CN109711034B - 一种飞机起落架健康监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种飞机起落架健康监测方法，应用控制系统理论知识建立系统物理数学模型，通过机理分析来寻找影响系统健康状态的原因，通过模型仿真分析验证影响起落架健康状态因素及反应健康状态的参数。该方法选取的健康监测参数：起落架收放时间由基于模型的方法获得，准确性高，监测容易，有很高的工程应用价值。

Description

一种飞机起落架健康监测方法
技术领域
本发明属于飞机健康监测领域，特别是涉及飞机起落架健康监测方法。
背景技术
健康监测中为实现设备的主动维护，必须充分了解和把握设备性能与健康退化趋势，实时掌握设备的健康状态信息。若能在设备运行中检测或测量到能指示设备性能与健康退化的状态指标，就可以有针对性地组织设备维修，防止设备异常失效的发生。虽然健康监测与预测系统已逐步开始应用，但距离工程实用还有一定的差距。
现用于飞机健康监测的方法有两种，一种是基于传感器数据，应用数据驱动在线学习计算建立模糊数据模型，并应用该模型开展下一步的工作。但该方法产生的模型不依赖先验知识，缺乏理论支撑，且计算量大，有时也得不到最优解。另一种是首先选取故障对应特征参数，通过对该特征参数数据的进一步分析，进行系统健康监测。该方法由于提前确定出研究对象，大大减小了计算量，提高了监测的准确性与简洁性。对于参数的确定，包括故障模式影响分析(Failure Modes,Mechanisms,and Effects Analysis,FMMEA)的方法，该方法原理简单明了而且容易掌握，但较繁琐、耗时多；基于模型的方法，但该方法对于复杂系统，建立物理数学模型理论性要求高，目前国内外研究较少。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为了解决上述参数选择中基于模型的方法理论支撑不足的问题，本发明对于起落架收放系统提出了应用控制系统理论知识建模的思路，并确定起落架收起时间和放下时间作为起落架系统的健康状态特征参数。本发明针对飞机健康监测的方法中特征参数的确定，提供了一种新的基于模型的起落架收放系统监测参数遴选方法。
本发明的技术方案是：一种飞机起落架健康监测方法，包括以下步骤：
步骤一：起落架收放控制系统建模，包括以下子步骤：
子步骤一：起落架收起系统和放下系统为两个相类似的动作过程，因此仅对起落架收起过程进行建模；
子步骤二：在收起过程中，首先作动筒在压差推力F作用下使活塞向上移动，带动机轮及起落架支架向上运动，整个运动过程受力定义如下：
o1为作动筒的固定点，o2为起落架支架固定点，o3为作动筒活塞运动端的固定点；起落架在未收起时，定义机轮的重心和两个起落架支架固定点等效为Δo1o3M，其中r为o2和M之间的距离，b为o2和o3之间的距离，M端等效重力为mg，a为o1和o2之间的距离；F为作动筒收起时的活塞两端的压差作用力；α为a与水平面之间的夹角，β为Δo1o3M的r与b两边的夹角，γ为作动筒与b之间的夹角(随起落架收起运动而变化)，
Figure BDA0001917197160000021
为b与a之间的夹角(随起落架收起运动而变化)，θ为r与水平面之间的夹角。
子步骤三：建立对起落架收起过程建模，建模参数关系见下表：
Figure BDA0001917197160000022
上表中，y为作动筒工作行程，ps，p0分别为主液压压力和回油管路压力；S1，S2分别为作动筒活塞ps和p0侧活塞面积；Kf为阻尼系数。
步骤二：在自动控制原理中关于非线性方程的线性化有转换公式如下：
对于非线性函数y＝f(x1,x2,…xn)在平衡点(x10,x20,…xn0)附近有连续偏导数和导数存在，则有：
Figure BDA0001917197160000031
将上表中的各关系式进行拉普拉斯线性化变换后得到下表：
Figure BDA0001917197160000032
其中a1，a2，…，a6为拉普拉斯变换后合并的常数项。
步骤三：作动筒位移Y(s)和主液压压力Ps(s)的传递函数模型，包括以下子步骤：
子步骤一：将传递函数转换为起落架收起过程的数学模型：
Figure BDA0001917197160000033
其中：
Figure BDA0001917197160000034
子步骤二：由二阶系统的传递函数的典型形式：
Figure BDA0001917197160000035
将上面起落架收起过程的数学模型进行形式变换，得到起落架收起运动传递函数模型；
