Design og anvendelse af en fejldetekteringsmetode baseret på adaptive filtre og estimering af rotationshastighed for en elektrohydrostatisk aktuator
Summary
I dette papir introduceres et adaptivt filter baseret på en normaliseret mindste middelkvadratisk (NLMS) algoritme og en rotationshastighedsestimeringsmetode til at detektere de elektriske og hydrauliske fejl i den elektrohydrostatiske aktuator (EHA). Effektiviteten og gennemførligheden af ovennævnte metoder verificeres gennem simuleringer og eksperimenter.
Abstract
Den elektrohydrostatiske aktuator (EHA) er et lovende aktiveringsapparat, der anvendes i flyvekontrolsystemer til flere elektriske fly (MEA) på grund af dets høje effekttæthed og lave vedligeholdelse. Da systemets pålidelighed falder med stigende kompleksitet, bliver fejldetektering stadig vigtigere. I dette papir blev et adaptivt filter designet baseret på en normaliseret mindst gennemsnitlig kvadratisk (NLMS) algoritme, som kunne identificere modstanden af motorviklingerne online for at detektere elektriske fejl i EHA. Derudover blev der baseret på det analytiske forhold mellem rotationshastighed og forskydning designet en metode til estimering af rotationshastighed. Ved at sammenligne den faktiske rotationshastighed med den estimerede kunne hydrauliske fejl detekteres. For at verificere effektiviteten af ovennævnte metode blev der anvendt software til modellering og simuleringer, som omfattede fejlinjektion og detektion. På dette grundlag blev der bygget en eksperimentel platform og derefter udsat for en række valideringseksperimenter. Resultaterne indikerer, at fejldetekteringsmetoden har potentiale til at detektere elektriske og hydrauliske fejl i en EHA.
Introduction
Den elektrohydrostatiske aktuator (EHA) er en nøglekomponent til flyvekontrol i flere elektriske fly (MEA). Den typiske struktur af en EHA er vist i figur 1. Dens kompakte struktur garanterer høj effekttæthed, lav vedligeholdelse og højere fejltolerance og sikkerhed sammenlignet med den traditionelle hydrauliske servoaktuator (HSA)1. EHA’s nuværende pålidelighed kan imidlertid ikke opfylde de praktiske krav til flere elektriske fly2. Som følge heraf er redundansteknologi blevet introduceret i designet af EHA. For at maksimere redundansteknologiens effektivitet skal systemets driftsstatus overvåges ved hjælp af en fejldetekteringsmetode3. I henhold til det sted, hvor fejlen opstår, kan EHA’s fejltilstande opdeles i servoregulatorfejl og strømstyringsenhed (PCU) fejl. PCU-fejl kan yderligere opdeles i sensorfejl, elektromekaniske enhedsfejl og hydrauliske enhedsfejl. Servoregulatorens fejlmekanisme har ringe forhold til EHA-kroppen, og sensorens fejlsandsynlighed er meget lavere end for udstyrskomponenten4. Derfor fokuserer vi på fejlene i den elektromekaniske enhed og hydrauliske enhed i dette papir.
Elektromekaniske enhedsfejl omfatter fejl i motordrevmodulet og børsteløse DC-motorfejl (BLDCM). Generelt er sandsynligheden for en fejl i kraftdrevelektronik (PDE) (f.eks. En kortslutningsfejl, en åben kredsløbsfejl) relativt høj. Når der opstår en kortslutningsfejl, stiger PDE-strømmen kraftigt på kort tid og forårsager alvorlige konsekvenser såsom motorafbrydelse eller beskadigelse af de elektriske komponenter. Selvom motoren kan opretholde sin arbejdsstatus, efter at der opstår en åben kredsløbsfejl, er overstrøm og overspænding for de andre elektriske komponenter stadig uundgåelige, og sekundære fejl kan derfor forekomme5. Hvad angår BLDCM’erne, er motorviklingerne mest tilbøjelige til fejl fra kortslutning eller åbent kredsløb6. PDE i den elektromekaniske enhed er forbundet i serie med de tilsvarende motorviklinger. Fejldetekteringsmetoden, der er designet til motorviklingerne, er også effektiv, når der håndteres fejl i PDE. Derfor bør elektromekaniske enhedsfejl, herunder både i motoren og PDE, detekteres online.
