CN110884687A - 一种机电系统phm技术半物理实时仿真验证平台 - Google Patents
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Abstract
本申请属于航空飞机机载机电系统故障诊断技术领域，特别涉及一种机电系统PHM技术半物理实时仿真验证平台。包括：状态模拟及故障注入设备、嵌入式实时目标机以及显示设备。状态模拟及故障注入设备用于实现接口信号变化过程的预先配置，模拟多个机电系统典型工作状态由正常转入故障的动态变化过程，向嵌入式实时目标机提供仿真多个机电系统的接口信号，并进行故障注入；嵌入式实时目标机用于仿真多个机电系统以及故障诊断推理机的机载运行环境，完成故障诊断；显示设备用于接收并显示故障诊断结果。本申请提高了飞机故障实时隔离定位能力和飞机排故效率，降低了飞机维护成本，提高了飞机任务可靠性和安全性，及飞机整体性能。
Description
技术领域
本申请属于航空飞机机载机电系统故障诊断技术领域，特别涉及一种机电系统PHM技术半物理实时仿真验证平台。
背景技术
常见的飞机系统故障诊断技术验证系统一般分为两大类：一是围绕算法的数字化仿真验证，二是半物理仿真验证。大多围绕算法进行开展数字化的功能验证，缺少对故障诊断技术在机载实时系统环境中验证，缺少对包含交联物理信号在内整个系统状态监测和故障诊断的综合验证过程，通常也不支持诊断结果的人机工效进行检查优化。而常见的半物理仿真设备，虽然能够实现故障注入，但需对故障模式关联的故障特征信号，逐一将接口状态由正常更改为故障，不能实现接口信号变化过程的预先配置，模拟机电系统典型工作状态由正常转入故障的动态变化过程，多个接口信号变化过程不同步，难以真实仿真系统故障过程，系统通用性差。所以，在故障预测与健康管理(PHM)技术探索与研发验证中，以往的故障诊断验证系统，不足以方便的验证机载PHM技术在实时系统下的功能和性能，对实现工程应用支持性不足。
因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。
发明内容
本申请的目的是提供了一种机电系统PHM技术半物理实时仿真验证平台，以解决现有技术中存在的至少一个问题。
本申请的技术方案是：
一种机电系统PHM技术半物理实时仿真验证平台，包括：状态模拟及故障注入设备、嵌入式实时目标机以及显示设备，其中，
所述状态模拟及故障注入设备，用于实现接口信号变化过程的预先配置，模拟多个机电系统典型工作状态由正常转入故障的动态变化过程，向所述嵌入式实时目标机提供仿真多个所述机电系统的接口信号，并进行故障注入；
所述嵌入式实时目标机，用于仿真多个所述机电系统以及故障诊断推理机的机载运行环境，完成故障诊断；
所述显示设备，用于接收并显示故障诊断结果。
可选地，所述机电系统包括液压系统、燃油系统、环控系统、氧气系统以及供电系统。
可选地，所述状态模拟及故障注入设备包括上位机和下位机，其中，
所述上位机与所述下位机之间通过以太网交互XML格式文件资源信息，以及通过反射内存网完成控制数据交互和同步；
所述下位机设置有信号接口板卡，所述信号接口板卡与所述嵌入式实时目标机电连接。
可选地，所述信号接口板卡包括电压采集卡、电流采集卡、数字I/O卡、开关量采集卡、RS422通讯板卡。
可选地，所述嵌入式实时目标机包括飞机管理核心计算机和远程接口单元，所述远程接口单元与所下位机的信号接口板卡实现信息交互。
可选地，所述显示设备通过原理框图方式点亮诊断结果为故障的部件，并支持故障分类列表显示。
可选地，所述显示设备按照故障分类：正常、故障、怀疑以及未知进行列表显示。
发明至少存在以下有益技术效果：
本申请的机电系统PHM技术半物理实时仿真验证平台，解决了传统机载嵌入式故障诊断技术存在的故障定位困难，故障定位不准确等问题，提高了飞机故障实时隔离定位能力和飞机排故效率，降低了飞机维护成本，提高了飞机任务可靠性和安全性，及飞机整体性能。
附图说明
图1是本申请一个实施方式的机电系统PHM技术半物理实时仿真验证平台示意图；
图2是本申请一个实施方式的机电系统PHM技术半物理实时仿真验证平台状态模拟及故障注入设备流程图；
图3是本申请一个实施方式的机电系统PHM技术半物理实时仿真验证平台嵌入式实时目标机算法逻辑图；
图4是本申请一个实施方式的机电系统PHM技术半物理实时仿真验证平台显示设备流程图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
