一种基于DSP的机载液压泵源故障诊断系统.pdf

本发明公开了一种基于DSP的机载液压泵源故障诊断系统，包括数据采集系统、信号调理系统、信号处理系统、上位机显示系统、电源系统和恒流源模块，所述的信号处理系统由A/D转换系统及DSP信号处理系统组成，所述的DSP数据处理系统选取DSPTMS320F2812芯片，在信号处理系统中对飞机泵源系统进行故障诊断，最终，通过CAN总线将数据状态和诊断结果传输到上位机显示系统进行显示。本发明采用小体积、高可靠性的嵌入式DSP系统，适应飞机上灵活的需要，满足机载故障诊断系统的特殊要求，提高了故障诊断系统的实时性和准确性。

1、  一种基于DSP的机载液压泵源故障诊断系统，其特征在于：该系统包括数据采集系统、信号调理系统、信号处理系统、上位机显示系统、电源系统和恒流源模块；数据采集系统通过传感器采集航空液压泵源的信息，并转换成电信号传输给信号调理系统，信号调理系统对电信号进行电压跟随、滤波、放大预处理，预处理后的结果输出给信号处理系统进行A/D转换和故障诊断，诊断结果通过CAN总线传输给上位机显示系统进行显示，电源系统为信号调理系统和信号处理系统提供电源；恒流源模块为数据采集系统中的加速度传感器提供恒流源；
所述的信号处理系统由A/D转换系统及DSP信号处理系统组成，数据采集系统采集的模拟信号经信号调理系统调理后，由A/D转换系统转化为数字信号，通过SPI接口传送到DSP数据处理系统中，而后在DSP数据处理系统中对转换后的数字信号进行频谱分析，结合知识库数据进行信号处理和故障诊断，所述的DSP数据处理系统选取DSPTMS320F2812芯片。

2、  根据权利要求1所述的一种基于DSP的机载液压泵源故障诊断系统，其特征在于：所述的知识库数据包括故障模式知识、采特征向量数据库、故障阈值、泵源关键部件寿命分布规律数据库等。

3、  根据权利要求1所述的一种基于DSP的机载液压泵源故障诊断系统，其特征在于：所述的数据采集系统中传感器包括加速度传感器、压力传感器、流量传感器、温度传感器、压差传感器，其中，流量传感器包括出口和回油流量传感器，温度传感器包括油液温度传感器和回油温度传感器。

4、  根据权利要求1所述的一种基于DSP的机载液压泵源故障诊断系统，其特征在于：所述的信号调理系统包括滤波电路、信号转化模块和信号调理模块，滤波电路是由二阶滤波电路组成，通过调节电位计的阻值设置不同的截止频率，将数据采集系统传输过来的电信号中的杂波进行滤除，信号转化模块的作用是将数据采集系统的输出信号转化为0V-+5V直流电压信号，满足信号处理系统中的A/D转换系统对输入信号的要求，信号调理模块主要是由电压跟随器组成，其作用是提高输入电阻和降低输出电阻，隔离传感器和A/D转换系统之间的耦合干扰。

5、  根据权利要求1所述的一种基于DSP的机载液压泵源故障诊断系统，其特征在于：所述的上位机显示系统包括数据状态显示模块、数据保存模块和诊断结果显示模块，对于影响大的故障能够在数据状态显示模块上显示，同时将故障的诊断结果在诊断结果显示模块进行显示，以便驾驶员采取必要的措施，最后在数据保存模块中进行数据保存。

