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专利名称：飞行器气动控制阀的性能监测和预报的制作方法
技术领域：
在这里本技术涉及操作中的电子装备的就地测试，并且更具体地涉及采用间接测 量评估飞行器气动控制阀门的健康状态。
背景技术：
普通人日常生活中看到的大多数阀门是手动操作的。比如，你的厨房水槽的水龙 头由水阀控制。移动手柄打开阀门让水流动。关闭阀门手柄停止水的流动。可以使用不同 的阀门来控制不同的水流动。例如，热水阀控制热水的流动，冷水阀控制冷水的流动。现代飞行器广泛使用阀门。阀门可用于调节很多过程变量，如流体流动、温度以及 其他。然而通常，阀门被电气地控制，而不是手动地致动。通常，气动阀连接在闭环控制系 统中。一般地说，现代气动控制环路中，气动阀的下游流体流动传感器或其他的传感器监测 阀门控制的流体的某些流动特性。监测到的特性反馈到微处理器或其他用于电气控制阀门 的打开的电路。使用该现代气动控制环路可以实现对过程参数的十分精确的控制。在诸如飞行器和工厂的依赖气动阀门控制系统的正确操作的应用中，阀门的老化 和故障是严重的问题。因此通常需要能够自动监测气动阀门控制系统。在不总是方便检查 阀门运行(例如在飞行中)的飞行器和其他环境下这一点尤为重要。异常运行可能表示例 如阀门发生严重老化从而导致将来的功能故障。故障或者老化机理可以是例如导致运动部 件之间的严重磨损的异常摩擦；杂质沉积造成的空气管道堵塞；机械疲劳和断裂；经受不 同压力的点处的非控制的空气泄漏；以及其他现象。阀门中的以及受控过程中的传感器可以提供不仅对过程控制环路有用而且对识 别异常运行和进行阀门的健康监测也有用的测量。除了过程变量的测量之外，系统的控制 器可利用特定传感器来测量内部阀门状态，例如内部压力和致动器位置。专用于监测气动 阀门以及其相关的控制环路的健康的特定功能的内部传感器可用于允许对阀门内部组件 的故障模式的更精确的探测和隔离。当很多更新的气动阀门包括这样的内部传感器时，那 些可能已经安装在该领域的老式阀门设计却经常没有包括。由于功能限制、成本约束或其 他因素，导致这样的内部传感器在原有设计中很少出现。 受控过程的测量也可能受到异常阀门运行的影响。因此，这样的测量也可以用于 提供阀门的健康的间接指示。然而间接测量可能不一定允许隔离基础(root)故障模式，而 且更多地受到能掩蔽老化效果的外部扰动的影响。通过简单的例证，来自花园水管的末端 的水流的减少可能由于水阀的磨损，但也可能是水压的降低或者水管的扭结。
有些人已经使用复杂的数学和动态系统建模来分析地估计阀门、控制器和过程状态。这些组件的初始状态、系统输入和扰动被记录下并且被馈送到创建期望系统如何运行 的动态模型的处理器。真实的系统状态和模型所预期的状态的差别能够被分析并且转化为 阀门健康估计。额外的故障扩散和老化演变模型提供了发现故障模式的效果并且识别故障 系统中的故障模式的方法。该方法的缺点是模型可能因不完备性、不准确性或真实系统相 对模型系统的随机参数偏差而不能准确表现系统特性。另一缺点是建模方法复杂。凡是复 杂的事物都会导致自身的错误而被错认为是系统的错误。故障诊断系统可能指出一个并非 错误的错误。因此，虽然这样的建模系统很有用，但该方法有限制。进一步的改进是可能的 也是有必要的。

发明内容
