飛控計算機系統剩餘壽命預測方法
2023-06-16 01:18:41 1
專利名稱：飛控計算機系統剩餘壽命預測方法
技術領域：
本發明涉及一種單通道飛控計算機系統預期壽命檢測，應用於飛控計算機系統的 故障監測和更換，屬於飛控計算機自動控制技術領域。
背景技術：
單通道飛控計算機是小型飛行器正常工作的必要部件，也是構成大中型飛機的冗 餘式飛控計算機的基礎。飛控計算機主要是對飛行器的飛行控制律解算，使飛行器自動跟 隨指令和適應環境(幹擾)變化，而且保證在安全、經濟的條件下運行。飛控計算機設備通常在方案論證期間就提出壽命指標與要求，並在研製期間完成 壽命分析報告和耐久性試驗；而在使用期間需定時或實時進行壽命評估，並按時限更換壽 命短的部件。但是，由於一種型號的飛機，特別是小型飛機的產量較低，相應的某一型號的 飛控計算機產量也較低，飛控計算機價格又相對較高，所以一般做少量損耗性實驗，缺乏充 分的可靠性數據；由於電子器件及設備故障的隨機性，少量實驗獲取的可靠性數據誤差較 大；而另一方面，飛機對飛控計算機可靠性要求高，導致根據實驗數據所制定的維修更換時 間過短，造成極大浪費。所以說，目前飛控計算機壽命指標的設計、試驗與評估還存在不少 問題，有待進一步研究解決，以實現較成熟的方法和系統。傳統上，用於飛控計算機的檢查和預測性維護的處理通常牽涉到監視各種各樣的 工作參數，諸如飛控計算機的電流、電壓、振動、溫度等等，以便檢測即將來臨的故障。這些 參數隨時被監視，當某個參數的值超過預定的閥值時被用來觸發維修建議。當前技術趨勢 是通過把各種傳感器附著到飛控計算機上的關鍵環節來使得檢測過程自動化，以便通過離 線監視或在線監視技術不斷地收集信息。運行中的飛控計算機的參數數據可以被連續地跟 蹤，其中超過特定的範圍或數值的數據可被用來啟動報警，以便通知操作人員特定的類型 的故障模式即將來臨。然而，傳統的檢查和預測維修過程僅僅以即將來臨的故障為目標，不 能提供飛控計算機可靠度的評估，也不提供在需要修理/更換之前的剩餘工作時間的估計 值。另一方面，來自飛控系統的以前的檢查和常規維修而獲得的服務和修理信息通常 沒有被加以彙編以供執行預測/預報維護或進行飛控計算機健康狀況綜合分析。傳統上， 維護專家只評估可得到的歷史信息，然後根據以前的趨勢和個人經驗作出維修建議。對於 特定的某型系統進行維修或執行維護的決定主要是基於由專家的主觀判斷形成的設備的 可靠度和可使用性的估計。在其他情形下，保護性的維護僅僅是基於飛控計算機運行的小 時數或自從上一次維修以來的時間，而不是根據任何鑑於條件的測試結果。而且，即使維 護專家希望從特定的飛控計算機系統收集測試數據或參數的運行數據以便執行更詳細的 分析，但是飛控計算機系統的傳統地面線路通信的接入方式往往不具備用於下載這樣的數 據。在給出了以上討論的問題後，希望設計一種能夠收集和在線分析飛控計算機參數 的方法和系統，它們能夠根據系統的溫度、電壓、振動條件，檢測飛控計算機的異常，並預測
3飛控計算機可靠度和在需要修理/更換前估計的工作時間。
發明內容
本發明的一個目的是提供一種能夠在線計算飛行控制計算機剩餘壽命預測方法， 藉助於該方法或裝置，可以簡便而準確地判斷飛控計算機的剩餘壽命。本發明的另一個目的是提供異常檢測方法，以保障飛行安全，提高飛機的可靠性。本發明的另一個目的是提供一種在線統計飛控計算機可靠性的方法，彌補前期可 靠性實驗數據不足。