0 引言

　　APU（Auxiliary Power Units）即輔助動(dòng)力裝置，其核心部件是一個(gè)安裝在飛機(jī)尾部的小型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。APU除了無法為飛機(jī)提供推力外，它幾乎可以代替飛機(jī)引擎的所有功能，可以為飛機(jī)引擎的啟動(dòng)、空調(diào)等提供氣源，在緊急情況下為飛機(jī)提供電源等。因此，APU成為現(xiàn)代飛機(jī)上面一個(gè)不可或缺的設(shè)備。國(guó)內(nèi)、外對(duì)飛機(jī)主引擎的運(yùn)行狀況十分重視并已取得了很大成功。而對(duì)APU的性能監(jiān)控與可靠性研究基本上處于空白階段，仍然依靠事后定點(diǎn)維修的方法，這使得APU常常工作在亞健康狀態(tài)，直至出現(xiàn)重大故障才會(huì)對(duì)其進(jìn)行維修，這不僅增大了航空公司的運(yùn)營(yíng)成本，也對(duì)飛機(jī)的飛行安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

　　針對(duì)以上狀況，本文在借鑒對(duì)飛機(jī)引擎故障智能診斷方面經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了利用數(shù)字濾波算法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來建立APU故障智能診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過分析處理APU上面監(jiān)控傳感器輸出的數(shù)據(jù)，以期可以盡早發(fā)現(xiàn)APU潛在的前期故障，進(jìn)而提醒機(jī)務(wù)維修人員及早對(duì)APU進(jìn)行維修。利用本實(shí)驗(yàn)室與南航沈陽維修基地相關(guān)項(xiàng)目采集的數(shù)據(jù)，建立了基于可測(cè)信息源的APU智能故障診斷系統(tǒng)；并利用APS3200型APU的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行分析診斷，結(jié)果表明該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)APU潛在故障的診斷，且診斷正確率較高，滿足項(xiàng)目預(yù)期要求[1-2]。

1 APU故障智能診斷系統(tǒng)

　　如果APU在運(yùn)行時(shí)發(fā)生故障，相應(yīng)的監(jiān)測(cè)傳感器輸出參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，故障不同，傳感器輸出參數(shù)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。因此，可以通過分析和處理這些傳感器輸出參數(shù)的變化情況，進(jìn)而智能化地診斷出APU的故障（種類、嚴(yán)重程度及發(fā)生部位），這便是APU故障智能診斷系統(tǒng)。

　　1.1 APU傳感器信號(hào)獲取與分析

　　APU性能監(jiān)控參數(shù)（即傳感器輸出數(shù)據(jù)）通過進(jìn)入MCDU（Main Centralized Display Unit）中的數(shù)據(jù)記憶模塊DMM獲得，在DMM中關(guān)于APU的性能監(jiān)控參數(shù)多達(dá)一百多個(gè)。本文在進(jìn)行故障智能診斷時(shí)根據(jù)一線APU機(jī)務(wù)維修人員經(jīng)驗(yàn)、廠家建議以及實(shí)際診斷需求分析，選取了其中幾個(gè)重要的參數(shù)作為APU性能監(jiān)控參數(shù)。本文主要選取了NPA（峰值轉(zhuǎn)速）、EGTP（峰值溫度）、STA（APU啟動(dòng)時(shí)間）、EGT（排氣溫度）、PT（引氣壓力）、WB（引氣流量）、OT（滑油溫度）等作為APU故障監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)源。

　　APU監(jiān)控傳感器輸出的信號(hào)中含有豐富的、能夠反映APU實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的有用信息，但由于APU工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生高溫、高壓、強(qiáng)震動(dòng)等惡劣環(huán)境參數(shù)，傳感器輸出的信號(hào)中會(huì)混有大量噪聲以及干擾成分。為了消除和降低噪聲及干擾的影響，在提取信號(hào)后對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理時(shí)，首先需要將APU監(jiān)控傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，將信號(hào)中的野點(diǎn)和壞值剔除，濾掉信號(hào)中的隨機(jī)干擾噪聲。在濾波算法上，主要采用小波分析和巴特沃斯數(shù)字濾波器。之后需要將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行消除趨勢(shì)項(xiàng)、歸一化等處理[2-4]。