一种基于DSP的机载液压泵源故障诊断系统
技术领域
本发明属于航空机载液压泵故障诊断技术领域，具体涉及一种基于DSP的机载液压泵源故障诊断系统。
背景技术
随着现代战争对作战飞机任务出勤率和战备完好率要求的提高，加之测试技术、信号处理技术和计算机技术飞速发展，目前国外先进飞机均采用了完备的健康管理系统(PHM系统)以实现状态监测、故障诊断和寿命预测，从而有效降低飞机事故率，节省维修费用。
航空液压泵是飞机液压泵源系统的核心部件，在飞机起飞、飞行操纵、着陆过程中起着十分重要作用，它提供高压液压油，驱动飞机作动系统按照预定飞行姿态和轨迹飞行。
目前国内飞机上只对液压泵的工作压力进行简单监测，根本谈不上故障诊断和寿命预测。我国新一代大型军用运输机和大型客机的研制均明确提出了要装备飞机液压系统PHM系统。如果可以对机载液压泵源进行实时状态监测和故障诊断就可以充分利用液压泵源寿命，及时调度维修资源，减少维修时间和提高飞机使用率，因此机载液压泵源故障诊断的研究具有很重要的理论研究意义与工程应用价值。
鉴于飞机的结构尺寸有限，机载计算单元的能力有限，机载液压能源故障诊断系统需要具备快速性，鲁棒性，小型化，集成化的特征。其中快速故障诊断技术是故障预测与故障诊断系统中的热点与难点问题。
目前国内的液压泵源故障诊断是先将采集来的数据通过下位机进行保存后，将所采集的数据在上位机进行故障诊断分析。整个故障诊断的过程是分离的，没有做到故障诊断的实时性和快速性要求。另外，由于数据采集卡的体积庞大，不能满足故障诊断系统的小型化和集成化的特征。
发明内容
本发明的目的是：为航空液压泵设计具备快速性、鲁棒性、小型化、集成化的机载故障诊断系统，对机载液压泵源进行实时的状态监测和故障诊断，主要解决机载液压泵故障诊断系统快速性和准确性的问题。
本发明是基于DSP的机载液压泵源故障诊断系统，该系统包括数据采集系统、信号调理系统、信号处理系统、上位机显示系统、电源系统和恒流源模块，数据采集系统中的传感器采集后的模拟信号经信号调理系统调理成标准模拟信号后，再经高速A/D转换系统转换为数字信号并通过SPI接口传输到DSP信号处理系统中，在DSP信号处理系统中对转换后的数字信号进行频谱分析，结合知识库数据对飞机泵源系统进行故障诊断。最终，通过CAN总线将数据状态和诊断结果传输到上位机显示系统(飞控计算机)进行显示。所述的电源系统为信号调理系统和信号处理系统提供工作电源。恒流源模块为数据采集系统中的加速度传感器提供恒流源电源。
本发明的优点是：
(1)利用TMS320F2812的信号处理速度快和可控性好的特点，并编制相应的故障诊断算法，实现了机载液压泵故障诊断系统快速性和鲁棒性的需求。
(2)通过选取高速、高精度AD转换芯片AD7928，提高了故障诊断系统的准确性。
(3)整个故障诊断系统采用运算速度快，小体积、高可靠性的嵌入式系统，适应飞机上灵活的需要，满足机载故障诊断系统的特殊要求。
附图说明
图1是本发明的液压泵源故障诊断系统框图；
图2是正常与柱塞轴向游隙增大后振动信号功率谱对比图；
图2a是正常泵轴向振动频谱图；
图2b是正常泵径向振动频谱图；
图2c是柱塞球头游隙增大泵轴向振动频谱图；
图2d是柱塞球头游隙增大泵径向振动频谱图。
具体实施方式
下面结合附图是实施例对本发明的液压泵源故障诊断系统进行详细说明。
本发明的液压泵源故障诊断系统主要由数据采集系统1、信号调理系统2、信号处理系统3、上位机显示系统4、电源系统5和恒流源模块6组成，如图1所示，数据采集系统1通过各种传感器采集航空液压泵源的信息，并转换成电信号传输给信号调理系统2，信号调理系统2对电信号进行电压跟随、滤波、放大等预处理，然后输出给信号处理系统3进行A/D转换和故障诊断，最后通过CAN总线传输给上位机显示系统4对诊断结果进行显示，电源系统5为信号调理系统2和信号处理系统3提供电源。
1)数据采集系统
数据采集系统1作为整个故障诊断系统的输入，作用是通过各种类型的传感器将各种物理信号转化为可被传输的电信号，它提取信息的准确与否直接决定着整个系统信号采集、诊断的精度。
数据采集系统1中传感器包括：加速度传感器101，压力传感器102、流量传感器103、温度传感器104、压差传感器105，其中，流量传感器103包括出口和回油流量传感器，温度传感器104包括油液温度传感器和回油温度传感器。
数据采集系统1所采用的LC01系列内装IC压电加速度传感器101必须有外界提供电源才能工作。但它要求的是恒流源，典型值为24V，4mA，恒流源模块6的作用是为IC压电加速度传感器提供电源。
2)信号调理系统
由于泵源系统的工作环境一般都较为复杂，受外部干扰大，传感器感受的信息容易受外界干扰影响，从而不容易发现和提取故障特征，因此需要对传感器信号进行相应的调理。
信号调理系统2介于数据采集系统1和信号处理系统3之间，用于将传感器采集到的电信号进行电压跟随、滤波、放大等预处理，将信号调整到与A/D转换芯片所匹配的范围。
信号调理系统2包括滤波电路201、信号转化模块202、信号调理模块203。
滤波电路201是由二阶滤波电路组成，通过调节电位计的阻值可以设置不同的截止频率，作用是将数据采集系统1传输过来的电信号中的杂波进行滤除。。
