[摘要]机载液压系统是关系飞机安全的重要功能系统，为提高飞机可靠性、安全性、经济性水平，现代先进飞机普遍采用故障诊断、预测与健康管理。本文研究总结了机载液压系统故障诊断与健康管理的历史发展，探讨了其关键技术，以期指导机载液压故障诊断与健康管理的研究和应用。
[关键词]机载液压；故障诊断；预测；健康管理
现代飞机对出勤率和完好率要求不断提高，同时飞机采购费用和使用保障费用日益增加，经济可承受性越来越受到人们的重视。随着现代传感检测的进步、机载设备计算能力和机载板卡数据处理能力的提高，以及智能故障诊断算法的普及应用，故障诊断、预测与健康管理（PrognosticsandHealthManagement,PHM）技术应运而生，并在航天器、军用飞机、船舶舰艇上得到了越来越广泛的应用。PHM系统不仅能满足任务执行过程中的状态监测，而且能够时时提供系统的健康状态，自动进行故障诊断与隔离，预测未来故障发生事件，帮助维修人员查找故障，提供辅助决策，减少地面维修的停机时间，可以提高装备的战备完好率和综合保障性。因而PHM技术是实现“基于状态的维修”（ConditionBasedMaintenance,CBM）、“自主后勤保障”（AutonomicLogistics,AL）的关键使能技术。机载液压系统是飞机重要的功能系统，为飞行控制系统、前轮转弯系统、起落架控制系统等提供液压能源，机载液压系统发生故障会影响飞行安全和任务完成。随着预测与健康管理理念的不断推广，以及飞机机电系统监测技术和能力的提高，国内外开展了大量机载液压系统故障诊断与健康管理的研究。机载液压系统故障诊断与健康管理系统采用多种方式检测系统状态，提示系统发生的重要事件，并将合适的信息如压力、温度、液压等显示给飞行员，可以为安全操纵飞机、高效完成飞行任务提供机载液压系统健康状态信息，以利于机组人员、远程任务控制人员或者自动决策系统做出正确的决定。本文介绍了机载液压系统故障诊断与健康管理的历史发展、现状、发展趋势，总结了机载液压系统PHM体系结构、关键技术和发展趋势。
1机载液压系统故障诊断与健康管理研究
现状机载液压系统维护经历了早期故障后更换维修、依靠地面人工检测的定时维修、加装传感器的机内测试阶段，正向基于状态的维修和预测与健康管理方向发展。机载液压系统故障诊断始于20世纪60年代，英国Bath大学和英国机器保障和状态监测协会最先开始液压系统故障诊断技术的研究。20世纪80年代，通过在液压系统上布置压力传感器、加速度传感器实现了液压泵的故障诊断。加拿大Tatge和Winston研究了驱动卫星跟踪天线的液压系统的故障诊断装置；WangL．M．等开发了研究稳态液压伺服系统的故障诊断检测与诊断专家系统；20世纪90年代，基于人工智能的液压系统诊断发展迅速[1]。随着故障诊断技术的研究深入和诊断能力的提升，人们开始要求对未来可能发生的故障进行预测。1979年Saeks等人最早提出故障预测技术概念，初步探索了故障预测的形式和内容。后来，Hess提出了具有指导意义的故障预测定义，即故障预测技术是针对设备的初始故障状态或附属元件的失效状态，提供早期的检测和隔离能力，并且管理和预报设备由该故障状态向失效状态进展情况的技术和手段。目前，故障预测的研究主要可以分为：基于模型的故障预测技术，基于知识的故障预测技术和基于数据的故障预测技术。进入20世纪90年代后，计算机网络技术的飞速发展，先进的微传感器层出不穷，智能信息融合（InformationFusion，IF）算法大量涌现，大容量存储器的出现，使得实时状态监测和天地一体的飞机维修保障成为可能，于是出现了机载和地面一体化的健康管理系统。20世纪70年代A-7E飞机的发动机监控系统可以称得上是最早故障诊断、预测与健康管理的雏形。而美军重大项目F-35联合攻击机（JointStrikeFighter，JSF）研究和采用的PHM最具代表性，具有里程碑意义，其PHM体系结构如图1所示[2,3]。