　　1.2 APU故障智能診斷分析

　　APU故障智能診斷，就是根據(jù)APU運(yùn)行過程中產(chǎn)生的可測(cè)信息源數(shù)據(jù)，對(duì)其性能狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)、識(shí)別和預(yù)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)變化情況。根據(jù)對(duì)傳感器輸出數(shù)據(jù)的處理，在APU發(fā)生事故之前，及時(shí)作出智能化的診斷，確保機(jī)務(wù)維修人員可以盡快查明APU故障發(fā)生的原因和可能發(fā)生的部位，以便機(jī)務(wù)維修人員可以及時(shí)采取相應(yīng)決策排出故障，消除故障，減少故障保留，提高APU運(yùn)行的可靠性和安全性。

　　故障智能診斷的關(guān)鍵在于找到傳感器參數(shù)變化狀況與APU故障特征參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)機(jī)務(wù)維修人員實(shí)際維修中的經(jīng)驗(yàn)，APU常見的故障有：（1）整機(jī)性能衰減（1，0，0，0，0）；（2）轉(zhuǎn)軸機(jī)械卡阻（0，1，0，0，

　　0）；（3）起動(dòng)機(jī)故障（0，0，1，0，0）；（4）滑油冷卻器故障（0，0，0，1，0）；（5）燃油組件故障（0, 0, 0, 0, 1）。

2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論

　　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量模仿人腦細(xì)胞處理單元組成的非線性、大規(guī)模、自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，具有學(xué)習(xí)、記憶、并行計(jì)算以及智能處理功能，其可以在不同程度和不同層次上模仿人腦神經(jīng)系統(tǒng)并進(jìn)行信息處理、存儲(chǔ)以及檢索功能等功能。它具有非線性、非局域性、非定常性和非凸性等特點(diǎn)[3-4]。

　　本文的故障智能診斷模型中用到的是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過程包括網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的前向計(jì)算和誤差的反向傳播計(jì)算。在前向計(jì)算中，輸入信息從輸入層經(jīng)隱含層逐層處理并傳向輸出層，每一層神經(jīng)元的狀態(tài)僅影響下一層的神經(jīng)元狀態(tài)。如果在輸入層得不到期望的輸出，則轉(zhuǎn)入誤差反向傳播，通過修改各層神經(jīng)元的連接權(quán)值，從而使得誤差最小。

　　取前向網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元的激勵(lì)函數(shù)為S型函數(shù)，任一節(jié)點(diǎn)的輸出為Oj，輸入為netj，則為節(jié)點(diǎn)j與上一層節(jié)點(diǎn)i的連接權(quán)值，j為節(jié)點(diǎn)的門限值。

　　使用均方型誤差函數(shù)為目標(biāo)函數(shù)，即：

3 APU故障智能診斷的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

　　3.1 APU故障診斷建模方法

　　設(shè)備故障智能診斷的實(shí)質(zhì)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備征兆空間到設(shè)備故障空間的映射。設(shè)xkn(k=1，2，…，j)對(duì)應(yīng)APU運(yùn)行狀態(tài)的第n個(gè)觀測(cè)樣本的第j個(gè)特征參數(shù)，ypn(p=1，2，…，i)對(duì)應(yīng)第n個(gè)樣本的i種故障模式。共有N個(gè)樣本，xkn∈RN，ypn∈RN(n=1，2，…，N)，則設(shè)備故障模式與設(shè)備特征參數(shù)之間有一定的內(nèi)在關(guān)系，該映射關(guān)系可以表示為函數(shù)F，則有X=F(Y)。當(dāng)N→∞時(shí)，函數(shù)F的逆函數(shù)F存在，有Y=F(X)。故設(shè)備故障智能診斷的實(shí)質(zhì)就是根據(jù)有限的樣本集，確定函數(shù)F(X)的一個(gè)等價(jià)映射關(guān)系P(X)，使得對(duì)于任意的>0，均有：

　　||F(X)-P(X)||=||Y-Q||(8)