这里的示例性说明性的非限制性技术使用了另一种诊断问题的方法比较在相同 或相似的环境下运行的两个相同或相似的过程的信号和其他参数。如果多个相同的系统处 于相同的环境和运行状况下，可以期望他们测得的状态将非常相似。在测量状态下观测到 的差别能够因此就与系统之一中发生的老化有关。经验表明两个系统同时出现显著的功能 老化是不大可能的。因此，这样的差别可以用于确定老化的系统并估计它的健康状况。根据这里的示例性说明性的非限制性实施方式的一方面，比较在相同或相近的条 件下运行的相同阀门的测量结果。差别被转化为对单个阀门的老化状态的估计。历史老化 状态可用于预测故障时间的预期时间。用于估计飞行器机载气动阀门控制系统的健康状况 的示例性说明性的非限制性实施方式包括监测由第一气动阀门控制的第一过程的状态；监 测由第二气动阀门控制的第二过程的状态；比较第一过程的监测状态和第二过程的监测状 态以产生至少一个比较结果；并且至少部分地响应于所述比较结果确定与第一气动阀门和 第二气动阀门中的至少之一的健康状况相关联的至少一个参数。


参照下面详细描述的非限制性的示意性的实施例以及附图将更好更全面的理解 这些以及其他的特征和优点。图1示意性地示出示例性说明性的非限制性的现有技术的闭环气动阀门控制系 统；图2示出示例性说明性的非限制性的用于确定阀门老化指标的算法；图3A和3B示出示例性说明性的非限制性的比较估计操作器；图4是示例性说明性的非限制性的用于预测故障的算法的流程图；图5A和5B示出示例性说明性的来自阀门控制系统的历史测量结果；图6A和6B示出示例性说明性的非限制性的两个阀门控制系统运行的比较；图7A和7B示出示例性说明性的非限制性的阀门老化分析结果的图表；图8示出将比较结果发送到地面系统的技术；图9和10示出示例性说明性的非限制性的用于保留测量信息并且将问题警示给 飞行员和维修机组人员的算法；以及图11示出示例性说明性的非限制性的可视指示器。
具体实施例方式图1示出示例性说明性的非限制性的闭环过程控制系统100，其执行由气动阀门101控制的过程。控制阀门101调节对于来自压缩空气或其他源102的空气流的约束。阀 门101的开启状态确定要供给受控的过程的压缩气体的量。下游传感器104、105、106测量输送给受控过程的压缩气体流有关的参数。例如， 传感器104可以测量流速，传感器105可以测量下游空气压力，传感器106可以测量下游空 气温度。传感器104、105、106的输出可以提供给电子控制器107。控制器107从这些传感 器进行读取并使用控制算法。控制算法可以包括一个或多个控制法则并响应于外部的参考 信号或值108或者时间表等等。控制器107输出响应控制信号来控制气动阀门101的开启 状态。要控制的过程的状态一般不是由气动阀门101的位置唯一地确定。一般地说，负 载、内部系统的改变以及外部扰动都会一定程度地影响受控过程的状态。即便电子控制器 107可以在控制回路中工作以使真实状态和参考状态之间的差别最小化，但是过程可能仍 然会因这样的外部扰动和作用而偏离期望的运行。一般地说，在因参考状态或系统条件的突然或其他改变(如阶跃(step))而产生 的瞬变过程中错误可能是更可视的。在这样的瞬变过程中，控制和致动部件响应于变化但 可能导致超出了它们的通常或理想的范围。就在这样的瞬变运行中，响应可能受到诸如气 动阀门101的即将发生的故障的巨大影响。因此这样的瞬变状态提供了良好的机会以在瞬 变效应可视并且可重复时，例如在标准的测试或者步骤响应中进行测量。气动阀门101中的传感器104、105、106进行的测量可以以直接估计内部阀门的状 况的形式提供完整的信息。然而，也可以通过可变过程变量间接估计阀门状况。此外，根据 这里的示例性说明性的非限制性的实施例，能够监测与两个或更多类似的气动阀门101相 关的过程变量。比较与多个气动阀门101相关的过程参数来诊断和预测可能的故障。另一个需求的系统特性是，与气动阀门101的老化无关的扰动，例如来自供应空 气或周边环境的扰动，可能以相同的方式影响所有被监测的阀门。余量(residue)和比较 结果通常较不容易受到通用模式组件支配的扰动的影响。这通常是与在相同或不同飞行器 上的对称或重复布置的飞行器气动阀101有关的情况。图2示出示例性说明性的非限制性的用于将传感器测量转化为阀门老化指标的 算法。