波音将状态监测与预测系统应用于民航领域，开发了飞机状态管理系统；法国空中客车公司也同期研制了中央维护系统（CentralMaintenanceSystem，CMS），使用中央维护计算机（CentralMaintenanceComputer，CMC）管理飞机系统。以上这些世界上新研制并服役部队的先进战斗机除了具有优越的性能之外，共同特点之一是配备有一整套状态监测与预测系统。状态监测与预测的引入不是为了直接消除故障，而是为了了解和预报故障何时可能发生，或者在出现始料未及的故障时触发一种简单的维修活动，从而实现自主式保障，达到提高飞机系统的任务可靠性和安全性、节省大量维修前停机检测时间、提升维修保障效率等目标。国内液压系统维修与故障诊断研究起步较晚。20世纪80年代浙江大学路甬祥、陈章位等对液压系统故障机理与诊断技术作了深入的研究；之后，燕山大学、上海大学学者利用振动信号进行了液压系统故障诊断研究；90年代后期，北京航空航天大学开始从事液压系统故障诊断研究，利用专家系统、神经网络、小波分析、鲁棒智能监测与诊断方法实现液压泵、液压舵机系统故障诊断，并提出了机载液压系统PHM体系结构，如图2所示[4]。目前，我国机载液压系统仍处于机内测试检测和定期维修和事后维修阶段，造成了大量过度维修，距离国外液压系统PHM应用和自主后勤保障尚有很大差距。
2机载液压系统故障诊断与健康管理关键技术
机载液压系统故障诊断与健康管理关键技术流程如图3所示。各关键技术内涵如下。
2.1机载液压PHM系统监测方案设计
机载液压系统元件众多、分布广泛，不可能对所有部件进行监测，需要确定传感器布局优化方案。首先通过故障模式影响分析（FaultModeEffectAnalysis，FMEA）确定液压系统主要故障模式，并提出相应的监测方法。监测方案除了必须提供故障诊断与预测所需信号外，还需要尽量减少对液压系统的影响，需要优化传感器数量和测试点，并尽可能多地监测最多的故障模式。
2.2机载液压PHM监测信号特征提取
液压系统的检测信号主要包括压力、流量、温度和振动等时域信号，特征提取技术就是将这些信号映射到反应其故障特征的空间，使得检测信息更容易被识别为正常或故障。对于压力、温度、液位信号，可以在时域范围内较好地反应对应被检测单元的工作状态。对于压力、振动信号进行频域分析，构建出合适的故障特征，可以反映被检测对象的频域特性，适合磨损、间歇过大等故障模式。特征提取技术的研究就是为了寻找灵敏和鲁棒性强的故障特征，以开展对液压元件复杂故障模式的识别。一般采用傅立叶快速变换、功率谱法、倒谱包络、Hilbert包络等方法可以有效去除环境干扰和流固耦合的影响，从而突出故障信号特征。对于配流盘磨损、入口压力不足和轴承故障，可以通过鲁棒故障特征提取方法进行故障诊断。
2.3机载液压PHM故障诊断
机载液压PHM系统故障诊断可以分为基于信号处理的方法和基于人工智能的方法。基于信号处理的方法是定量诊断方法，如针对压力、振动、温度的特征量进行诊断，常用的方法包括峰-峰值、均值等的时域分析方法，自功率谱、倒谱包络等频域方法，小波分析等时频域结合分析方法，以及多传感器信息融合方法。基于人工智能的方法主要有基于专家系统的方法、基于神经网络的方法和基于模糊推理的方法。典型应用是基于专家系统的故障诊断，在模型库、故障库和知识库的支持下，建立推理规则，进行定性的故障诊断。
2.4机载液压PHM故障预测
机载液压PHM故障预测根据失效发展规律，在系统出现早期微弱故障时推演状态的发展，在故障发展到比较严重的阶段时采取维修活动，这样就可以最大限度地利用零件的使用寿命，并确保系统工作在安全可靠的状态。故障预测有两种重要的技术方法：一是基于失效物理的故障预测技术，通过分析液压系统关键部件故障机理、失效物理过程，深入研究关键部件的故障演化本质，建立其失效物理模型。通过获取液压系统关键部件使用过程中的载荷，可以计算各阶段载荷造成的损伤量，从而实现对早期损伤检测和退化状态的跟踪识别。二是基于数据驱动的预测技术。通过分析输入、输出和状态参数之间的关系获得如卡尔曼滤波状态估计模型、自回归滑动平均模型和人工神经网络等，并从大量历史数据中学习输入与输出值之间的映射关系，用以计算未来值，从而可以进行故障预测。液压系统状态参数较多，直接的检测量不能反映诸如磨损等失效量，因此完全建立液压系统失效模型是复杂和困难的，同时液压系统在测试、使用过程中可以积累大量反应系统运行状态的参数，这些数据为基于数据驱动的预测技术提供了支持。