信号转化模块202的作用是将数据采集系统1的输出信号转化为0V-+5V直流电压信号，满足信号处理系统3中的A/D转换系统301对输入信号的要求。
信号调理模块203主要是由电压跟随器组成，其作用是提高输入电阻和降低输出电阻，可以有效的隔离传感器和A/D转换系统301之间的耦合干扰。
3)信号处理系统
信号处理系统3由A/D转换系统301及DSP信号处理系统302组成。
选取DSP系列中的TMS320F2812芯片为诊断系统的核心处理器，DSP信号处理系统302自身的A/D转换器虽然有12位精度，但在实际的使用过程中A/D的转换结果误差较大，不能满足数据采集的要求。故选择一款采样精度高、转换误差小的AD7928芯片组成A/D转换系统301，其采样精度是12位，最大采样速率可以达到1MSPS，可以满足故障诊断系统的快速性和准确性的要求。数据采集系统1采集的模拟信号经信号调理系统2调理后，由A/D转换系统301转化为数字信号，通过SPI接口传送到DSP数据处理系统302中，而后在DSP数据处理系统302中对转换后的数字信号进行频谱分析，结合知识库数据进行信号处理和故障诊断，所述的知识库数据包括故障模式知识、采特征向量数据库、故障阈值、泵源关键部件寿命分布规律数据库等。
本发明选取DSP数据处理系统302为核心处理器，选取DSPTMS320F2812芯片。它运算速度快，指令执行速度高达150MIPS，具备良好的信息处理能力和实时控制能力；满足故障诊断系统的快速性和鲁棒性的要求；另外还具备丰富全面的接口功能，方便采用高速的通讯模式。采用这种小体积、高可靠性的嵌入式系统，适应飞机上灵活的需要，满足机载故障诊断系统的特殊要求。
4)上位机显示系统
DSP数据处理系统302处理后的诊断结果经过CAN总线实时的传输给上位机显示系统4，上位机显示系统4包括数据状态显示模块401、数据保存模块402和诊断结果显示模块403，对于影响大(例如：入口压力不足故障)的故障能够在数据状态显示模块401上显示，同时将故障的诊断结果在诊断结果显示模块403进行显示，以便驾驶员采取必要的措施，最后在数据保存模块402中进行数据保存。
5)电源系统
220V交流电源经过AV/DC电源转换模块501和电源转换模块502转换为24V、+15V、-15V、5V、3.3V、1.8V直流电源。其中24V、+15V、-15V电压供信号调理系统2使用，5V、3.3V、1.8V电压供信号处理系统3使用。
实施例
(1)柱塞游隙增大故障
柱塞泵是整个飞机液压系统中的能源提供者，要不断地完成吸油和排油过程，主要靠柱塞不断的往复运动。
柱塞与缸体柱塞孔之间会有高压油液进入到摩擦副配合间隙，产生一定的润滑作用，阻止于摩擦的发生。在这个过程中，柱塞和缸体之间会受到接触应力与摩擦力的作用，随着工作时间的增长或者污染物颗粒的倾入，柱塞会受到不同程度的磨损，缸体柱塞孔直径也会增大，这时便产生了由疲劳磨损造成的摩擦副配合间隙增大，出现柱塞游隙增大的故障，油液通过此缝隙节流口发生泄漏，使回油流量增大。
(2)传感器的选取与布局
正常泵在初始工作时，柱塞轴向间隙很小，碰撞振动很小。一旦柱塞出现间隙增大的现象，将会出现一个耦合的冲击振动，叠加到泵的固有振动上，通过壳体传出。振动信号是对于诊断最为关键的物理量，蕴含了丰富的故障信息。对于泵源系统而言，如果系统出现故障则一定会引起系统的附加振动，利用振动信号诊断是故障诊断技术的核心，加速度传感器用来采集液压泵体的振动信号。通过实验确定选择量程分别为500g的加速度传感器，在量程满足的情况下要使灵敏度符合精度要求。
(3)液压泵源故障诊断算法与结果
故障诊断的基本原理是将加速度传感器所测得的振动信号进行频谱分析，以突出故障频率，从而在故障频率处把正常液压泵的功率谱与故障液压泵的功率谱区分开来，以达到故障诊断的目的。
因此，本发明中的故障诊断系统中采用DSP自带的FFT算法，并与功率谱法相结合，能够快速准确的得到被采集信号的频域特性，进行故障诊断。
从功率谱分析图中可以找出正常信号与每种故障信号直观的差异，从诊断结果则定量计算出特征值，选定合适的阈值后，便可以很好地分离各种故障。
发生柱塞轴向游隙增大的故障，正常与故障振动信号对比如图2a～2d。
通过图2a～2d的对比可以得到，当发生柱塞球头游隙增大故障时，无论是轴向还是径向振动的功率谱，在1，2，4，5，7，8倍频处求各个小区间内的最大能量与周围平均能量的比值的和都会变小。其中最明显的是零流量时加速度信号，这是因为零流量时，流体脉动造成的振动最小，轴频率各个倍频点处的能量也比较小，所以更容易被故障信号淹没。当处于全流量工况时，因为流体脉动造成的振动最大，轴频率各个倍频点处的能量也比较大，故障信号产生的影响相对较小。
因此可以通过判断泵工作时的特定倍频点功率谱之和来判定是否出现柱塞球头游隙增大故障，当泵轴向和径向加速度信号同时出现特定倍频点功率谱之和小于阈值(设定为100)时，我们认为发生故障，这种判断方法在零流量时准确率较高。
实验表明，本故障诊断系统能够满足机载液压泵源故障诊断系统所需的快速性和准确性要求，诊断正确率高达90％。