热器的热边温降和涡轮的进出口温降作为故障信息值； 将换热器和涡轮各自的效率值作为故障特征值，当故障特征值低于正常效率值的 a^时，判定换热器或涡轮发生故障，其故障状态值记为1 ;否则认为换热器和涡轮仍能完 成各自功能，未发生故障，其故障状态值记为O，其中a为用户自行设置的数值；
根据换热器和涡轮的不同故障状态，将简单式环控系统划分为四种故障状态[O， 0]表示换热器和涡轮均无故障；[l，O]表示换热器故障，涡轮无故障；[O，l]表示换热器1 无故障，涡轮故障；[l，l]表示换热器和涡轮均故障； 根据简单式环控系统不同的故障状态，记录换热器的热边温降和涡轮的进出口温 降，得到多个BP神经网络的训练样本； 换热器的热边温降和涡轮的进出口温降作为BP神经网络的输入，简单式环控系 统故障状态作为BP神经网络的输出，利用训练样本训练BP神经网络，训练完成后的BP神 经网络写入故障显示器的单片机中； 通过温度传感器A、温度传感器B、温度传感器C、温度传感器D测量得到的温度信
号，单片机做出故障诊断，得到故障状态，并且在故障显示器上显示简单式环控系统故障。
本发明的优点在于 (1)本发明主要应用于简单式环控系统的在线故障诊断，能够在飞行过程中在线
诊断简单式环控系统的典型故障，以供飞行员及时做出处理，避免事故发生； (2)本发明的装置附件少、结构简单、质量轻，且安装方便，便于在已有的简单式环
控系统上安装。
图1是本发明一种简单式环控系统的在线故障诊断装置的连接示意图； 图2是本发明的故障显示器的连接示意图； 图3是本发明一种简单式环控系统的在线故障诊断方法的流程图。 图中 1-换热器 2-涡轮 3-存储模块 4-温度传感器A 5-温度传感器B 6-温度传感器C 7-温度传感器D 8_故障显示器
9-数字显示器 10-机载计算机 11-通讯模块 12-温度采集模块 13-单片机 14-数显模块
具体实施例方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。 本发明是一种简单式环控系统的在线故障诊断装置，所述装置与机载计算机10 相连接，如图1所示，在线故障诊断装置包括温度传感器A4、温度传感器B5、温度传感器C6、 温度传感器D7和故障显示器8。 所述的温度传感器A4、温度传感器B5、温度传感器C6、温度传感器D7采用凯装铂 电阻传感器，温度传感器A4、温度传感器B5分别置于换热器1的热边入口和热边出口 ，温度 传感器C6、温度传感器D7分别位于涡轮2的入口和出口 ，温度传感器A4、温度传感器B5、温 度传感器C6、温度传感器D7将测得的温度信号传送给故障显示器8。 如图2所示，故障显示器8包括通讯模块11、温度采集模块12、单片机13、数显模 块14、存储模块3和数字显示器9。 温度采集模块12采集温度传感器A4、温度传感器B 5、温度传感器C6、温度传感 器D7测得的温度信号，并将温度信号传送给单片机13，单片机13进行故障诊断，得到故障 数据，故障数据存储到存储模块3，同时，故障数据传送给数显模块14，数显模块14连接数 字显示器9，当数显模块14收到故障数据后，数字显示器9显示系统故障状态，通讯模块11 用于单片机13与机载计算机10进行信息交换。 本发明是一种简单式环控系统的在线故障诊断方法，流程如图3所示，包括以下 步骤 步骤一 搭建简单式环控系统的在线故障诊断装置； 故障显示器8包括通讯模块11、温度采集模块12、单片机13、数显模块14、存储模 块3和数字显示器9。温度采集模块12采集温度传感器测得的温度信号，并将温度信号传 送给单片机13，单片机13进行故障诊断，得到故障数据，故障数据存储到存储模块3，同时， 故障数据传送给数显模块14，数显模块14连接数字显示器9，当数显模块14收到故障数据 后，数字显示器9显示系统故障状态，通讯模块11用于单片机13与机载计算机10进行交 换信息，在故障显示器8的温度采集模块12上连接温度传感器A4、温度传感器B5、温度传 感器C6、温度传感器D7，构成简单式环控系统的在线故障诊断装置。
步骤二 建立并训练BP神经网络，进行故障诊断。
将换热器1的热边温降和涡轮2的进出口温降作为故障信息值；
将换热器1和涡轮2各自的效率值作为故障特征值，当故障特征值低于正常效率 值的a^时，判定换热器1或涡轮2发生故障，其故障状态值记为1 ;否则认为换热器1和涡 轮2仍能完成各自功能，未发生故障，其故障状态值记为O，其中a为用户自行设置的数值， 一般取60 80。 根据换热器1和涡轮2的不同故障状态，将简单式环控系统划分为四种故障状态
表示换热器1和涡轮2均无故障；[1， 0]表示换热器1故障，涡轮2无故障；
表 示换热器1无故障，涡轮2故障；[1， 1]表示换热器1和涡轮2均故障。
