臨近空間高超聲速飛行器電源系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)與健康管理關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、對(duì)于商業(yè)和軍事領(lǐng)域內(nèi)的低廉和省時(shí)飛行，以吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的臨近空間高超聲速飛行器（Hypersonic Vehicle in Near Space, HVNS）以其革命性的軍民兩用應(yīng)用前景，受到了各航空航天強(qiáng)國(guó)的高度重視和深入研究。作為航空與航天技術(shù)的綜合產(chǎn)物，高超聲速飛行器飛行環(huán)境復(fù)雜、飛行包線跨度大、高馬赫性、可靠性要求嚴(yán)格等特點(diǎn)對(duì)飛行器故障預(yù)測(cè)與健康管理（Prognostics and Health Management, PH

2、M）技術(shù)提出了許多新的研究挑戰(zhàn)。隨著高超聲速飛行器研究的興起，作為高超聲速飛行器最重要的研究問題之一，高超聲速飛行器電源系統(tǒng)PHM關(guān)鍵技術(shù)研究的重大理論意義和應(yīng)用價(jià)值日益凸顯出來，成為極其重要而且富有挑戰(zhàn)性的前沿科研課題。
　　本文以PHM理論為指導(dǎo)，以高超聲速飛行器電源系統(tǒng)PHM關(guān)鍵技術(shù)研究需要解決的四個(gè)關(guān)鍵問題為研究線索，綜合運(yùn)用信息管理、系統(tǒng)集成、失效物理、模式識(shí)別、概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和計(jì)算機(jī)仿真等學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)，系統(tǒng)深入地研究

3、了高超聲速飛行器電源系統(tǒng)PHM的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、故障診斷技術(shù)及故障預(yù)測(cè)技術(shù)。本文主要研究工作及創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　（1）設(shè)計(jì)了高超聲速飛行器電源系統(tǒng)的PHM系統(tǒng)。高超聲速飛行器PHM系統(tǒng)要求覆蓋高超聲速飛行器每個(gè)部件、每個(gè)分系統(tǒng)及整個(gè)系統(tǒng)，因此高超聲速飛行器PHM系統(tǒng)多采用分層架構(gòu)。首先設(shè)計(jì)了高超聲速飛行器電源系統(tǒng)的PHM系統(tǒng)的組成，將整個(gè)電源系統(tǒng)的PHM系統(tǒng)分為本體PHM子系統(tǒng)和地面PHM子系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了每個(gè)子系統(tǒng)的構(gòu)成和功能，然后，設(shè)

4、計(jì)了電源系統(tǒng)PHM系統(tǒng)的功能，從功能角度將整個(gè)電源系統(tǒng)PHM系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)、故障預(yù)測(cè)系統(tǒng)、輔助決策系統(tǒng)和維護(hù)保障系統(tǒng)，并研究了每個(gè)系統(tǒng)的功能，最后，設(shè)計(jì)了電源系統(tǒng)PHM系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)和物理實(shí)現(xiàn)。
　?。?）研究了傳感器系統(tǒng)選擇技術(shù)。傳感器系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要組成部分，選擇的傳感器系統(tǒng)是否符合高超聲速飛行器電源系統(tǒng)PHM系統(tǒng)的要求，將直接影響高超聲速飛行器電源系統(tǒng)PHM系統(tǒng)的有效性。因此，首先概述了傳感

5、器系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)和分類，然后給出了傳感器系統(tǒng)的選擇流程，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上，通過研究監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇、傳感器系統(tǒng)的問卷調(diào)查以及傳感器系統(tǒng)選擇的標(biāo)準(zhǔn)和參考意見，完成了傳感器系統(tǒng)的選擇，最后，在前面研究的基礎(chǔ)上，以鋰離子電池為例，實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池溫度傳感器系統(tǒng)的選擇。
　?。?）提出了歷史數(shù)據(jù)有限或者無歷史數(shù)據(jù)情況下的基于多元狀態(tài)估計(jì)技術(shù)（Multivariate State Estimation Technique, MSET）的故障診斷方法

6、。鑒于高超聲速飛行器電源系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)有限和對(duì)故障診斷技術(shù)的要求，提出了基于MSET的故障診斷方法，該故障診斷方法由基于MSET的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和基于序貫概率比檢驗(yàn)（Sequential Probability Ratio Test, SPRT）的故障檢測(cè)所組成。在歷史數(shù)據(jù)有限或者無歷史數(shù)據(jù)的情況下，通過對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)定量或者不定量的更新，實(shí)現(xiàn)了基于MSET的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，隨后在研究SPRT的基礎(chǔ)上，當(dāng)實(shí)際殘差樣本的分布不可知時(shí)，引入了非參數(shù)的SPRT

7、方法，創(chuàng)造性的提出了基于MSET的狀態(tài)監(jiān)測(cè)+基于序貫秩和概率比檢驗(yàn)（SequentialRank-SumProbabilityRatioTest, SRPRT）的故障檢測(cè)的故障診斷方法。首先通過概述基于MSET的狀態(tài)監(jiān)測(cè)流程，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上研究了基于MSET的狀態(tài)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)，然后，根據(jù)基于MSET的狀態(tài)監(jiān)測(cè)得到的殘差，研究了基于SPRT的故障檢測(cè)，最后，在前面研究的基礎(chǔ)上，以鋰離子電池為例，實(shí)現(xiàn)了基于MSET的鋰離子電池故障診斷，其

8、中，在對(duì)鋰離子電池在進(jìn)行故障檢測(cè)時(shí)，根據(jù)設(shè)置的第一類錯(cuò)誤和第二類錯(cuò)誤值的不同，將得到的異常分為“三級(jí)異?！?，“二級(jí)異?！保耙患?jí)異?！焙汀肮收稀彼姆N類型，并將鋰離子電池基于MSET的故障診斷的結(jié)果同閾值檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行了比較，說明了基于MSET的鋰離子電池故障診斷方法的有效性。
　?。?）提出了基于MSET的故障預(yù)測(cè)方法。通過找出基于MSET的狀態(tài)監(jiān)測(cè)得到的實(shí)際殘差與產(chǎn)品退化的關(guān)系，建立了產(chǎn)品的退化模型，然后，根據(jù)同實(shí)際監(jiān)測(cè)產(chǎn)品具有