Bir elektro-hidrostatik aktüatör için uyarlanabilir filtrelere ve dönme hızı tahminine dayalı bir arıza algılama yönteminin tasarımı ve uygulanması
Summary
Bu yazıda, elektro-hidrostatik aktüatörün (EHA) elektriksel ve hidrolik arızalarını tespit etmek için normalleştirilmiş en küçük ortalama kare (NLMS) algoritmasına dayanan uyarlanabilir bir filtre ve bir dönme hızı tahmin yöntemi tanıtılmıştır. Yukarıda belirtilen yöntemlerin etkinliği ve fizibilitesi simülasyonlar ve deneylerle doğrulanmaktadır.
Abstract
Elektro-hidrostatik aktüatör (EHA), yüksek güç yoğunluğu ve düşük bakım nedeniyle daha fazla elektrikli uçak (MEA) için uçuş kontrol sistemlerinde kullanılan umut verici bir çalıştırma cihazıdır. Sistemin güvenilirliği artan karmaşıklıkla birlikte azaldığından, arıza tespiti giderek daha önemli hale gelmektedir. Bu yazıda, EHA’daki elektrik arızalarını tespit etmek için motor sargılarının direncini çevrimiçi olarak tanımlayabilen normalleştirilmiş en küçük ortalama kare (NLMS) algoritmasına dayanan uyarlanabilir bir filtre tasarlanmıştır. Ek olarak, dönme hızı ve yer değiştirme arasındaki analitik ilişkiye dayanarak, bir dönme hızı tahmin yöntemi tasarlanmıştır. Gerçek dönme hızını tahmin edilenle karşılaştırarak, hidrolik arızalar tespit edilebilir. Yukarıda belirtilen yöntemin etkinliğini doğrulamak için, hata enjeksiyonu ve tespitini içeren modelleme ve simülasyonlar için yazılım uygulanmıştır. Bu temelde, deneysel bir platform inşa edildi ve daha sonra bir dizi doğrulama deneyine tabi tutuldu. Sonuçlar, arıza algılama yönteminin bir EHA’daki elektrik ve hidrolik arızaları tespit etme potansiyeline sahip olduğunu göstermektedir.
Introduction
Elektro-hidrostatik aktüatör (EHA), daha fazla elektrikli uçakta (MEA) uçuş kontrolü için önemli bir bileşendir. Bir EHA’nın tipik yapısı Şekil 1’de gösterilmiştir. Kompakt yapısı, geleneksel hidrolik servo aktüatör (HSA)1 ile karşılaştırıldığında yüksek güç yoğunluğu, düşük bakım ve daha yüksek hata toleransı ve güvenliği garanti eder. Bununla birlikte, EHA’nın mevcut güvenilirliği daha fazla elektrikli uçağın pratik gereksinimlerini karşılayamaz2. Sonuç olarak, EHA’nın tasarımına artıklık teknolojisi dahil edilmiştir. Artıklık teknolojisinin etkinliğini en üst düzeye çıkarmak için, sistemin çalışma durumu bir arıza tespit yöntemi3 ile izlenmelidir. Arızanın oluştuğu yere göre, EHA’nın arıza modları servo kontrolör hataları ve güç kontrol ünitesi (PCU) arızaları olarak ikiye ayrılabilir. PCU hataları ayrıca sensör hataları, elektromekanik ünite hataları ve hidrolik ünite hataları olarak ayrılabilir. Servo kontrolörün arıza mekanizmasının EHA gövdesi ile çok az ilişkisi vardır ve sensörün arıza olasılığı, ekipman bileşeni 4’ünkinden çok daha düşüktür. Bu nedenle, bu yazıda elektromekanik ünite ve hidrolik ünitenin hatalarına odaklanıyoruz.