根据简单式环控系统不同的故障状态，记录换热器1的热边温降和涡轮2的进出
6口温降，得到多个BP神经网络的训练样本。 换热器1的热边温降和涡轮2的进出口温降作为BP神经网络的输入，简单式环控 系统故障状态作为BP神经网络的输出，利用训练样本训练BP神经网络，训练完成后的BP 神经网络写入故障显示器8的单片机13中。 通过温度传感器A4、温度传感器B5、温度传感器C6、温度传感器D7测量得到的温 度信号，单片机13做出故障诊断，得到故障状态，并且在故障显示器8上显示简单式环控系 统故障。
权利要求
一种简单式环控系统的在线故障诊断装置，所述装置与机载计算机相连接，其特征在于，在线故障诊断装置包括温度传感器A、温度传感器B、温度传感器C、温度传感器D和故障显示器；温度传感器A、温度传感器B分别置于换热器的热边入口和热边出口，温度传感器C、温度传感器D分别位于涡轮的入口和出口，温度传感器A、温度传感器B、温度传感器C、温度传感器D将测得的温度信号传送给故障显示器；故障显示器进行故障诊断，得到故障数据，并且显示系统故障，故障显示器与机载计算机进行交换信息。
2. 根据权利要求1所述的一种简单式环控系统的在线故障诊断装置，其特征在于，所 述的温度传感器A、温度传感器B、温度传感器C、温度传感器D为凯装铂电阻传感器。
3. 根据权利要求1所述的一种简单式环控系统的在线故障诊断装置，其特征在于，所 述的故障显示器包括通讯模块、温度采集模块、单片机、数显模块、存储模块和数字显示器； 温度采集模块采集温度传感器A、温度传感器B、温度传感器C、温度传感器D测得的温度信 号，并将温度信号传送给单片机，单片机进行故障诊断，得到故障数据，故障数据存储到存 储模块，同时，故障数据传送给数显模块，数显模块连接数字显示器，当数显模块收到故障 数据后，数字显示器显示系统故障状态，通讯模块用于单片机与机载计算机进行信息交换。
4. 一种简单式环控系统的在线故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤一 搭建简单式环控系统的在线故障诊断装置；故障显示器包括通讯模块、温度采集模块、单片机、数显模块、存储模块和数字显示器； 温度采集模块采集温度传感器测得的温度信号，并将温度信号传送给单片机，单片机进行 故障诊断，得到故障数据，故障数据存储到存储模块，同时，故障数据传送给数显模块，数显 模块连接数字显示器，当数显模块收到故障数据后，数字显示器显示系统故障状态，通讯模 块用于单片机与机载计算机进行交换信息，在故障显示器的温度采集模块上连接温度传感 器A、温度传感器B、温度传感器C、温度传感器D，构成简单式环控系统的在线故障诊断装 置；步骤二 建立并训练BP神经网络，进行故障诊断； 将换热器的热边温降和涡轮的进出口温降作为故障信息值；将换热器和涡轮各自的效率值作为故障特征值，当故障特征值低于正常效率值的a% 时，判定换热器或涡轮发生故障，其故障状态值记为1 ;否则认为换热器和涡轮仍能完成各 自功能，未发生故障，其故障状态值记为O，其中a为用户自行设置的数值；根据换热器和涡轮的不同故障状态，将简单式环控系统划分为四种故障状态[O，O] 表示换热器和涡轮均无故障；[l，O]表示换热器故障，涡轮无故障；[O，l]表示换热器1无 故障，涡轮故障；[l，l]表示换热器和涡轮均故障；根据简单式环控系统不同的故障状态，记录换热器的热边温降和涡轮的进出口温降， 得到多个BP神经网络的训练样本；换热器的热边温降和涡轮的进出口温降作为BP神经网络的输入，简单式环控系统故 障状态作为BP神经网络的输出，利用训练样本训练BP神经网络，训练完成后的BP神经网 络写入故障显示器的单片机中；通过温度传感器A、温度传感器B、温度传感器C、温度传感器D测量得到的温度信号，单片机做出故障诊断，得到故障状态，并且在故障显示器上显示简单式环控系统故障c
全文摘要
本发明公开了一种简单式环控系统的在线故障诊断装置，包括温度传感器A、B、C、D和故障显示器；温度传感器A、B分别置于换热器的热边入口和热边出口，温度传感器C、D分别位于涡轮的入口和出口，温度传感器A、B、C、D将测得的温度信号传送给故障显示器。一种简单式环控系统的在线故障诊断方法，包括以下步骤，一搭建简单式环控系统的在线故障诊断装置；二建立并训练BP神经网络，进行故障诊断；本发明主要应用于简单式环控系统的在线故障诊断，能够在飞行过程中在线诊断简单式环控系统的典型故障，以供飞行员及时做出处理，避免事故发生。本发明的装置附件少、结构简单、质量轻，且安装方便，便于在已有的简单式环控系统上安装。
文档编号G05B23/02GK101697078SQ20091023646
公开日2010年4月21日 申请日期2009年10月22日 优先权日2009年10月22日
发明者林石泉, 赵竞全 申请人:北京航空航天大学;