Fejl i hydraulikenheden omfatter fejlforekomster i stempelpumpen med fast forskydning, integreret ventilblok og aktiveringscylinder7. EHA’s stempelpumpe består af stempler, vaskeplader og ventilplader; Skader på tætningen og slid på ventilpladen er de vigtigste former for fejl8. Disse to fejltilstande øger pumpens lækage. Unormale ændringer i udgangsflow og tryk følger og fører til sidst til et fald i aktiveringscylinderens hastighed og en reduktion i systemets servoydelse. Fejltilstandene for den integrerede ventilblok inkluderer en trykbeholderfejl, en kontraventilfejl, en aflastningsventilfejl og en tilstandsvalgsventilfejl. Det tryksatte reservoir vedtager normalt et selvforstærkende design med høj pålidelighed. Når der opstår en fejl, forårsager utilstrækkeligt ladetryk imidlertid kavitation af pumpen, hvilket resulterer i unormal udgangsstrøm. Fjedertræthed, komponentslid og deformation er almindelige fejltilstande i kontraventiler og overlastventiler. En kontraventilfejl viser sig som en omvendt lækage, hvilket direkte fører til unormal strømning. En aflastningsventilfejl fører til en ugyldig beskyttelsesfunktion, hvilket resulterer i unormalt tryk. De almindelige fejl i tilstandsvalgsventilen er svigt i returfjederen og ødelagte trådspoler. Førstnævnte forårsager strømskift af arbejdsstatus, hvilket fører til unormal bevægelse af aktiveringscylinderen. En aktiverende cylinderfejl resulterer i et fald i positionskontrolpræcision og dynamisk ydeevne. Sammenfattende forårsager fejl i hydraulikenhederne unormalt flow og tryk9. Da flow- og motorrotationshastigheden er omtrent proportional i et EHA-system, kan rotationshastigheden overvåges online for at detektere unormalt flow og tryk på grund af pludselige fejl.
Tilsvarende fejldetekteringsmetoder rettet mod de tidligere nævnte elektromekaniske enhedsfejl og hydrauliske enhedsfejl skal designes. Metoderne til fejldetektion i et elektromekanisk system omfatter hovedsageligt tilstandsestimering og parameteridentifikation10. En tilstandsobservatør er bygget på grundlag af en matematisk model af systemet, der foretager en tilstandsestimering og bestemmer fejl ved at analysere den resterende sekvens, der genereres af observatøren. Alcorta et al. foreslog en enkel og ny ikke-lineær observatør med to korrektionsudtryk for detektering af vibrationsfejl i kommercielle fly, hvilket er yderst effektivt11. Denne type metode skal imidlertid løse observatørens robusthedsproblem. Med andre ord skal den undertrykke ændringerne i restsekvensen forårsaget af ikke-fejlinformation såsom modelfejl eller eksterne forstyrrelser. Desuden kræver denne metode ofte meget nøjagtige modeloplysninger, som normalt er vanskelige at indsamle i praktiske tekniske applikationer.
Parameteridentifikationsmetoden anvender visse algoritmer til at identificere de vigtige parametre i systemet. Når der opstår en fejl, ændres den tilsvarende parameterværdi også. Derfor kan fejl detekteres ved at detektere en ændring i parametrene. Parameteridentifikationsmetoden kræver ikke beregning af restsekvensen, så den kan undgå virkningen af forstyrrelser på detektionsnøjagtigheden. Det adaptive filter er blevet brugt i vid udstrækning til parameteridentifikation på grund af dets nemme implementering og stabile ydeevne, hvilket betyder, at det er en gunstig og gennemførlig metode til elektromekanisk fejldetektion12. Zhu et al. foreslog en ny multi-model adaptiv estimering fejldetekteringsmetode baseret på kerneadaptive filtre, som realiserer estimeringen af den reelle flyvetilstandsværdi og aktuatorfejldetekteringen online med god ydeevne13.
Med henvisning til den tidligere forskning er der designet tilsvarende fejldetekteringsmetoder. Viklingernes modstand ændres brat, når der opstår elektriske fejl, såsom åbne kredsløbsfejl eller kortslutningsfejl. Derfor blev et adaptivt filter designet baseret på en NLMS-algoritme til at identificere viklingernes modstand, som kan afgøre, om der er opstået en elektrisk fejl. Kombination af et adaptivt filter med en NLMS-algoritme for at minimere ændringen af parametervektoren fører til en bedre og hurtigere konvergenseffekt14. For hydrauliske enhedsfejl blev der foreslået en algoritme til estimering af rotationshastighed baseret på det klare analytiske forhold mellem pumpens rotationshastighed og aktiveringscylinderens position. EHA hydrauliske fejl blev opdaget online ved at sammenligne den estimerede rotationshastighed med den faktiske hastighed i realtid.