在示出的示例性说明性的非限制性的实施例中，在块202中比较并且估计状态测量 结果Xij(201)(来自过程i e {1,2,…，η}的传感器je {1,2,…，m})，生成余量或者比 较结果。每个传感器j测量物理状态，其包括但不限于例如温度，压力，流速或者其他能测 量的状态。测试下的每个过程i提供了这样的物理状态测量。如下文所说的，通过比较安 装在相同或相近位置的相同或相近类型的传感器的测量结果获得示例性说明性的余量或 者比较结果。图3A和3B示出余量评估块202的示例。如所示的，余量评估块202比较过程测 量结果和参考值，该参考值又可基于其它过程测量结果。等同的影响所有过程并且通常与 阀门101的故障预兆无关的通用模式扰动可以通过相对简单的操作移除。比较后获得的余 量因而与通用模式分量无关并且更直接地与阀的情况相关。
图3A示出两个阀门运行被监测和比较的示例。这个情况可用于(a)同时监测的 两个不同阀门的运行；(b)不同时(例如之前和现在，或者在时间Tl和迟于Tl的时间T2) 监测的同一阀门的运行；和/或(c)不同时间监测的两个不同阀门的运行(例如监测第一 飞机的第一阀门的历史信息和监测不同的第二飞机的第二阀门的历史信息)。在这种情况下，余量TljJ2j (303)通过确定两过程的测量结果Xlj,X2j (301)差别的 差别操作器302计算得出。可以应用以下示意性的公式ru = Xlj-X2j(1)r2J = X2j-Xlj(2)当多于两个的阀门101运行被监测或分析时，图3B中所示的余量rij (308)根据下 述公式从测量结果Xij (304)和参考值Xref, j (306)之间的差(307)获取或提取riJ = Xij-Xrefjj(3)参考值」可以依赖于测量结果Xlj，X2j···，、，并能够从平均、中值或其他算法或 统计方法生成(305)。比较得到的余量Tij (203)常表现出很大的相关性。例如，压力下降一般与温度下 降关联。在示例性说明性的非限制性的实施例中，主分量提取阶段(204)对于测试的每个 气动阀门101将余量转变成单独的分量yi (205)。示例性说明性的非限制性的数学公式 用于将转变成yi。该数学公式可以基于例如理论模型，诸如PCA(主分量分析)的统计 学分析或其他本领域技术人员已知的模型或分析。选择的分量Yi应该以承载与阀门101老 化相关的需要的信息的方式来计算。如果过程只有一个可用的状态测量结果，那么只有一 个余量可被算出，并且主分量提取204可能就不需要了。在示例性说明性的非限制性的实施例中，与阀门101相关的主分量yi转变(在块 206中)成阀门老化指标屯(207)。这种转化可以根据数学函数d = f(y)来进行以提供健 康评估。用于将主分量Yi转变成阀门老化指标Cli的函数可以基于物理模型或者完全使用 经验结果，或者是两者以及其他函数的结合。能够选择用于块206的数学函数以将好的可 靠的阀门老化的指示器转化为单独的Cli值。图4示出示例性说明性的非限制性的使用在故障发生之前的历史测量结果来生 成老化函数的方法。第一步(401)获取作为时间的函数的测量结果(tk)。下一步是根据 上述步骤提取单值的主分量yi(tk)(块402)和余量或者比较结果Xij (tk)。下次故障的时刻、」(、)可以预先知道或者根据历史数据确定(块403)。标准化的下次故障时间tyUk)可以从故障时间如下地获得(块404)V ^tk) = tk-tFji(tk)(4)该故障时间用于估计作为时间的函数的老化Cli (tk) = d(ViUk)) (405)。该阀门 被假定为当故障发生时完全老化(当tk =、」(、)时，屯(、)=1)，并且直到当在提取的主 分量中观察到变化(与故障开始或初期故障)时的时间、才老化。