27-直升机电源系统BIT技术的应用(陈琳玲)

第二十四届（2008）全国直升机年会论文 直升机电源系统BIT技术的应用及发展 陈琳玲 谢建华 韩跃峰 （陆军航空兵学院机载系，北京101123） 摘要：文中介绍了直升机电源系统机内自检测（Built-in-test，BIT）技术，举例说明BIT技术在直升机电源系统上的应用，并对我国今后直升机电源系统BIT技术的发展提出了建议。 1. 引言 1.1 BIT 技术的定义 机内检测（Built-in-test，以下简称BIT）是指系统或设备依靠自身的电路和程序，对自身的状态进行检测和监控，并对故障进行检测和隔离，具有这种功能的设备叫机内测试设备（Bit-test-equipment，以下简称BITE）。在系统或设备发生故障时，BITE能够检测到故障，界定故障范围，确定故障模式，进行故障处理，为机组或地勤人员解决问题提供对策，具有一定的报警能力。 设备自检测包括3个基本过程：检查和发现异常状态、诊断故障状态及部分、分析故障类型提出相应对策。因此，BIT技术作为一门独立的学科，它主要包括以下四个方面的内容： (1) 检测技术：准确地采集和测量反映电源系统状态的各种信号和参数，主要有转速、频率、电压、电流、温度等，关键在于提高精度和简化检测方法。 (2) 信号处理技术：将现场采集到的各种信号经过变换，将真正反映设备状态的信息提取出来，其核心任务是滤去噪声，提取有用信息。 (3) 故障识别和判断技术：即通常所说的故障诊断，根据掌握的电源系统的特征参量，判断故障并找出原因。 (4) 预测及故障处理技术：指对已识别出来的故障进行预测，预测故障的发展和设备剩余寿命，提出相应对策。主要有降级运行、跳闸保护、余度供电等几个方面的处理，同时通过一定的方式进行报警。 1.2 发展直升机电源系统BIT技术的意义 随着科学技术的进步,航空事业也得到了相应的发展,直升机上各个系统的自动化程度有了很大提高。并且，现代化战争也要求武器装备不但要有先进的战术性能，还要有良好的测试性，维修性和可靠性。在直升机装备越来越先进，功能越来越强大的同时，结构也越来越复杂，测试性和维修性越来越困难。测试性应当同维修性设计，可靠性设计一样，被所有设计人员自觉地看成是设计过程的要素和固有特性。 由于机内测试（BIT）技术很好地适应了直升机武器装备的测试性和维修性要求。它自上个世纪80年代从美国航空电子界开始发展以来，在各领域得到了广泛应用。在直升机维修行业中更是起着举足轻重的作用。具体现有如下几方面： （1）提高诊断能力：BIT技术可以测试芯片、电路板、系统各级故障，实现故障监测与故障隔离自动化。 （2）简化维修设备：BIT技术的应用可以大量减少维修资料、通用测试设备、备件和维修人员数量等。 （3）提高可靠性: 减少设备由于反复拆装所造成的人为故障，保证装备的战备完好率. （4）降低总体费用：BIT技术虽在一定程度上增加了产品设计的难度和生产成本，但从综合试验、维修、监测和提高设备可靠性等各方面看，能显著降低产品全寿命周期费用。 目前，BIT技术在直升机维修中得到了广泛应用。为了判定复杂系统是否处于正常工作，或者为了发现并隔离故障，采用BIT技术已经成为无可替代的选择。而电源系统是直升机的“血液”，它一旦发生故障，不能正常供电，不仅会影响训练和作战任务的完成，而且威胁飞行安全，导致贻误战机甚至机毁人亡的严重后果。以往，电源系统的维护主要是依靠人工进行，因此，它对维护人员的工作经验和技术水平依赖很大，要求很高，需要耗费大量的人力、物力和时间。有的直升机甚至因为长时间找不到故障原因而被迫停飞。鉴于BIT技术能够有效地对设备进行检测和监控。因此，在电源系统设计时引入BIT技术已成为必然。 2. 直升机电源系统BIT技术的应用 2.1基于故障树分析直升机电源系统的BIT技术 BIT技术的核心在于故障识别和判断，即通常所说的故障诊断。