下面结合附图1至图4对本申请做进一步详细说明。
本申请提供了一种机电系统PHM技术半物理实时仿真验证平台，包括：状态模拟及故障注入设备、嵌入式实时目标机以及显示设备。
具体的，状态模拟及故障注入设备用于实现接口信号变化过程的预先配置，模拟多个机电系统典型工作状态由正常转入故障的动态变化过程，向嵌入式实时目标机提供仿真多个机电系统的接口信号，并进行故障注入；嵌入式实时目标机用于仿真多个机电系统以及故障诊断推理机的机载运行环境，完成故障诊断；显示设备用于接收并显示故障诊断结果。
本申请的机电系统PHM技术半物理实时仿真验证平台，针对多个机电系统，例如液压系统、燃油系统、环控系统、氧气系统、供电系统等特征，分析各机电系统信号类型并研究飞机飞行过程中信号变化趋势。同时根据以往经验，以FMECA为基础，统计各系统故障模式。通过设置飞机飞行姿态、飞行高度、发动机转速等飞行信息，模拟飞行状态下各机电系统信号变化，根据故障模式，配置相关联故障信号，作为诊断推理的数据源，通过基于测试性模型的诊断推理实现机电PHM技术机载模拟验证。
本申请机电系统PHM技术半物理实时仿真验证平台，由状态模拟及故障注入设备实现接口信号变化过程的预先配置，模拟多个机电系统典型工作状态由正常转入故障的动态变化过程，向嵌入式实时目标机提供仿真多个机电系统特性的接口信号，进行故障注入；嵌入式实时目标机仿真飞机机电系统和故障诊断推理机的机载运行环境，实现物理信号的采集与转换，解析数据，并完成故障诊断；显示设备通过原理框图方式点亮诊断结果为故障的部件，并支持故障分类(正常、故障、怀疑、未知)列表显示，该平台用以开展机载PHM故障诊断推理技术的功能和性能验证。
本申请的状态模拟及故障注入设备，主要实现各机电系统，例如液压系统、燃油系统、环控系统、氧气系统以及供电系统，的故障注入与状态模拟。状态模拟及故障注入设备由上位机和下位机组成，上位机与下位机之间通过以太网交互XML格式文件等资源信息，以及通过反射内存网完成控制数据交互和同步；通过下位机的信号接口板卡与嵌入式实时目标机相连，完成物理信号的交互。
本申请的状态模拟及故障注入设备，使用Labview RT实时操作系统，以系统原理图和测试性模型为基础，以原理框图形式建立各系统之间的信号关联关系，构建良好可视化界面，在界面上配置、模拟飞行参数和机电系统的状态参数，以各机电系统为单位管理接口信号，在系统内使用故障模式对其分再次组管理，可以为每一个信号进行单独配置，对不同类型的信号进行量化的参数配置，模拟量接口信号支持配置初始值以及6种波形(常值、正弦波、余弦波、三角波、方波和梯形波)的自由组合，数字量和开关量支持设置信号值梯形波的变化，灵活仿真飞机机电系统单一故障和相关故障级联并发时电气信号群组的变化过程。流程图如图2所示。
本申请的状态模拟及故障注入设备，完成上位机与机载设备之间的数据传输，通过控制下位机的信号接口板卡的输出，将上位机产生的实时网内数据转换成真实机载系统特性的信号形式进行传递。硬件环境采用CPCI背板总线工业计算机，选配PXI信号仿真板卡，实现信号接口板卡和信号间的同步控制。计算机组成包括CPCI机箱、控制器和各种功能板卡，板卡包括电压采集卡、电流采集卡、数字I/O卡、开关量采集卡、RS422通讯板卡等。
本申请的嵌入式实时目标机作为诊断推理机运行环境，由飞机管理核心计算机和远程接口单元组成，由军用1394b总线构成环型体系架构，远程接口单元与状态模拟及故障注入设备的板卡交联。嵌入式实时目标机作为飞机机电系统应用软件和PHM算法运行环境，仿真机载计算机系统，采用PowerPC处理器搭载嵌入式实时操作系统，实时采集物理信号，并完成转换，解析为故障诊断推理机使用的数据，使用C语言编译生成的故障诊断推理软件作为应用程序，嵌入在实时目标机中运行，完成信号采集处理和故障诊断，并将诊断结果数据包发送给显示设备进行显示。
本申请的显示设备结果显示使用Labview，将各机电系统的原理框图以自定义控件搭建出来，包括各部件之间的关联关系，直观化显示各系统部件的实时状态；当故障发生时，以高亮方式标识故障部件，并且依据部件之间的影响关系，在各系统的原理框图界面上将受影响的部件与故障部件的连接通道高亮，指示其受到了影响也不能正常工作；同时支持按照故障分类：正常、故障、怀疑和未知进行列表显示，用以查询故障发生的位置、所属系统、异常信号、影响功能等一系列信息，并实时更新，流程图如图4所示。本实施例的显示设备能够实现ICD快速配置，当状态模拟及故障注入设备发生变化，通过修改预定义的解析XML文件的节点内容，与之相匹配，实现故障诊断结果的跟随显示，扩展性好。
