基于残差向量的船用液压系统健康状态评估方法研究

钱 超，李 伟，喻志成，尹伟伟，汤 华

(1.海军工程大学，湖北 武汉 430033；2.海军航空工程学院，山东 烟台 264001；3.92474部队，海南 三亚 572000；4.902厂，上海 200030)

基于残差向量的船用液压系统健康状态评估方法研究

钱 超1，李 伟2，喻志成3，尹伟伟4，汤 华4

(1.海军工程大学，湖北 武汉 430033；2.海军航空工程学院，山东 烟台 264001；3.92474部队，海南 三亚 572000；4.902厂，上海 200030)

针对船用液压系统健康状态评估问题，提出了一种基于残差向量的动态评估方法，设计了基于残差向量的基本评估原理，研究了系统建模方法、残差生成方法、残差分析方法和健康度计算方法，并结合示例，构建了具体模型、残差与故障映射关系，最终评估液压系统的归一化健康度指标，方法可为开展液压系统故障诊断与预测提供参考。

液压系统；状态评估；残差

1 方法设计

针对液压系统的状态评估问题，本文提出了一种基于残差向量的液压系统健康状态评估方法，其评估原理如图1所示，主要包括4个过程[1-3]。

图1 基于观测模型的健康状态评估原理图

1)系统建模。构建液压系统解析模型是该方法的核心，利用液压系统各元件之间的流量特性、压力特性和控制特性建立系统状态观测模型，模型中的变量包括电流、油液压力、流量、温度，以及机械位移、转速、加速度等，包含的变量根据系统的具体情况、健康评估目标和其他约束条件具体而定。由于液压系统往往表现为非线性特征，在建立状态观测模型时，根据情况确定观测模型的形式。

2)残差生成。根据输入信号的编号观测传感器采集信号的变化，同时将采集信号与观测模型的理论输出进行比较，形成残差。当残差为0时表示系统健康；当残差不为0时，用残差向量表示[4]。

3)残差向量分析。对得到的残差向量进行分析，根据残差向量的不同特征判断液压系统的故障情况，包括故障类型、故障位置等。残差向量状态的不同，代表故障模式的不同，残差向量中的不同元素，对不同故障的诊断贡献也不同，可以利用加权法进行故障诊断。

4)健康度计算。对残差向量，按照对应故障的重要度、危害性和发生频率进行权值分配，最后计算出归一化的健康度，用来表征整个液压系统的健康状态。

2 液压系统建模

系统建模是一项复杂工程，特别是对于非线性的复杂液压系统难以建立清晰的数学模型，对于液压系统中局部环节的监测和评估可以利用建立的数学模型进行解算。液压系统回路由液压缸、节流阀、单向阀、换向阀和动力源组成，如图2所示。利用前述研究内容，可以建立4个压力传感器对系统监测[5-6]。

图2 液压系统健康状态评估示例

正常情况下，液压系统负载产生的压力经过液压缸、调速阀、液控单向阀和换向阀向上传递，相互之间存在关联关系，通过解析元件的压力传递函数便可以建立各点压力的计算模型。以液压缸向右运动的过程进行监测为例，系统建立的模型如下。

1)液压缸的流量状态方程如式(1)所示，受力平衡方程如式(2)所示。

(1)

(2)

2)节流阀的流量状态方程如式(3)所示。

(3)

式中：q2为节流阀流量；Cj为流量系数；ρ为油液密度；p2和p1分别表示节流阀进出口压力；Aj为节流阀通流面积，由式(4)计算得到。

Aj=Kju，

(4)

式中：Kj为调定量与通流面积的关系系数；u为节流阀调定量。

3)液控单向阀的流量状态方程与式(3)相似，可表示为式(5)所示。

(5)

式中：q3为单向阀流量；Cd为流量系数；p2和p3分别表示节流阀进出口压力；Ad为液控单向阀通流面积，由式(6)或式(7)计算得到。

Ad=K1p3，

(6)

式中：K1为控制压力与通流面积的关系系数，用于在单向阀正向开启时计算。

Ad=K2p4，

(7)

式中：K2为控制压力与通流面积的关系系数，用于在液控开启反向流动时计算。

4)表示液压缸出口压力，由回油路沿程压力损失和流经换向阀或其他部位的局部压力损失累加所得，一般较小。沿程压力损失和其他部位局部压力损失完全可以根据实际管路状况进行建模计算。如果忽略沿程压力损失，流经换向阀的局部压力损失可用式(8)表示。

(8)

式中：ζ表示换向阀出油口局部阻力系数；v表示油的流速。

以上各式中流量和流速均可由活塞杆运动速度计算得到。不考虑泄露情况下流量各处相等，泄露状态可在故障识别过程中分析得到。

3 残差与故障映射关系分析

通过对图2所示液压系统分析，残差向量状态与故障模式的关联关系如表1所示，残差向量的分量初步表征了一些故障，通过联合作用便可以进一步定位故障，且残差值偏离越大则表征故障状态越严重，即健康度较低。