现在可用的推理办法很多，故障树分析法（Fault Tree Analysis，以下简称FTA）就是其中一种。由于故障树具有直接明了，思路清晰，逻辑性强等特点，且既能作定性分析，又可进行定量分析，因而成为应用最为广泛的分析方法。 故障树模型是反映诊断对象结构、功能和行为关系的定性因果模型,它体现了故障传播的层次和子、父结点间关系的因果性,故障树上某一子节点是父节点的故障源。故障树分析则是把系统不希望发生的事件（系统失效）作为分析的目标（顶上事件），接下来寻找所有引起该事件发生的直接原因，然后再找出所有可能引起上述原因的直接原因，依次进行下去。这样通过逐层向下推溯所有可能的故障原因，就可以找出系统内部的部件失效、元件缺陷和人为失误等原因（底事件）与系统失效（顶事件）之间的逻辑关系。全部分析过程遵从逻辑学演绎分析规则，体现了故障与引起故障诸因素之间的逻辑关系，再结合日常维护过程中所积累的电源系统故障资料，合理划分顶事件和底事件。然后，根据系统的运行情况，利用FTA便可对直升机电源系统有效地进行故障的诊断与隔离。 对于直升机整个电源系统，根据设备呈现的故障状态分为以下几种故障现象：发电机故障，蓄电池故障，汇流条故障，变压整流器故障，静止变流器故障，继电器故障，传感器故障等。下面以直流发电机不供电这个典型的故障树来说明故障树模型及其分析过程。如图1所示： 图1 直流发电机不供电故障树 根据故障树分析理论,图1中如果不细分反流割断器不接通是由于本身故障造成的还是由于其控制电路造成，可以确定该系统故障的最小割集共有四个，即根据其包含的故障原因可划分为四个故障模式类：直流发电机发电但不供电故障，直流发电机故障，调压器电路故障和激磁绕组电路故障。按从左到右的顺序分别表示为Di（i=1，2，3，4），用D0表示正常供电模式。根据最小割集的性质，若上述四个故障原因之一存在，就会导致顶事件发生，即系统发生故障。因此，可以选择下列检测点：连接发电机输出端汇流条，调压器正接线柱，发电机正接线柱和调压器激磁电路输出端。把这些检测点的电压作为特征参数，分别以U1,U2,U3,U4表示。当系统正常工作时，这些特征参数的数值都在规定范围；若发生故障，其中某些数值将超出规定的范围。定义各特征参数的正常取值范围为Uid(i=1,2,3,4),把各特征参数Ui转变为具有二变值量特性的特征值Ki。 i=1,2,3,4 结合系统电路工作原理，得出系统特征值与故障模式类之间的关系: 可以得到其故障字典如表1所示： F K1 K2 K3 K4 D0 0 0 0 0 D1 1 0 0 0 D2 1 1 1 1 D3 1 1 0 1 D4 1 1 0 0 表1 故障字典 构建了状态模拟系统(故障字典)后,监控系统将对电源系统进行故障判断和定位。故障判断和定位是故障检测的两大问题，通常有两种方法：一种是对全部故障逐个分析，即根据特征值和故障字典进行一一判断。与哪一行相符，系统就处于相应的状态。该方法常用于变量少而且较简单的系统。如果变量较多时，采用全部故障逐个分析法在计算的时间和内存空间占有上消耗大，经济性差。所以对于变量多的复杂系统，一般采用第二种方法，即结合KNN神经网络，对故障进行追踪。因为当系统中产生任何不一致的状态时，必然会立即反应到可检测的输出上，因而可以及时检出。然后，根据检出的故障值，追踪全部可能产生这一故障的位置。比如，直流发电机不供电的故障分析，采取KNN神经网络原理，为了明确地对故障进行判断和定位，采取树状跟踪进行判断。按各特征值绘制出以故障点为根据的追踪树，逐步进行判断。发电机不供电故障，构建其故障诊断树如图2所示: 图2 故障诊断树逻辑图 故障树绘制出后，就可以绘制出相应的故障诊断图以及编写故障诊断程序。