Elektromekanik ünite arızaları, motor sürücü modülü hatalarını ve fırçasız DC motor (BLDCM) hatalarını içerir. Genel olarak, bir güç sürücü elektroniği (PDE) arızası olasılığı (örneğin, kısa devre hatası, açık devre hatası) nispeten yüksektir. Kısa devre hatası meydana geldiğinde, PDE akımı kısa sürede keskin bir şekilde yükselir ve motorun kapanması veya elektrikli bileşenlerin hasar görmesi gibi ciddi sonuçlara neden olur. Açık devre arızası meydana geldikten sonra motor çalışma durumunu koruyabilse de, diğer elektrikli bileşenler için aşırı akım ve aşırı gerilim hala kaçınılmazdır ve sonuç olarak ikincil arızalar meydana gelebilir5. BLDCM’lere gelince, motor sargıları en çok kısa devre veya açık devre6’dan kaynaklanan arızalara eğilimlidir. Elektromekanik ünitedeki PDE, ilgili motor sargıları ile seri olarak bağlanır. Motor sargıları için tasarlanan arıza algılama yöntemi, PDE’deki arızalarla uğraşırken de etkilidir. Bu nedenle, hem motorda hem de PDE’de dahil olmak üzere elektromekanik ünite arızaları çevrimiçi olarak tespit edilmelidir.
Hidrolik ünite arızaları, sabit deplasmanlı pistonlu pompa, entegre valf bloğu ve çalıştırma silindiri7’deki arıza oluşumlarını içerir. EHA’nın pistonlu pompası pistonlardan, yıkama plakalarından ve valf plakalarından oluşur; Contanın hasar görmesi ve valf plakasının aşınması, arıza8’in ana formlarıdır. Bu iki arıza modu pompanın sızıntısını arttırır. Çıkış akışındaki ve basınçtaki anormal değişiklikler bunu takip eder ve nihayetinde çalıştırma silindirinin hızında bir azalmaya ve sistemin servo performansında bir azalmaya neden olur. Entegre valf bloğunun arıza modları arasında basınçlı rezervuar arızası, çekvalf hatası, tahliye valfi hatası ve mod seçim valfi hatası bulunur. Basınçlı rezervuar genellikle yüksek güvenilirliğe sahip kendi kendini güçlendiren bir tasarım benimser. Bununla birlikte, bir arıza meydana geldiğinde, yetersiz şarj basıncı pompanın kavitasyonuna neden olur ve anormal çıkış akışına neden olur. Yay yorgunluğu, komponent aşınması ve deformasyon, çek valflerde ve tahliye vanalarında yaygın arıza modlarıdır. Bir çekvalf arızası, doğrudan anormal akışa yol açan ters bir sızıntı olarak ortaya çıkar. Bir tahliye valfi arızası, geçersiz bir koruma fonksiyonuna yol açarak anormal basınca neden olur. Mod seçim valfinin yaygın hataları, geri dönüş yayının arızalanması ve kırık tel bobinleridir. Birincisi, çalışma durumunun akım içinde değişmesine neden olur ve bu da çalıştırma silindirinin anormal hareketine yol açar. Harekete geçiren bir silindir arızası, konum kontrolünde, hassasiyette ve dinamik performansta azalmaya neden olur. Özetle, hidrolik ünitelerin arızaları anormal akış ve basınca neden olur9. Bir EHA sisteminde akış ve motor dönme hızı yaklaşık olarak orantılı olduğundan, ani arızalardan kaynaklanan anormal akış ve basıncı tespit etmek için dönme hızı çevrimiçi olarak izlenebilir.
Daha önce bahsedilen elektromekanik ünite arızalarına ve hidrolik ünite arızalarına yönelik ilgili arıza tespit yöntemlerinin tasarlanması gerekmektedir. Elektromekanik bir sistemde arıza tespiti için yöntemler esas olarak durum tahmini ve parametre tanımlama10’u içerir. Bir durum gözlemcisi, bir durum tahmini yapan ve gözlemci tarafından üretilen artık sırayı analiz ederek hataları belirleyen sistemin matematiksel bir modeli temelinde inşa edilir. Alcorta ve ark., ticari uçaklarda titreşim arızası tespiti için iki düzeltme terimi içeren basit ve yeni bir doğrusal olmayan gözlemci önermişlerdir ve bu oldukça etkilidir11. Bununla birlikte, bu tür bir yöntem gözlemcinin sağlamlık problemini çözmelidir. Başka bir deyişle, model hatası veya dış rahatsızlıklar gibi hata dışı bilgilerin neden olduğu artık dizideki değişiklikleri bastırmalıdır. Dahası, bu yöntem genellikle pratik mühendislik uygulamalarında toplanması zor olan çok doğru model bilgileri gerektirir.