本申请的机电系统PHM技术半物理实时仿真验证平台，以燃油、液压、氧气等各分系统为例，在状态模拟及故障注入设备中，选择分系统部件，设置故障模式，模拟部分接口信号状态由正常变为故障的过程，实现故障信号间关联关系，注入到嵌入式实时目标机中。设置飞机飞行姿态为平飞阶段。嵌入式实时目标机中加载各机电分系统应用软件和基于测试性模型的故障诊断推理机算法C代码，采集机电系统状态模拟及故障注入设备输出的物理信号，通过异常判断，转换为诊断推理机所需的诊断推理数据信息。诊断推理机根据当前飞机飞行状态，诊断推理出所发生的故障模式，故障模式的名称，故障部件名称，所属的子系统及系统名称，故障代码，故障等级以及提示是否上报飞行员等。诊断推理结果包括故障、怀疑、正常、未知四种。在显示设备中将故障诊断结果通过原理框图的图形显示和故障分类分级列表显示，对比分析故障诊断结果显示方式，验证人机功效。
本申请的机电系统PHM技术半物理实时仿真验证平台，是一种半物理仿真验证平台，完整仿真了机电系统的工作状态和机载计算机进行信号采集处理和故障诊断的过程，能够支持机电系统故障诊断推理技术的全过程验证，包括信号采集处理和实时诊断推理算法验证、故障诊断结果的人机工效验证，物理接口可按需分配、接口信号变化可按要求配置、结果显示可按需过滤调整，平台通用性好。本申请能够为PHM故障诊断推理算法提供通用化的验证环境，提高PHM技术的成熟性和可靠性，促进相关技术的深化研究和PHM技术工程应用进程，为PHM技术在新一代飞机机电系统上成功应用奠定坚实基础。通过对故障诊断推理验证技术的研究，解决了传统机载嵌入式故障诊断技术存在的故障定位困难，故障定位不准确等问题，提高了飞机故障实时隔离定位能力和飞机排故效率，降低了飞机维护成本，提高了飞机任务可靠性和安全性，及飞机整体性能。本申请能够提高机载故障诊断推理机算法的成熟度，提高和验证PHM技术的成熟性和可靠性，可应用于四代机、无人作战飞机的PHM系统设计中，在系统故障诊断中发挥重要作用，提高维护人员的排故和检查效率。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种机电系统PHM技术半物理实时仿真验证平台，其特征在于，包括：状态模拟及故障注入设备、嵌入式实时目标机以及显示设备，其中，
所述状态模拟及故障注入设备，用于实现接口信号变化过程的预先配置，模拟多个机电系统典型工作状态由正常转入故障的动态变化过程，向所述嵌入式实时目标机提供仿真多个所述机电系统的接口信号，并进行故障注入；
所述嵌入式实时目标机，用于仿真多个所述机电系统以及故障诊断推理机的机载运行环境，完成故障诊断；
所述显示设备，用于接收并显示故障诊断结果。
2.根据权利要求1所述的机电系统PHM技术半物理实时仿真验证平台，其特征在于，所述机电系统包括液压系统、燃油系统、环控系统、氧气系统以及供电系统。
3.根据权利要求1所述的机电系统PHM技术半物理实时仿真验证平台，其特征在于，所述状态模拟及故障注入设备包括上位机和下位机，其中，
所述上位机与所述下位机之间通过以太网交互XML格式文件资源信息，以及通过反射内存网完成控制数据交互和同步；
所述下位机设置有信号接口板卡，所述信号接口板卡与所述嵌入式实时目标机电连接。
4.根据权利要求3所述的机电系统PHM技术半物理实时仿真验证平台，其特征在于，所述信号接口板卡包括电压采集卡、电流采集卡、数字I/O卡、开关量采集卡、RS422通讯板卡。
5.根据权利要求4所述的机电系统PHM技术半物理实时仿真验证平台，其特征在于，所述嵌入式实时目标机包括飞机管理核心计算机和远程接口单元，所述远程接口单元与所下位机的信号接口板卡实现信息交互。
6.根据权利要求5所述的机电系统PHM技术半物理实时仿真验证平台，其特征在于，所述显示设备通过原理框图方式点亮诊断结果为故障的部件，并支持故障分类列表显示。
7.根据权利要求6所述的机电系统PHM技术半物理实时仿真验证平台，其特征在于，所述显示设备按照故障分类：正常、故障、怀疑以及未知进行列表显示。
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