Figure BDA0001917197160000041
其中收起过程中的作动筒模型的过阻尼系数为
Figure BDA0001917197160000042
子步骤三：同理起落架放下运动作动筒位移Y′(s)和主液压压力P′s(s)传递函数模型：
Figure BDA0001917197160000043
相应的，可得放下过程中的作动筒模型过阻尼状态为
Figure BDA0001917197160000044
步骤四：对
Figure BDA0001917197160000045
求单位阶跃响应，得知二阶系统处于过阻尼状态(ξ＞1)时，二阶系统响应递增最终趋于稳定值；即起落架位移在收起或放下时，若主液压提供一个持续压力作用于作动筒，起落架活塞杆将带动等效载荷持续沿着收起方向移动，并最终走完起落架作动筒工作行程，与实际相符。起落架收起时位移随时间的运动情况由系统传递函数唯一确定，即每一时刻对应唯一位移状态；从而能够确定起落架收起时间和放下时间作为监测起落架收放系统健康状态特征参数；
步骤五：对选取的健康状态特征参数进行仿真验证与结果分析，包括以下子步骤：
子步骤一：结合步骤二中的表格以及实际中某民航飞机起落架系统结构参数，对
Figure BDA0001917197160000046
中的系数进行计算得到Tk、Tm和Kg的具体数值；
子步骤二：根据公式
Figure BDA0001917197160000047
以及Tk、Tm和Kg的具体数值，通过matlab仿真得到作动筒位移随主液压压力变化的响应曲线；得到的曲线能够看出：起落架收起时间与主液压压力变化有关。主液压低压持续时间越长，起落架收起时间越长；
子步骤三：根据
Figure BDA0001917197160000048
应用Matlab仿真得到作动筒位移随过阻尼系数ξ变化的响应曲线；能够得出可起落架收起时间与系统固有特性Tk、Tm、Kg有关；由此可以得出：起落架收起时间是起落架收放系统的一个健康状态特征参数；同理，起落架放下时间也是起落架收放系统的一个健康状态特征参数。
步骤六：采集起落架收起或者放下时间参数后，应用SPC(Statistical ProcessControl，即统计过程控制)的Nelson判异准则，应用Minitab进行飞机起落架健康监测。
发明效果
本发明的技术效果在于：本发明为飞机健康监测特征参数的选择提出一种新的解决方法。应用控制系统理论知识建立系统物理数学模型，通过机理分析来寻找影响系统健康状态的原因，通过模型仿真分析验证影响起落架健康状态因素及反应健康状态的参数。该方法选取的健康监测参数：起落架收放时间由基于模型的方法获得，准确性高，监测容易，有很高的工程应用价值。
附图说明
图1是飞机前起落架收起示意图
图2是飞机前起落架受力分析图
图3是起落架作动筒位移与主液压压力的传递函数图。
图4是二阶系统单位阶跃响应图。
图5是起落架收放时间响应随主液压压力的变化图。
图6是起落架收放时间响应随过阻尼比的变化图
图7是前起落架收起时间控制图检验结果图
图8是左起落架收起时间控制图检验结果图
图9是右起落架收起时间控制图检验结果图
具体实施方式
参见图1—图9，
本发明所述反映系统固有特性的参数模型，在起落架收放系统中表现为主液压压力与起落架作动筒位移的传递函数。主液压压力和过阻尼系数影响系统位移响应的变化情况。应用控制系统理论知识，在过阻尼状态，起落架收起时位移随时间的运动情况由系统传递函数唯一确定。起落架收起时间和放下时间能直接反应起落架整个位移状态是否健康。故确定起落架收起时间和放下时间为起落架健康状态特征参数。
本发明为飞机健康监测特征参数的选择提出一种新的解决方法。应用控制系统理论知识建立系统物理数学模型。通过机理分析来寻找影响系统健康状态的原因，通过模型仿真分析验证影响起落架健康状态因素及反应健康状态的参数。该方法选取的健康监测参数：起落架收放时间由基于模型的方法获得，准确性高，监测容易，有很高的工程应用价值。
步骤一、起落架收放控制系统建模
图1为起落架收起示意图，在起落架收起过程中，首先作动筒在压差推力F作用下使活塞向上移动，带动机轮及起落架支架向上运动，整个运动过程受力分析如图2(其中o1，o2是固定点；a，b，r为距离长度；F为压差推力；mg为等效载荷；α，β，γ，
Figure BDA0001917197160000065
θ为对应角度)所示。基于该运动过程对起落架作动筒建立物理模型如表1所示。并据此应用公式1构建如图3所示的作动筒位移与主液压压力的传递函数。