选择时间、的标准可 以基于yi(tk)的统计学分析或者其他算法。在时亥ij ViUk) = t(l和LiUk) =O之间，老 化值di (tk)是从0到1线性地内插的。具有来自同一或不同飞行器上几个历史故障事件之前的几个阀的估计的老化值 CliUk)和提取的主分量71(、)，可以采用曲线拟合技术将老化作为主分量的函数来建模CliUk) =f(yi(tk))。f的一般形式可以是线性的、多项式的、指数的、对数的或其他适用于 故障机理的函数，只要其单调地增加或减少。该函数然后可以用于在图2的最后一步(206) 中计算阀门的老化。图5、图6和图7示出从其测量温度和压力的两个气动阀门的状况监测系统的示例性信号。在图5中，阀门1的温度X11 (501)和压力X12 (502)以及阀门2的温度X21 (503)和 压力x22 (504)被绘制为时间的函数。本示例中，阀门1出现了四个故障事件，阀门2在事件 期间完好。图6示出阀门1的温度余量rn (601)和压力余量r12(602)；相对于原有的测量 结果，它们明显的较少的受到了不想要的通用模式扰动的影响，而保持了与老化有关的必 要的信息。通过压力下降(603)和相关的温度下降(604)可以观测到老化。在图7中，示 出阀门1的主分量71(701)和估计的老化Cl1 (702)。可以看出，本示例中估计的老化显然超 过了 50%并且以相当恒定的速率发展直到大约100%，此时阀门故障。图8示出示例性说明性的非限制性的用于获得飞行器机载传感器数据并将其插 入到数据库803中的处理布置。在这种情况下，飞行器到达机场(块801)。飞行器在飞行 中获得的传感器信息传送到处理站(块802)。这些传送处理可以是手动的或是自动的。收 集到的数据被写入地面站的数据库(块803)。该过程可以为每个着陆飞行器重复。通过收 集不同飞行器的控制系统的数据，能够确定特定飞机的过程控制系统的老化。图9示出示例性说明性的非限制性的处理图8中的数据库803中的数据的处理布 置。图9的过程可以独立于图8所述的过程而运行并且可以连续运行。第一步(块903) 核查是否有新数据写入数据库803。如果没有，则示例性过程可进入一个循环直到新数据插 入。当检查探测到有新的数据库上传，则根据上文所述的机制处理新上传的数据(块904) 以生成系统的健康状态。这些结果都保存在数据库803里，然后过程返回到新数据的检查。图10示出示例性说明性的非限制性的在操作器站展现结果的处理布置。图10的 过程可以独立于图8和图9所述的过程而运行并且可以只在操作者访问用户界面才运行。 第一步(块1002)从数据库803下载相关数据。过程接着基于用户偏好(块1004)确定 (块1003)警示结果。这样的用户偏好可以使用例如从能够由操作员编辑并且存储在操作 员站或者处理站的用户的选择提供的参数。这样的结果可以展现为在显示器上生成的网络 报告(块1005)，或者通过其他可视、可听或可触的指示来展示。示例性说明性的非限制性的警示系统可提供如图11所示的指示。随着老化增加， 显示的(条)区域可以从“无消息”到“提醒”和“警报”。常数Al和A2可以是限定警报间 隔的参数。这些数字可以通过操作员的用户界面来定义。例如，显示中可用的“警报灵敏度 等级”可以提供用户定义输入选择诸如“高”、“中”、“低”。“高”输入选择可将Al和A2设定 为较低的值，“低”选择可将Al和A2设定为较高的值。“中”选择可将这些参数定义为中间 值。虽然在这里已经结合示例性说明性的非限制性实施例描述了本技术，但是本发明 不受到公开内容的限制。例如，虽然结合闭环气动阀门控制系统来描述上述技术，但是其他 应用(例如开环系统，没有使用气动阀门的控制系统等等)也是可能的。此外，虽然上文描 述的技术特别适用于从飞行中的飞机收集的数据的地面分析，但是其他布置(例如除了飞 行应用，机载分析，等等)也是可能的。本发明意在通过权利要求书限定，并覆盖所有的相 应和等价的方案，无论其是否在这里被具体地公开。