2.5机载液压PHM验证
机载液压PHM验证主要采取故障注入的方式改变液压系统健康状态，检验机载液压系统PHM样机对故障的识别、预测功能。对于不易仿真、重要的故障模式采取硬故障注入的方式，直接将检测产品替换为故障样件；对其他故障模式采取软故障注入方式，在仿真液压系统中设置故障。验证方案如图4所示。
3机载液压系统故障诊断与健康管理发展趋势
机载液压系统故障诊断与健康管理的研究方兴未艾，随着检测技术进步和新思想、新理论的引入，机载液压系统PHM将不断发展，未来发展方向主要有以下几个方面。
3.1传感检测技术进步
当前机载液压PHM研究和应用均受限于目前的传感检测技术水平。从最初的故障诊断依赖肉眼观测到基于传感器的故障诊断可以看出检测技术对故障诊断的重要影响。当前机载液压系统检测普遍采用压力、温度、液位传感器获取系统状态，在液压泵上布置振动传感器的故障诊断也仅限于实验室的理论研究，国内没有在机型上应用。同时，目前的传感检测多为入侵式检测手段，在一定程度降低了机载液压系统的基本可靠性，对液压系统结构造成了破坏，可能成为强度隐患，威胁液压系统正常工作。目前，研究者开始考虑将传感检测手段在产品设计时就考虑进来，减少对液压产品的影响，减少传感器安装体积，提高传感器的可靠性水平。新型的传感器也将为机载PHM技术带来改进，如国外正在研究的集成于卡箍的振动传感器等，使用超声检测油液压力、流量的新型检测技术。
3.2机载PHM技术的融合与空天地一体
国内PHM技术研究还处于理论研究阶段，飞机发动机、液压、燃油、环控、电子等子系统PHM研究独立开展，未来机载PHM将实现各子系统PHM的融合，在各子系统故障诊断与预测研究基础上，建立统一的机载PHM管理系统，PHM技术的融合将经历增量式测试和不断改进完善。此外，随着飞机空天地一体化的不断发展，PHM技术也将向着空天地一体化发展。这要求PHM状态管理采取无线传输，进行地面监控，以便利用地面高性能数据分析能力，和“大数据”、“云计算”等新兴技术。一方面可以减轻机载计算资源消耗，另一方面便于飞机机群的综合管理保障。
3.3适应飞机多电化趋势
未来的飞机液压系统将向着分布式液压系统（LGHS）和多电作动器方向发展，PHM需要适应新型的液压系统结构，并开展针对EHA、EMA等新型作动器的PHM技术研究。因而，传统PHM技术面临液压系统自身发展带来的挑战。
4总结
机载液压系统是关系飞机安全的重要功能系统，为提高飞机可靠性、安全性、经济性水平，现代先进飞机普遍采用故障诊断、预测与健康管理。机载液压系统结构复杂、工况变化大、存在流固耦合效应、布局分散，故障诊断、预测与健康管理仍然面临诸多问题，工程应用实践少。需要继续研究液压系统故障诊断与预测技术，并在工程探索中验证和改进。
参考文献
[1]周汝胜,焦宗夏,王少萍.液压系统故障诊断技术的研究现状与发展趋势[J].机械工程学报，2006，42(5):6-13
[2]NealN.McCollorn，EdwardR.Brown．PHMontheF-35Fighter[J].2011IEEE
[3]张宝珍.国外综合诊断、预测与健康管理技术的发展及应用[J].计算机测量与控制，2008
[4]赵四军,王少萍,尚耀星.飞机液压泵源预测与健康管理系统[J].北京航空航天大学学报，2010，36(1):14-17
[5]陈家焱,陈章位.液压系统故障诊断技术的现状与发展趋势[J].2008，36（10）：187-189
作者：陈丽君 姚建勇 单位：南京机电液压工程研究中心 南京理工大学机械工程学院
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