若非线性函数y＝f(x1,x2,…xn)在工作(x10,x20,…xn0)附近有连续偏导数和导数存在，则有：
Figure BDA0001917197160000061
根据图3将系统的传递函数整理为数学模型：
Figure BDA0001917197160000062
其中：
Figure BDA0001917197160000063
Ps(s)为主液压压力，Y(s)为作动筒位移。
由二阶系统的传递函数的典型形式：
Figure BDA0001917197160000064
得到作动筒模型的过阻尼系数：
Figure BDA0001917197160000071
且该阻尼系数是由系统的固有特性所决定。
由于运动过程反向一致，同理得到过阻尼状态
Figure BDA0001917197160000072
下，起落架放下运动作动筒位移Y′(s)和主液压压力P′s(s)传递函数模型：仿真
Figure BDA0001917197160000073
表1前起落架作动筒建模
Figure BDA0001917197160000074
步骤二、起落架收放系统健康状态特征参数构建
选择起落架收起运动过程，对于公式3二阶系统，求其单位阶跃响应。如图4所示，当二阶系统处于过阻尼状态(ξ＞1)时，其二阶系统响应递增最终趋于稳定值。这意味着当起落架位移在收起时，若主液压提供一个持续压力作用于作动筒，起落架活塞杆将带动等效载荷持续沿着收起方向移动，并最终走完起落架作动筒工作行程，与实际相符。起落架收起时位移随时间的运动情况由系统传递函数唯一确定，即每一时刻对应唯一位移状态。起落架放下运动过程等同。所以起落架收起时间和放下时间能直接反应起落架整个位移状态是否健康，所以选用起落架收起时间和放下时间作为监测起落架收放系统健康状态特征参数。
步骤三、仿真验证与结果分析
结合表1以及某民航飞机起落架系统结构参数，对公式3中的系数进行计算得到表2。
根据数学模型公式2及表2，应用matlab仿真作动筒位移随主液压压力变化的响应曲线。图5两曲线分别为：(1)主液压恒定时作动筒位移；(2)实际操纵中作动筒位移随主液压压力的变化。可以看出相同位移，起落架收起时间不同。由此可以看出：起落架收起时间与主液压压力变化有关。主液压低压持续时间越长，起落架收起时间越长。根据数学模型公式3应用matlab仿真出图6：作动筒位移随过阻尼系数ξ变化的响应曲线。可以看出起落架收起时间与系统固有特性Tk、Tm、Kg有关。由此可以得出：起落架收起时间是起落架收放系统的一个健康状态特征参数。同理，起落架放下时间也是起落架收放系统的一个健康状态特征参数。
表2飞机前起落架二阶系统对应系数
T<sub>k</sub> T<sub>m</sub> K<sub>g</sub>
1.84 29.3 1.6×10<sup>-7</sup>
步骤四：根据确定的飞机起落架健康监测特征参数指标，应用某型民用飞机飞参记录数据进行验证。
子步骤一：对起落架收放时间应用SPC(Statistical Process Control，即统计过程控制)的Nelson判异准则，应用Minitab进行飞机起落架健康监测。
规定判异准则如下：其中需要说明的是，点指的是每次飞行起落架收起的时间，所有点是连续121次飞行起落架的收起时间。中心线是
Figure BDA0001917197160000091
准则一：1个点，距离中心线大于3个标准差；
准则二：连续9个点，在中心线的同一侧；
准则三：连续6个点，全部递增或递减；
准则四：连续14个点，上下交错；
准则五：3个点中有2个点，距离中心线(同侧)大于2个标准差；
准则六：5个点中有4个点，距离中心线(同侧)大于1个标准差；
准则七：连续15个点，距离中心线(任一侧)1个标准差以内；
准则八：连续8个点，距离中心线(任一侧)大于一个标准差。
子步骤二：绘制起落架收放时间的控制图，其中UCL为3σ(标准差)上限，LCL为3σ下限，
Figure BDA0001917197160000093
为均值(中心线)，根据准则判断出异常数据点，异常数据点用█标出，上面的数字表示不满足的准则序号。
检验结果为：控制图出现了异常点，判定起落架出现故障。证明飞机起落架收起时间和放下时间确实可以作为飞机起落架健康监测特征参数。
该发明通过对系统运行机理分析判断系统的控制性能进而研究系统的健康特性，为飞机的健康监测提出一种新的研究思路。该基于模型的控制系统理论建模参数选择方法还可应用于飞机其它系统的健康监测研究中。

Claims (1)

1.一种飞机起落架健康监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：起落架收放控制系统建模，包括以下子步骤：