表1 残差—故障关系表

4 权重分配与健康度计算

在层次化健康状态评估过程中，元件或子系统对上一级系统的影响力需要权重表征，即便对于一个底层的元件，不同监测参数也存在不同的权重系数，因此，合理的权重分配，对于准确实施健康状态评价非常重要。

权重分配可以按照物理模型进行理论分析，但是难度非常大，尤其是对于舰艇导弹发射装置这类复杂系统，比较可行的方法是利用专家知识和经验，通过专家调查和专家群评分来确定权重分配方案，得到权重向量空间。

首先需要设计专家调查表，按照划分的装备层次结构和可靠性关系图，列出所有调查项的评分条件，由专家进行评分。根据收回的专家评分表，进行综合分析，确定权重向量空间。如果无法利用分数的形式给出每个单元的权重，也可以采用相对重要度的调查方法，通过比较两两之间的相对重要性，给出数据，然后经过后续的模型算法处理，得到权重向量。同样以起竖液压系统为例，设计专家直接打分法调查表，对液压泵、过滤器、溢流阀、换向阀、平衡阀、分流集流阀、液控单向阀、单向节流阀健康度进行评分。设计专家相对重要性评分调查表，对液压泵、过滤器、溢流阀、换向阀、液控单向阀、单向节流阀、液压缸两两之间的相对重要度进行评分，并得出相对重要性赋值。赋值1,1，表明同样重要；赋值1,3，表明稍微重要；赋值1,5，表明明显重要；赋值1,7，表明强烈重要；赋值1,9，表明极端重要；赋值1,2/4/6/8，表明为插值。

事实上，对于舰艇导弹发射装置这类复杂的系统，采用相对重要度的调查方式更可行。在得到专家打分结果后，则可以建立两两判断矩阵V=(vij)n×n，vij表示第i个项目对第j个项目的相对重要性标度，其中vij具有式(9)所示性质。

(9)

其中：k为2个相对重要度评分的比值，如1/3，1/5和1/9等。

首先对判断矩阵，按照式(10)进行一致性判定。

(10)

式中：D为8×8矩阵，d=[d1,d2,…,d8]为给定模型，如果经判定不满足一致性，则将矩阵进行适当修改后重新判断，直到满足为止。最后进行权重求解，得到满足条件的一组解λ=[λ1,λ2,…,λ8]，作为分层次健康状态评估的权重向量。

另外，还要根据专家可信度对多位专家同时打分的结果进行优化，专家可信度的评判是依靠历史评价结果，同时根据本次打分进行修正，针对本次打分，将多位专家打分结果进行相似性和差异性评估，根据某个专家的相似性与差异性计算专家可信度。

(11)

式中：ωk表示第k位专家的可信度；m表示专家数量；u(k)和δ(k)表示第k位专家的相似性与差异性。

最后根据所有专家的可信度和其评分数据进行综合权重计算，并对权重系数进行归一化处理，使权重系数之和为1。

运用上述方法，对轮式导弹发射车进行全面的分析，便可以得到一个依据专家知识定义的权重向量空间，为实现分层次健康状态评估奠定基础。

另外，系数向量w=[w1,w2,w3,w4]根据信号重要度的评分得出，所研究的液压系统健康度H可以表示为式(12)所示。

(12)

5 结束语

通过原理设计、系统建模、残差生成、残差分析和健康度计算等方法的研究，设计了一种基于残差向量的健康状态评估方法，最终评估液压系统的归一化健康度指标。结合液压系统示例构建了具体模型、残差与故障映射关系，为开展液压系统状态评估提供了一种可行的手段。

[1]王亮，吕卫民，李伟，等.复杂系统健康状态评估技术现状及发展[J]. 计算机测量与控制,2013(4):830-832.

[2]林泽力. 飞机液压系统健康状态综合评估技术研究[D].沈阳：沈阳航空航天大学,2014.

[3]齐继阳，王凌云，李金燕，等. 液压系统健康状态的综合评估方法[J]. 机械设计与制造,2016(5)：56-60.

[4]耿志强，王尊，顾祥柏，等. 基于总体平均经验模态分解残差的故障诊断方法[J]. 南京理工大学学报,2015(3):293-300.

[5]Wang T C, Lee H D. Developing a fuzzy TOPSIS approach based on subjective weights and objective weights[J]. Expert Systems with Applications, 2009, 36(5): 8980-8985.

[6]Hou Y B, Pan R F, Wu J Y, et al. Coal mine safety evaluation based on the reliability of expert decision[J]. Procedia Earth and Planetary Science, 2009, 1(1): 1661-1667.

In order to solve the problem of the health condition assessment of marine hydraulic system,a dynamic assessment method is put forward and its principle is designed with modeling method,the residual generation,analysis method and the health degree calculation method studied.With an example,the specific model and the mapping relationship between residual and fault of the hydraulic system are built to assess the normalized index of health degree,which can provide the reference for the fault diagnosis and prediction.

hydraulic system;condition assessment;residual

国家部委预研基金项目(9140A27020214)

钱 超(1978-)，男,湖北武汉人，工程师,硕士，研究方向为装备综合保障工程管理。

TH137.1

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.03.015

2016-12-16