本發明為實現上述目的，採用如下技術方案本發明飛控計算機系統剩餘壽命預測方法如下採用飛控計算機系統的狀態傳感器組檢測所述飛控計算機系統得到工作狀態數 據，工作狀態數據包括主控晶片溫度、環境溫度、電源電壓和溫度以及飛控計算機振動數 據；把工作狀態數據傳到機載健康監控計算機；利用模糊專家系統，根據工作狀態數據和故障統計模型，進行飛控計算機系統的 故障檢測；獲取在機載資料庫中的飛控計算機系統歷史數據；利用模糊專家系統，根據歷史數據和故障檢測結果，進行飛控計算機系統的壽命 估計；對工作狀態數據進行數據壓縮；將工作狀態數據和故障檢測信息下載到地面計算伺服器；在地面計算伺服器對多個飛機的飛控計算機信息進行綜合，形成統計數據，更新 在計算伺服器中的地面資料庫信息；更新機載資料庫信息。優選地，所述狀態傳感器組包括一個環境溫度檢測傳感器，用於檢測飛控計算機的外部環境溫度；一個主控晶片溫度檢測傳感器，用於檢測飛控計算機的主控晶片工作溫度；一個電源溫度檢測傳感器，用於檢測飛控計算機的電源工作溫度；一個電源電壓檢測傳感器，用於檢測飛控計算機的電源的多路電壓；一個MEMS微加速度傳感器，用於檢測飛控計算機所處的振動狀態；或直接採用飛 控系統中的加速度計信息。優選地，所述工作狀態數據壓縮包括對動態調整存儲周期和計算並保持狀態數據 的差值。優選地，所述模糊專家系統包括模糊推理規則、故障檢測模型和壽命預測模型。優選地，所述機載資料庫，用於存儲飛控計算機的基本信息和歷史工作狀態數據。優選地，所述飛控計算機系統還包括提供圖形用戶接口，顯示故障之前的時間或 預測以移動的條形圖形形式表示飛控計算機系統壽命。本發明具有以下有益效果(1)壽命預測的應用是在監控計算機上安裝飛控系統壽命預測軟體，該軟體完成兩類計算第一類實時運行，根據設定的時間間隔，從機載資料庫中讀取所需的數據，進行 可靠性計算與壽命預測，計算的結果，再送到資料庫保存，供地面檢測計算機調用 』第二類 為按指令運行，接收輸入的基礎數據，進行可靠性計算與壽命預測，計算的結果，送到數據 庫保存，並返回給輸出端。(2)壽命預測的結果根據實際需要，可以用三類方式輸出。第一類為由於實時監測 數據超限而觸發報警，報警信號輸出給機師或地面監控人員；第二類根據操作者發出的請 求，機載監控計算機做出動態響應，通過調用壽命預測計算機軟體，完成可靠性計算與壽命 預測，形成壽命預測結果，返回給用戶；第三類為定期檢測時與地面檢測計算機連線通訊， 將前期飛行中統計的可靠性數據，輸出給地面檢測計算機。本發明使用以上給定的系統和方法，根據系統壽命數據和統計結果、失效後果的 嚴重程度和已使用的日曆時間來確定部件的更換周期、優化檢修間隔。本發明的優點是在飛控計算機工作過程中，可以實時監測工作狀態數據，及時進 行健康狀態的評估；並可以統計長期可靠性數據，彌補前期地面老化實驗不足，為設備的安 全使用和改進提供依據；定量預測飛控計算機部件的剩餘壽命，實現更換周期、優化檢修間 隔和剩餘壽命的在線估計，以便地面合理安排計劃檢修，使部件的壽命與可靠性處於受控 狀態，避免部件突然失效造成的經濟損失，又可以充分使用電子元器件的剩餘壽命，達到了 合理使用飛控計算機剩餘壽命和優化檢修的技術效果。本發明的另一個優點是壽命預測的計算成本小，所需資源少，可以利用已有的硬 件資源，如嵌入式的實時監控計算機甚至可以用飛控計算機本身的計算資源實現，有利於 在低成本的小型飛機中使用；採用可擴展的資料庫，其參數描述系統多方面的特性，且調整 方便，足夠用於不同的飛控計算機。