　　式中：Q=P(X)為模型輸出，Y=F(X)為標(biāo)準(zhǔn)輸出，||·||為定義在樣本空間R上的范數(shù)[7-10]。

　　3.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的選擇

　　根據(jù)前面對(duì)APU典型故障特征的分析，選擇APS3200型APU可測(cè)信息源中的7個(gè)參數(shù)作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)?shù)，選擇APU比較典型的5種故障模式作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出層節(jié)點(diǎn)。

　　為了使系統(tǒng)診斷的正確率較高，將權(quán)重設(shè)置為較小的隨機(jī)數(shù)，從而避免激活函數(shù)在開始時(shí)就進(jìn)入飽和區(qū)。在BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，如果學(xué)習(xí)速率?琢取值不合適，則BP網(wǎng)絡(luò)達(dá)不到理想的收斂效果；而動(dòng)量因子取值過大時(shí)將會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)發(fā)散，取值過小時(shí)則會(huì)使網(wǎng)絡(luò)收斂速度變慢。根據(jù)以往積累的經(jīng)驗(yàn)，本文將將學(xué)習(xí)速率設(shè)置為?琢=0.36，動(dòng)量因子設(shè)置為?姿=0.56。

　　由于網(wǎng)絡(luò)的輸入節(jié)點(diǎn)物理量綱各不相同，造成各個(gè)傳感器輸出數(shù)據(jù)大小相差很大，各指標(biāo)訓(xùn)練樣本之間不具備可比性，無法進(jìn)行綜合評(píng)估。故在將數(shù)據(jù)源導(dǎo)入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析訓(xùn)練診斷之前，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理[11-15]。

4 APU故障智能診斷實(shí)例

　　選擇APS3200型APU的7個(gè)傳感器的輸出數(shù)據(jù)作為測(cè)試（診斷）數(shù)據(jù)，這7個(gè)信息源如表1所示。故障診斷系統(tǒng)如圖2所示。

　　將采集到的相關(guān)傳感器檢測(cè)輸出數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字濾波處理，并對(duì)其進(jìn)行歸一化處理后，作為系統(tǒng)輸入樣本數(shù)據(jù)，經(jīng)基于改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷系統(tǒng)處理后，將APU的健康狀況打印輸出出來，供機(jī)務(wù)維修人員使用。部分故障樣本數(shù)據(jù)以及模型診斷結(jié)果如表2、表3所示。

　　根據(jù)系統(tǒng)診斷計(jì)算，得出的結(jié)果是該型APU出現(xiàn)“滑油冷卻器故障”故障，在機(jī)務(wù)人員進(jìn)行檢修時(shí)，確實(shí)出現(xiàn)該故障。在實(shí)際使用中診斷結(jié)果的正確性充分證明了該故障智能診斷模型的實(shí)用性和可行性。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　根據(jù)以上系統(tǒng)診斷結(jié)果輸出可以看出，該智能故障診斷系統(tǒng)診斷結(jié)果準(zhǔn)確，可以滿足實(shí)際機(jī)務(wù)維修需求。同時(shí)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用表明，該智能故障診斷系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)APU故障特征與APU故障的較好映射，可以用于解決APU這種復(fù)雜系統(tǒng)的故障診斷問題。該智能故障診斷系統(tǒng)具有重要的工程實(shí)踐意義與推廣價(jià)值，對(duì)于提高我國(guó)民航機(jī)務(wù)自動(dòng)化維修水平具有重要意義，同時(shí)對(duì)提供航空公司經(jīng)濟(jì)效益也有重要幫助。

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