İHA'nın çift yedekli elektrikli direksiyon dişlisinin açı sensörü için hata algılama yöntemi
Yang Jinpeng, Liang Dong, Yang Tao, Zhang Zhixin
(Ölçüm ve Kontrol Bölümü, Çin Havacılık ve Uzay Aerodinamiği Akademisi, Pekin 100074)
İkili yedeklilik dümen kontrol sisteminin temel fikri, farklı yedeklilik arasında geçiş yaparak dümen kontrol sisteminin güvenilirliğini sağlamaktır. İHA'nın ikili yedekli elektrikli direksiyon dişlisinin açı sensörünün hata tespit teknolojisini hedefleyerek, kimlik referans modeline dayalı bir yöntem önerilmiştir. İlk olarak, elektrikli dümen dişlisinin ikili artıklık şeması tanıtılır ve daha sonra mekanizma analizi ve teorik türetme kombinasyonu ile dümen sisteminin giriş ve çıkış modeli oluşturulur ve modelin parametreleri, sistem tanımlama yöntemi ile belirlenir. Son olarak, tanımlanan referans modeli ikili artıklık açısı sensörünün arızasını tespit etmek için kullanılır ve yöntemin etkinliği deneylerle doğrulanır.
Çift yedekli dümen kontrol sistemi; açı sensörü; arıza tespiti; referans modeli
Çin Kütüphanesi Sınıflandırma Numarası: TJ765.2
Belge tanımlama kodu: Bir
DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.2017.05.021
Çince alıntı biçimi: Yang Jinpeng, Liang Dong, Yang Tao ve diğerleri.İHA'nın çift fazlalıklı elektrikli direksiyon dişlisinin açı sensörü için hata algılama yöntemi.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2017, 43 (5): 86-89, 93.
İngilizce alıntı biçimi: Yang Jinpeng, Liang Dong, Yang Tao ve diğerleri.İHA artıklık aktüatörünün açısal dönüştürücüsü için hata algılama yöntemi.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2017, 43 (5): 86-89, 93.
0 Önsöz
İnsansız hava aracı teknolojisinin gelişmesiyle birlikte, insansız hava araçlarının uygulama yelpazesi genişlemiş, dayanıklılık süresi ve görev yarıçapı gitgide genişlemiş, görev sırasında taşınan görev yükü ve keşif ve saldırı ekipmanı gittikçe daha fazla artmıştır. Bu nedenle, İHA'ların uçuş sırasında emniyetini ve güvenilirliğini sağlamak özellikle önemlidir.
Dümen kontrol sistemi, İHA uçuş kontrol sisteminin aktüatörüdür ve güvenilirliği ve emniyeti, İHA'nın uçuş güvenliği ile doğrudan ilgilidir. 1950'lerin başlarında insanlar, sistemin tek kanallı tasarımının sistem işlevlerinin güvenilir bir şekilde gerçekleştirilmesini garanti edemeyeceğini ve çok kanallı tasarımın kullanılmasının sistemin güvenilirliğini büyük ölçüde artırabileceğini fark ettiler. Sonuç olarak sistemin artıklık tasarım teknolojisi üretilmiş ve uçak kontrol sistemleri tarafından hızla benimsenmiştir. Yedekleme teknolojisi, bileşen gereksinimlerini azaltırken sistem güvenilirliğini etkili bir şekilde artırabilen, sistem güvenilirliğini ve güvenliğini iyileştirmenin etkili bir yoludur. İkili artıklık dümen kontrol sisteminin temel fikri, farklı yedeklilik dereceleri arasında geçiş yaparak dümen kontrol sisteminin güvenilirliğini sağlamaktır.Bu nedenle, dümen kontrol sisteminin arıza tespit teknolojisi bu sürece dahil olur.