圖1是本發明的壽命預測系統實施的結構示意圖；圖2是本發明的壽命預測系統實施的功能框圖；圖3是作為故障率和服務時間的函數的飛控計算機系統的有用的壽命範圍(浴盆 曲線)；圖4是本發明的軟體框圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發明飛控計算機系統剩餘壽命預測方法如下採用飛控計算機系統的狀態傳感器組檢測所述飛控計算機系統得到工作狀態數 據，工作狀態數據包括主控晶片溫度、環境溫度、電源電壓和溫度以及飛控計算機振動數 據；把工作狀態數據傳到機載健康監控計算機；利用模糊專家系統，根據工作狀態數據和故障統計模型，進行飛控計算機系統的 故障檢測；獲取在機載資料庫中的飛控計算機系統歷史數據；利用模糊專家系統，根據歷史數據和故障檢測結果，進行飛控計算機系統的壽命估計；對工作狀態數據進行數據壓縮；將工作狀態數據和故障檢測信息下載到地面計算伺服器；在地面計算伺服器對多個飛機的飛控計算機信息進行綜合，形成統計數據，更新 在計算伺服器中的地面資料庫信息；更新機載資料庫信息。優選地，所述狀態傳感器組包括一個環境溫度檢測傳感器，用於檢測飛控計算機的外部環境溫度；一個主控晶片溫度檢測傳感器，用於檢測飛控計算機的主控晶片工作溫度；一個電源溫度檢測傳感器，用於檢測飛控計算機的電源工作溫度；一個電源電壓檢測傳感器，用於檢測飛控計算機的電源的多路電壓；一個MEMS微加速度傳感器，用於檢測飛控計算機所處的振動狀態；或直接採用飛 控系統中的加速度計信息。優選地，所述工作狀態數據壓縮包括對動態調整存儲周期和計算並保持狀態數據 的差值。優選地，所述模糊專家系統包括模糊推理規則、故障檢測模型和壽命預測模型。優選地，所述機載資料庫，用於存儲飛控計算機的基本信息和歷史工作狀態數據。 優選地，所述飛控計算機系統還包括提供圖形用戶接口，顯示故障之前的時間或預測以移 動的條形圖形形式表示飛控計算機系統壽命。實施例1設計了一種模糊推理方法，用於根據工作狀態傳感器輸入來預報故障模式。壽命 預測系統實施的功能框圖如圖2所示。該方法引入地面和機載兩種資料庫，其中含有用於 傳感器輸入的概率分析的檢查信息，多套飛控計算機系統參數和長期統計數據，並且引入 模糊規則，用來把傳感器輸入與預期的後果相聯繫。壽命預測軟體工作流程如圖4所示。對傳感器組的檢測數據，首先根據資料庫中 存有的統計參數，對輸入量進行模糊化，如表1所示，然後進行異常門限判別。超過門限值， 設定相應的超限標誌，否則不設定。再依據專家系統的知識庫規則進行故障檢測推理。比 如，規則設定環境溫度正常，電源多路電壓超低，且電源溫度超高，則飛控計算機有故障。 如果判定有故障，則設定相應的故障標誌。最後進行剩餘壽命估計。如果壽命發生突變或 接近壽命終了，則告警。重複以上流程，直到本次飛行任務完成。表1傳感器輸入量模糊設定
超低低正常同超高晶片溫度 80 "C電源溫度 80 "C環境溫度 50"C
6電壓標準 105%振動0 50%50% 100%100% 200%200% 300%> 300% 注振動以當時加速度均值為基準值。對工作狀態數據，與基準值求差，對差值進行存儲。且根據差值調整存儲的周期， 藉助表1，若差值在正常範圍內，則按4倍採樣周期存儲；若在高/低範圍內，則按2倍採樣 周期存儲；若在超高/低範圍，則按單採樣周期存儲，以實現數據壓縮。當然，在此基礎上， 可以再使用其他常規壓縮算法。對飛控計算機系統的各部件統計其平均無故障的時間(MTTF)數據。然後，專家系 統根據可靠度模糊規則計算系統的可靠度，並產生總的系統可靠度分布S，並依此得到系統 的預期壽命。S是系統的各個部件的故障率r的函數，如下所述
η夕=fie