I dette papir blev der vedtaget en testmetode, der kombinerer simuleringer og eksperimenter. For det første blev der bygget en matematisk model af EHA, og der blev udført en simulering for den foreslåede fejldetekteringsmetode. Simuleringen omfattede verifikation af detektionsmetoderne under fejlfrie og fejlindsprøjtede forhold. Derefter blev fejldetekteringsmetoden realiseret i den rigtige servostyring. Endelig blev resultaterne af simuleringerne og eksperimenterne analyseret og sammenlignet for at evaluere effektiviteten af fejldetekteringsmetoden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ved udførelsen af disse eksperimentelle trin var det vigtigt at sikre algoritmens realtidskapacitet for at opnå nøjagtige beregningsresultater. Den hvide støj i signaloptagelsesprocessen blev vedtaget for at simulere egenskaberne ved den faktiske sensor for at gøre simuleringen tættere på virkeligheden. I simuleringerne og eksperimenterne blev glidende gennemsnitsfiltre anvendt for at reducere udsvingene i den identificerede modstand og estimerede rotationshastighed, hvilket gjorde fejlegenskaberne mere stabile og…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af det kinesiske civile flyprojekt (nr. MJ-2017-S49) og Kina
Postdoc Science Foundation (nr. 2021M700331).
Materials
| LabVIEW | NI | NI LabVIEW 2018 | |
| Matlab/SIMULINK | MathWorks.Inc | R2020a | |
| Personal Computer | Lenovo | Y7000 2020H | |
| 24V Switching Power Supply | ECNKO | S-250-24 | |
| Programmable Current Source | Greens Pai | GDP-50-30 |
References
- Fu, Y., et al. Review on design method of electro-hydrostatic actuator. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics. 43 (10), 1939-1952 (2017).
- Qi, H., et al. Modelling and simulation of a novel dual-redundancy electro-hydrostatic actuator. 2015 International Conference on Fluid Power and Mechatronics (FPM) IEEE. , 270-275 (2015).
- Chao, Q., et al. Integrated slipper retainer mechanism to eliminate slipper wear in high-speed axial piston pumps. Frontiers of Mechanical Engineering. 17, (2022).
- Yoo, M., et al. A resilience measure formulation that considers sensor faults. Reliability Engineering& System Safety. 199, 106393 (2019).
- Fang, J., et al. Online inverter fault diagnosis of buck-converter BLDC motor combinations. IEEE Transactions on Power Electronics. 30 (5), 2674-2688 (2015).
- Lisnianski, A., et al. Power system structure optimization subject to reliability constraints. Electric Power Systems Research. 39 (2), 145-152 (1996).
- Fu, T., Wang, L., Qi, H., Liu, H. Fault diagnosis and management of electric hydrostatic actuator. Machine Tool & Hydraulics. 38 (9), 120-124 (2010).
- Maddahi, A., Kinsner, W., Sepehri, N. Internal leakage detection in electrohydrostatic actuators using multiscale analysis of experimental data. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 65 (12), 2734-2747 (2016).
- Guo, S., et al. Hydraulic piston pump in civil aircraft: Current status, future directions and critical technologies. Chinese Journal of Aeronautics. 33 (01), 16-30 (2020).
- Jackson, E. Real-time model-based fault detection and diagnosis for automated systems. IEEE Industry Applications Society Dynamic Modeling Control Applications for Industry Workshop. , 26-28 (1997).
- Alcorta, G. E., Zolghadri, A., Goupil, P. A novel non-linear observer-based approach to oscillatory failure detection. 2009 European Control Conference (ECC). , 1901-1906 (2009).
- Castaldi, P., et al. Design of residual generators and adaptive filters for the FDI of aircraft model sensors. Control Engineering Practice. 18 (5), 449-459 (2010).
- Zhu, P., Dong, W., Mao, Y., Shi, H., Ma, X. Kernel adaptive filtering multiple-model actuator fault diagnostic for multi-effectors aircraft. 2019 12th Asian Control Conference (ASCC). , 1489-1494 (2019).
- Hidayat, R., Ramady, G. D., Lestari, N. S., Mahardika, A. G., Fadriani, H. Optimization of normalized least mean square algorithm of smart antenna beamforming for interference mitigation. Journal of Physics: Conference Series. 1783, 012085 (2021).
- Fu, J., et al. Modelling and simulation of flight control electromechanical actuators with special focus on model architecting, multidisciplinary effects and power flows. Chinese Journal of Aeronautics. 30 (1), 47-65 (2017).
- Li, Z., et al. New normalized LMS adaptive filter with a variable regularization factor. Journal of Systems Engineering and Electronics. 30 (2), 259-269 (2019).