Dümen kontrol sistemindeki açı sensörünün rolü, dümen yüzeyinin açısına eşdeğer bir elektrik sinyali üretmektir ve ölçülen sinyal, dümen kontrol sisteminin bir kapalı döngü kontrolünü oluşturmak için geri bildirim olarak kontrol sistemine verilir. Bu nedenle açı sensörü, tüm dümen kontrol sisteminde önemli bir rol oynar. Dümen açı sensörünün arızalanması nedeniyle dümen kontrol sisteminin arızalanmaması için ikili yedek dümen kontrol sistemi tasarlanırken açı sensörü olarak koaksiyel çift yedeklilik potansiyometresi seçilmiştir. Tek açılı bir sensörün arızasını zamanında ve doğru bir şekilde tespit etmek ve direksiyon dişlisinin çalışma işlemi sırasında başka bir dereceye geçmek için dümen kontrol sisteminin güvenilirliğini artırmanın anahtarıdır.
Şu anda, yaygın olarak kullanılan dümen arıza tespit yöntemi, motorun ve aktarım mekanizmasının parametrelerine dayalı olarak dümenin dinamik modelini oluşturmak ve dümenin gerçek çıkışı ile referans modelin çıkışı arasındaki hatayı karşılaştırarak dümen döngüsünün başarısız olup olmadığını tespit etmektir. İkili artıklık dümen kontrol sisteminin çalışma sürecinde açı sensörünün hata algılama teknolojisini hedefleyen bu makale, kimlik referans modeline dayalı bir açı sensörü hata algılama yöntemi önermektedir. İlk olarak, sistem tanımlama yöntemiyle sistem çıktısının referans modelini tanımlayın ve ardından potansiyometrenin arızalı olup olmadığını belirlemek için model çıktısındaki artık değişikliğin ve gerçek açı sensörü çıktısının eşiği aşıp aşmadığını karşılaştırın.
1 Çift yedekli elektrikli direksiyon dişlisinin genel şeması
İHA dümen kontrol sistemi elektronik kontrol kısmı ve mekanik kısım olarak ikiye ayrılabilir.Normalde mekanik kısımda ani arızalar olmaz ancak çalışma süresi arttıkça performans düşüşü ve yorgunluk kırılması gibi arızalar kademeli olarak ortaya çıkacaktır; elektronik kontrol kısmı Üç parçadan oluşur: kontrol devresi, fırçasız DC motor ve açı sensörü Motor ve açı sensöründe çalışma sırasında ani arızalar olabilir ve kontrol devresinde bileşen hasarı veya arızası nedeniyle ani arızalar da olabilir. Dümen kontrol sisteminin elektronik ve mekanik parçalarının arıza özelliklerini birleştiren ikili yedekli bir dümen kontrol sistemi tasarlanmış olup, genel şema Şekil 1'de gösterilmiştir.
Fırçasız DC motor, potansiyometre ve kontrol devresi, bir dizi iletim ve azaltma mekanizmasını paylaşan çift yedeklilik tasarımını benimser. Bunlar arasında, motor paralel çift sargılı fırçasız bir DC motor kullanır ve her bir sargı, motorun bağımsız çalışmasını sağlayabilen bir dizi bağımsız Hall konum sensörüne sahiptir. Kontrol devresi iki bağımsız kontrol sistemini benimser.Normal çalışma sırasında, iki kontrol sistemi sırasıyla çift sargılı fırçasız DC motoru sıcak yedekleme durumunda çalıştırır.Bir sargı arızalandığında, kontrol sisteminden çıkarılır ve diğer sargı çalışmak için kullanılır .