权利要求
一种评估飞行器机载气动阀门控制系统的健康状况的方法，包括监测由第一气动阀门控制的第一过程的状态；监测由第二气动阀门控制的第二过程的状态；比较第一过程的监测状态和第二过程的监测状态，以产生至少一个比较结果；以及至少部分地响应于所述比较结果，确定与第一气动阀门和第二气动阀门中的至少一个的健康状况相关的至少一个参数。
2.如权利要求1所述的方法，还包括监测由第三气动阀门控制的第三过程的状态，并 且使用由所述的第三气动阀门控制的所述第三过程的所述状态获得比较结果。
3.如权利要求1所述的方法，其中在第一飞行器上进行由所述第一气动阀门控制的所 述第一过程，并且在不同于所述第一飞行器的第二飞行器上进行由所述第二气动阀门控制 的所述第二过程。
4.如权利要求1所述的方法，还包括基于参考值选择来计算所述比较结果。
5.一种评估气动阀门控制系统的健康状况的系统，包括监测由第一气动阀门控制的第一过程的状态的装置；监测由第二气动阀门控制的第二过程的状态的装置；比较第一过程的监测状态和第二过程的监测状态以产生至少一个比较结果的装置；以及至少部分地响应于所述比较结果确定与第一气动阀门和第二气动阀门中的至少一个 的健康状况相关的至少一个参数的装置。
6.如权利要求5所述的系统，还包括监测由第三气动阀门控制的第三过程的状态的装 置，并且其中用于比较的装置使用由所述第三气动阀门控制的所述第三过程的所述状态获 得比较结果。
7.如权利要求5所述的系统，其中第一提及的监测装置布置在第一飞行器上，并且第 二提及的监测装置布置在不同于所述第一飞行器的第二飞行器上。
8.如权利要求5所述的系统，还包括基于参考值选择来计算所述比较结果的装置。
9.一种飞行器，包括闭环控制系统，其包括用于控制当前流动的至少一个气动阀门，监测受控的流体流动 的至少一个特性的至少一个传感器，以及被联接用于至少部分地响应于所述至少一个传感 器电气地控制所述至少一个气动阀门的闭环控制器；和被联接用于接收所述传感器产生的输出的气动阀门健康监测系统，所述监测系统比较 所述传感器的输出，并且产生所述至少一个气动阀门的健康状况的健康指示。
10.如权利要求9所述的飞行器，其中所述监测系统至少部分地基于地面。
11.如权利要求9所述的飞行器，其中所述闭环控制系统包括余量评估器、主分量提取 器和健康估计器。
12.如权利要求11所述的飞行器，其中所述余量评估器包括至少一个加法器。
13.如权利要求11所述的飞行器，其中所述余量评估器至少部分响应于至少一个参考 值选择器。
14.一种监测基于气动阀门的控制系统的健康状况的方法，包括获取关于至少一个气动阀门的运行的历史测量结果；提取余量和主分量；确定下次故障时间；标准化故障时间；估计极限和中间故障时间；以及应用曲线拟合函数以将主分量和老化指标相关。
15. 一种监测基于气动阀门的控制系统的健康状况的系统，包括获取关于至少一个气动阀门的运行的历史测量结果的装置；提取余量和主分量的装置；确定下次故障时间的装置；标准化故障时间的装置；估计极限和中间故障时间的装置；以及应用曲线拟合函数以将主分量和老化指标相关的装置。
全文摘要
飞行器气动控制阀的性能监测和预报。本发明提出一种通过可用传感器的间接测量来估计飞行器气动控制阀门的健康状态的方法。比较相同状况下运行的相同阀门的测量。余量被转化成单个阀门老化状态的估计。历史老化状态可用于预测故障的预期时间。
文档编号G01M99/00GK101799365SQ200911000249
公开日2010年8月11日 申请日期2009年12月23日 优先权日2008年12月23日
发明者卢卡斯·卡姆普斯·普蒂尼, 阿玛拉 迪亚哥·莫雷斯·杜 申请人:巴西航空有限公司