i=\系統每個部件都有不同的有效壽命，相應的故障率r可以用「浴盆」曲線來描述， 見圖3。由於單通道飛控計算機的各模塊的故障率是獨立的，所以使用相乘的關係來計算 系統的可靠度。各模塊壽命按照概率密度函數而分布，對於電子器件為主的飛控計算機系 統，一般取Weibull分布。各個Weibull分布的數據可以從地面檢測資料庫提取，這個數據 庫是根據前期老化實驗和長期工作統計數據而編集的。飛控計算機可靠度的條件性概率 f (A I B)，通過收集系統的現場數據而被確定。實施例2針對定製的飛控計算機系統使用。壽命預測系統利用已有的飛控計算機軟硬體資 源，主程序存儲和運行在飛控計算機中，飛控計算機啟動時即伴隨工作。飛控計算機開機 後，利用傳感器組監視晶片、電源等環節的溫度、電壓，環境振動等工作狀態數據，並壓縮存 儲在飛控計算機系統中。每次飛行任務完成返場後，將數據下傳到地面檢測計算機，進行綜 合統計分析。其中，資料庫中有兩個表，一個為公共數據表，一個為各套數據狀態表，分別如表 2、表3所示表2公共數據表屬性
數據意義變量首次故障時間(Hour)tl二次故障時間(Hour)t2三次故障時間(Hour)t3多次故障時間(Hour)t4
權利要求
一種飛控計算機系統剩餘壽命預測方法，其特徵在於該方法如下採用飛控計算機系統的狀態傳感器組檢測所述飛控計算機系統得到工作狀態數據，工作狀態數據包括主控晶片溫度、環境溫度、電源電壓和溫度以及飛控計算機振動數據；把工作狀態數據傳到機載健康監控計算機；利用模糊專家系統，根據工作狀態數據和故障統計模型，進行飛控計算機系統的故障檢測；獲取在機載資料庫中的飛控計算機系統歷史數據；利用模糊專家系統，根據歷史數據和故障檢測結果，進行飛控計算機系統的壽命估計，所述飛控計算機歷史數據包括飛控計算機系統和部件的出廠初始數據、歷史可靠性數據；對工作狀態數據進行數據壓縮；將工作狀態數據和故障檢測信息下載到地面計算伺服器；在地面計算伺服器對多個飛機的飛控計算機信息進行綜合，形成統計數據，更新在計算伺服器中的地面資料庫信息；更新機載資料庫信息。
2.根據權利要求1所述的飛控計算機系統剩餘壽命預測方法，其特徵在於所述狀態傳 感器組包括一個環境溫度檢測傳感器，用於檢測飛控計算機的外部環境溫度； 一個主控晶片溫度檢測傳感器，用於檢測飛控計算機的主控晶片工作溫度； 一個電源溫度檢測傳感器，用於檢測飛控計算機的電源工作溫度； 一個電源電壓檢測傳感器，用於檢測飛控計算機的電源的多路電壓； 一個MEMS微加速度傳感器，用於檢測飛控計算機所處的振動狀態；或直接採用飛控系 統中的加速度計信息。
3.根據權利要求1所述的飛控計算機系統剩餘壽命預測方法，其特徵在於所述工作狀 態數據壓縮包括對動態調整存儲周期和計算並保持狀態數據的差值。
4.根據權利要求1所述的飛控計算機系統剩餘壽命預測方法，其特徵在於所述模糊專 家系統包括模糊推理規則、故障檢測模型和壽命預測模型。
5.根據權利要求1所述的飛控計算機系統剩餘壽命預測方法，其特徵在於所述機載數 據庫，用於存儲飛控計算機的基本信息和歷史工作狀態數據。
6.根據權利要求1所述的飛控計算機系統剩餘壽命預測方法，其特徵在於所述飛控計 算機系統還包括提供圖形用戶接口，顯示故障之前的時間或預測以移動的條形圖形形式表 示飛控計算機系統壽命。
全文摘要
本發明公布了一種飛控計算機系統剩餘壽命預測方法，包括用機載健康監控計算機保存飛控計算機的歷史可靠性數據、獲取工作狀態數據、利用模糊專家系統執行飛控計算機的故障檢測、可靠度分析、壽命預測。工作狀態數據是從狀態傳感器組獲得。模糊專家系統的開發是用來為飛控計算機系統的可靠度建模，根據工作狀態數據和模糊規則推理來評估飛控計算機系統的工作條件，進行故障檢測及預測剩餘壽命。本發明的優點是在能在線估計飛控計算機系統的剩餘壽命。
文檔編號G06F11/34GK101963937SQ20101050006
公開日2011年2月2日 申請日期2010年9月29日 優先權日2010年9月29日
發明者劉劍慰, 姜斌, 張化光, 程月華, 陳復揚 申請人:南京航空航天大學