Açı sensörü, her biri bağımsız olarak çalışabilen bir koaksiyel çift potansiyometre kullanır. Her bir kontrol devresi seti, açı sensörünün iki dereceli sinyallerini ayrı ayrı toplar, ancak kontrolün tutarlılığını sağlamak için, iki kontrol devresi seti, gerçek kontrol sırasında geri bildirim olarak açı sensörü sinyallerinden birini alır ve sinyal başarısız olduğunda diğerine geçer. Tek açılı sensör sinyali. Normal çalışma sırasında, iki açılı sensör aynı geri bildirim bilgisini verir İki açı sensörünün çıktı bilgisi tutarsız olduğunda, potansiyometrelerden birinin arızalı olduğu yargılanabilir, ancak hangisinin hatalı çalıştığına karar vermek imkansızdır. Bu nedenle, açı sensörü arızasını doğru bir şekilde değerlendirmek için açı sensörünün kendisine güvenmek yeterli değildir ve diğer yargı temellerinin eklenmesi gerekir. Bu makale, kimlik referans modeline dayalı olarak İHA çift yedekli elektrikli direksiyon dişli açısı sensörü için bir arıza tespit yöntemi önermektedir. Ana fikir, açı sensörünün iki açı sensörünün çıkışı arasındaki farka bağlı olarak hatalı olup olmadığına karar vermek ve ardından dümen kontrol sisteminin doğru bir açı geri besleme sinyali alabilmesini sağlamak için referans model aracılığıyla hangisinin hatalı olduğunu belirlemektir.
2 Referans model kurulması
Dümen kontrol sisteminin matematiksel modeli, mekanizma analizi ve teorik türetme yoluyla elde edilebilir ve model parametreleri ölçüm veya sistem tanımlama yoluyla elde edilebilir. Modeldeki bazı parametrelerin doğru bir şekilde ölçülmesi zor olduğundan, bu makale önce dümen kontrol sisteminin matematiksel modelini türetmek için mekanizma analizi yöntemini kullanır ve daha sonra sistem tanımlama yöntemi ile modelin parametrelerini belirler.
2.1 Model türetme
Direksiyon dişlisinin yapı şeması Şekil 2'de gösterilmiştir. Esas olarak bir motor, bir yavaşlama mekanizması ve bir konum sensöründen oluşur.
Kirchhoff yasasına göre, voltaj denge denklemi şu şekilde elde edilebilir:
Bu direksiyon dişlisinde seçilen fırçasız DC motorun endüktansı, parametre tanımlamasının hesaplama miktarını azaltmak ve transfer fonksiyonunun karmaşıklığını azaltmak için çok küçük olduğundan, sıfıra yakın olduğundan, endüktans etkisi göz ardı edilir ve direksiyon dişlisinin kapalı döngü transfer fonksiyonu eşdeğerdir. İkinci dereceden bir sistemdir.
2.2 Model parametresi tanımlama
Bu yazıda incelenen İHA dümen kontrol sistemi, kontrol ve geri besleme sinyallerini analog sinyaller olarak, ± 30 ° 'ye karşılık gelen ± 10 V aralığı ve 4 Hz frekans aralığı ile kullanır. Sistem modelinin parametrelerini doğru bir şekilde tanımlamak için, giriş uyarma sinyalini seçerken sistemin dinamik özelliklerini tamamen uyarmak gerekir. Sistem tanımlamada beyaz gürültü ideal bir giriş sinyalidir, bu nedenle dümen kontrol sisteminin bant genişliği ve giriş / çıkış çalışma aralığına göre 5 Hz bant genişliğine ve 2 V genliğe sahip bir beyaz gürültü sinyali seçilir ve Keyight sinyal üretecinin keyfi dalga formu kullanılır. İşlev üretimi.
Dümen kontrol sisteminin giriş ve çıkış sinyalleri analog sinyaller olduğu için veri toplama için Tektronix osiloskobun veri toplama fonksiyonu kullanılır ve örnekleme süresi 1 kHz'dir. Girişim ve aykırı değerlerin tanımlama sonuçları üzerindeki etkisini azaltmak için, toplanan veriler üzerinde basit filtreleme ve aykırı değerlerin ortadan kaldırılması gerçekleştirilir.