子步骤一：起落架收起系统和放下系统为两个相类似的动作过程，因此仅对起落架收起过程进行建模；
子步骤二：在收起过程中，首先作动筒在压差推力F作用下使活塞向上移动，带动机轮及起落架支架向上运动，整个运动过程受力定义如下：
o1为作动筒的固定点，o2为起落架支架固定点，o3为作动筒活塞运动端的固定点；起落架在未收起时，定义机轮的重心和两个起落架支架固定点等效为Δo1o3M，其中r为o2和M之间的距离，b为o2和o3之间的距离，M端等效重力为mg，a为o1和o2之间的距离；F为作动筒收起时的活塞两端的压差作用力；α为a与水平面之间的夹角，β为Δo1o3M的r与b两边的夹角，γ为作动筒与b之间的夹角，
Figure FDA0003530703220000012
为b与a之间的夹角，θ为r与水平面之间的夹角；
子步骤三：建立对起落架收起过程建模，建模参数关系见下表：
Figure FDA0003530703220000011
上表中，y为作动筒工作行程，ps，p0分别为主液压压力和回油管路压力；S1，S2分别为作动筒活塞ps和p0侧活塞面积；Kf为阻尼系数；
步骤二：在自动控制原理中关于非线性方程的线性化有转换公式如下：
对于非线性函数y＝f(x1,x2,…xn)在平衡点(x10,x20,…xn0)附近有连续偏导数和导数存在，则有：
Figure FDA0003530703220000021
将上表中的各关系式进行拉普拉斯线性化变换后得到下表：
Figure FDA0003530703220000022
其中a1，a2，…，a6为拉普拉斯变换后合并的常数项；
步骤三：作动筒位移Y(s)和主液压压力Ps(s)的传递函数模型，包括以下子步骤：
子步骤一：将传递函数转换为起落架收起过程的数学模型：
Figure FDA0003530703220000023
其中：
Figure FDA0003530703220000024
子步骤二：由二阶系统的传递函数的典型形式：
Figure FDA0003530703220000031
将上面起落架收起过程的数学模型进行形式变换，得到起落架收起运动传递函数模型；
Figure FDA0003530703220000032
其中收起过程中的作动筒模型的过阻尼系数为
Figure FDA0003530703220000033
子步骤三：同理起落架放下运动作动筒位移Y′(s)和主液压压力Ps′(s)传递函数模型：
Figure FDA0003530703220000034
相应的，可得放下过程中的作动筒模型过阻尼状态为
Figure FDA0003530703220000035
步骤四：对
Figure FDA0003530703220000036
求单位阶跃响应，得知二阶系统处于过阻尼状态(ξ＞1)时，二阶系统响应递增最终趋于稳定值；即起落架位移在收起或放下时，若主液压提供一个持续压力作用于作动筒，起落架活塞杆将带动等效载荷持续沿着收起方向移动，并最终走完起落架作动筒工作行程，与实际相符；起落架收起时位移随时间的运动情况由系统传递函数唯一确定，即每一时刻对应唯一位移状态；从而能够确定起落架收起时间和放下时间作为监测起落架收放系统健康状态特征参数；
步骤五：对选取的健康状态特征参数进行仿真验证与结果分析，包括以下子步骤：
子步骤一：结合步骤二中的表格以及实际中某民航飞机起落架系统结构参数，对
Figure FDA0003530703220000037
中的系数进行计算得到Tk、Tm和Kg的具体数值；
子步骤二：根据公式
Figure FDA0003530703220000038
以及Tk、Tm和Kg的具体数值，通过matlab仿真得到作动筒位移随主液压压力变化的响应曲线；得到的曲线能够看出：起落架收起时间与主液压压力变化有关；主液压低压持续时间越长，起落架收起时间越长；
子步骤三：根据
Figure FDA0003530703220000041
应用matlab仿真得到作动筒位移随过阻尼系数ξ变化的响应曲线；能够得出可起落架收起时间与系统固有特性Tk、Tm、Kg有关；由此可以得出：起落架收起时间是起落架收放系统的一个健康状态特征参数；同理，起落架放下时间也是起落架收放系统的一个健康状态特征参数；
步骤六：采集起落架收起或者放下时间参数后，应用SPC的Nelson判异准则，应用Minitab进行飞机起落架健康监测。
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