Parametre tanımlama yöntemi, sistemdeki önemli parametreleri tanımlamak için belirli algoritmalar kullanır. Bir hata oluştuğunda, karşılık gelen parametre değeri de değişir. Bu nedenle, parametrelerdeki bir değişiklik tespit edilerek hatalar tespit edilebilir. Parametre tanımlama yöntemi, artık dizinin hesaplanmasını gerektirmez, bu nedenle bozulmaların algılama doğruluğu üzerindeki etkisini önleyebilir. Uyarlanabilir filtre, kolay uygulanması ve istikrarlı performansı nedeniyle parametre tanımlamada yaygın olarak kullanılmaktadır, yani elektromekanik arıza tespiti için uygun ve uygulanabilir bir yöntemdir12. Zhu ve ark., gerçek uçuş durumu değerinin tahminini ve aktüatör arıza tespitini çevrimiçi olarak iyi performansla gerçekleştiren çekirdek uyarlamalı filtrelere dayanan yeni bir çok modelli uyarlanabilir tahmin hata algılama yöntemi önerdi13.
Önceki araştırmalara atıfta bulunarak, ilgili arıza tespit yöntemleri tasarlanmıştır. Sargıların direnci, açık devre hataları veya kısa devre hataları gibi elektrik arızaları meydana geldiğinde aniden değişir. Bu nedenle, bir elektrik arızasının meydana gelip gelmediğini belirleyebilen sargıların direncini tanımlamak için bir NLMS algoritmasına dayanan uyarlanabilir bir filtre tasarlanmıştır. Parametre vektörünün değişimini en aza indirmek için uyarlanabilir bir filtreyi NLMS algoritmasıyla birleştirmek, daha iyi ve daha hızlı bir yakınsama etkisine yol açar14. Hidrolik ünite arızaları için, pompanın dönme hızı ile çalıştırma silindirinin konumu arasındaki açık analitik ilişkiye dayanan bir dönme hızı tahmin algoritması önerilmiştir. EHA hidrolik arızaları, tahmini dönme hızı ile gerçek zamanlı olarak gerçek hız karşılaştırılarak çevrimiçi olarak tespit edildi.
Bu yazıda, simülasyonları ve deneyleri birleştiren bir test yöntemi benimsenmiştir. İlk olarak, EHA’nın matematiksel bir modeli oluşturuldu ve önerilen hata tespit yöntemi için bir simülasyon gerçekleştirildi. Simülasyon, hatasız ve arıza enjeksiyon koşullarında tespit yöntemlerinin doğrulanmasını içeriyordu. Daha sonra gerçek servo kontrolörde arıza tespit yöntemi gerçekleştirilmiştir. Son olarak, simülasyonların ve deneylerin sonuçları analiz edildi ve hata tespit yönteminin etkinliğini değerlendirmek için karşılaştırıldı.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu deneysel adımları yürütürken, doğru hesaplama sonuçları elde etmek için algoritmanın gerçek zamanlı kapasitesini sağlamak önemliydi. Sinyal toplama sürecindeki beyaz gürültü, simülasyonu gerçeğe daha yakın hale getirmek için gerçek sensörün özelliklerini simüle etmek için benimsenmiştir. Simülasyonlarda ve deneylerde, tanımlanan direnç ve tahmini dönme hızındaki dalgalanmayı azaltmak için hareketli ortalama filtreler uygulandı, bu da arıza özelliklerini daha kararlı ve değerl…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Çin Sivil Uçak Projesi (No. MJ-2017-S49) ve Çin tarafından desteklenmiştir.
Doktora Sonrası Bilim Vakfı (No. 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).