通过分析我们可以看到FTA是对被研究对象进行了深入的分析后编制出来的，它不是对某一类或一次特定故障原因的简单分析，它可以全面地、系统地概括出所导致事故发生的各种原因，是对人、机、管理、环境四大因素的综合分析。利用FTA对直升机电源系统进行详细的分析后，明确了各故障关系，阐明了故障机理，具有良好的检测和监控作用。 2.2 BIT技术在直升机电源系统中的应用实例 下图3为某型直升机的发电机控制盒外形及电路板。发控盒的主要功能是调节发电机的输出电压、检测发电机的故障并保护发电机。 控制盒的主要部件是微处理机，微处理机根据存储程序可完成故障检测功能。控制盒的正面板上安装了故障检测按钮（8）、检测发光二极管LED（9），控制盒内安装有7块印刷电路板,其中有故障检测电路板（4）。 接通28V电压，按压故障检测按钮（8）时，控制盒微处理机内检测程序被起动。程序将依次检测控制电路和保护电路中的组成部分。如果检测结果正常，7±1.4S后，发光二极管LED(9)熄灭。10S后可再次检测。 1．调整电路板 2．保护电路电路板 3．逻辑电路板 4．故障检测电路板 5．电源电路板6．防短路电路板 7．互感器电路板 8．故障检测按钮 9．LED检测发光二极管 10．JI/A—J/IB—DSXN2R S26P S40P 26—01插头11．接地螺栓12．工厂标牌 图3 P/N 2438—100 发电机控制盒 3. 我国直升机电源系统BIT技术发展的几点建议 （1）在直升机电源系统设计的初期，就应重视BIT 技术的应用，贯彻可靠性、可测试性设计，强调化、综合化、化。 （2）要重视直升机电源系统的数字和物理仿真研究工作，国内在数字仿真方面已取得了很大成就，开发了全系统仿真软件，在此基础上，有待于进一步开展闭环系统的故障仿真工作，以获取大量的节点特征信息，优化故障字典的编写，减少冗余检测点和检测电路，使BITE本身的可靠性得到进一步提高。 （3）要开展故障识别和判断技术方法的研究，故障识别和判断技术是BIT技术的核心。直升机电源系统是数字电路和模拟电路的混合体，又有调压器的闭环控制，故障诊断极为复杂，BITE中不得不采取微处理器为核心。 （4）随着诊断技术的发展，又相继出现了基于数据采集的故障诊断方法和基于神经网络的故障诊断方法，由于受到电子技术发展及应用环境的制约，这些方法的真正应用还有待时日。在实际工作中，还要采取离线检测和BIT相结合的所谓综合诊断技术，以克服BIT设计的不足和环境变化造成的影响。它依据BITE测试的结果，根据维修人员的经验水平及少量的测试仪器，作进一步的检测，使故障检测率、隔离率达100％，虚警率降为零。 （5）为了充分发挥BIT技术的作用，有效的服务于直升机装备维修，真正实现装备维修现代化。在直升机电源系统设计时，应高度重视全系统完整性，高效率的监控、检测和自诊断系统，检测的结果应能显示在维护监控和座舱的多功能显示器上，并允许地面支持的设备提取机内检测数据。根据维修需要可将BIT设置在子系统，对其进行检测。下一代BIT肩负的任务不再仅限于检测和诊断，还应具有综合状态监测、复杂故障诊断、精确故障定位、系统状态控制、关键部件保护等多项功能，发展成集状态监控、故障诊断、控制决策于一体的智能综合系统。 4. 结束语 和国外相比，我国在故障诊断理论研究和实践方面还很落后，必须引起足够的重视。国外直升机电源BIT技术经历了四代应用和发展，国内仍有相当大的差距。在今后的直升机电源系统的研制中，要更重视这一技术的应用，使我国的直升机电源系统BIT技术能上一个新的台阶！ 参 考 文 献 [1] 朱新宇. 基于故障树的某型飞机电源BIT分析[N]. 沈阳航空工业学报，2000-3（B1）. [2] 徐亨成. 利用计算机技术对飞机电源系统故障诊断进行逻辑分析[N]. 国外电子测量技术北京， 2003（B3） [3] 张宝珍. 智能BIT技术[D]. 北京: 中国航空信息中心，2000-04.