İşlenen verileri MATLAB sistem tanımlama araç kutusuna aktarın, parametreleri tanımlamak için 2.1'de türetilen model yapısını kullanın ve sistemin girdi ve çıktı modelini şu şekilde elde edin:
Gerçek dümen kontrol sisteminin giriş enerjisi sınırlı olduğundan, dümen döngüsünde hız doygunluğunun doğrusal olmayan bir özelliği vardır.Dümen kontrol sisteminin pozisyon girişi ve çıkışı doğrudan doğrusal dinamikte modellenirse, pozisyon ayarı büyük olduğunda, Dinamik süreçte direksiyon dişlisinin gerçek çıkışı, hız doygunluğuna bağlı olarak sistem modeli çıktısında daha büyük bir hataya sahip olacaktır. Şekil 3'ün solundaki eğri, giriş açısı büyük olduğunda, model çıktısının ve direksiyon dişlisinin gerçek çıktısının hız doygunluk karakteristiğinin sınırlandırılması nedeniyle oldukça farklı olduğunu göstermektedir.
Gerçek çıktının ve model çıktısının hız doygunluk özelliklerinden dolayı tutarsız olması sorununu çözmek için belirlenen dümen kontrol sistemi modeline bir hız doygunluk limiti eklenmiştir. Hız doygunluk sınırı için ifade aşağıdaki gibidir:
Tanımlama modeline konum sınırlaması eklemek, hız doygunluk özelliklerinden kaynaklanan sapmayı çözebilir. Şekil 3'ün sağ tarafı, konum sınırlaması eklendikten sonra direksiyon dişlisinin gerçek çıktı ve model çıktı eğrilerini gösterir.Bu yöntemin hız doygunluğundan kaynaklanan sapmayı daha iyi çözebileceği görülebilir.
Yük altındaki tanımlama modelinin doğruluğunu doğrulamak için, dümen kontrol sistemine rastgele bir elastik moment uygulanır ve ardından dümenin gerçek çıkışı modelin çıktısı ile karşılaştırılır. Test sonuçları Şekil 4'te gösterilmektedir. ± 10 N · m'lik harici tork bozulması direksiyon dişlisine uygulanır ve tanımlanan sistem modeli, gerçek dümen kontrol sisteminin çıktısını daha iyi yansıtabilir. Bu nedenle, kimlik referans modeli, ikili artıklık açısı sensörlerinin arıza tespitine uygulanabilir.
3 Çift artıklık açısı sensörünün hata tespiti
Açı sensörü, çift koaksiyel potansiyometredir ve potansiyometre, ± 15 V'luk bir voltajla çalışır. Çift potansiyometrenin direnç dağılımı ve doğrusallığı tamamen tutarlı olamayacağından, direksiyon dişlisi aynı açıda dönmektedir ve potansiyometre çıkışının voltaj değişimi tamamen tutarlı değildir. Potansiyometre farkından kaynaklanan hatayı azaltmak için, açı sensörü, potansiyometrenin çıkış voltajı ile dönüş açısı arasındaki karşılık gelen ilişkiyi toplamak için kullanılır ve ardından potansiyometrenin dönüş açısı ile çıkış voltaj değeri arasındaki doğrusal ilişki en küçük kare yöntemi ile takılır. Fiili iş sürecinde toplanan potansiyometre voltaj değeri açıya dönüştürülür ve ardından kontrol gerçekleştirilir.
3.1 Arıza tespit yöntemi
Potansiyometrenin hatalı olup olmadığını doğru bir şekilde belirlemek ve hangi marjın hatalı olduğunu belirlemek için temel fikir şudur: önce iki açı sensöründen toplanan açı değerlerini karşılaştırarak açı sensörünün arızalı olup olmadığını belirleyin ve ardından açı sensörünü değiştirin. Değer, başarısızlık marjını belirlemek için tanımlama referans modeli ile karşılaştırılır. Spesifik tespit adımları aşağıdaki gibidir:
Adım 1: İki açı sensörünün voltaj değerlerini ayrı ayrı toplayın ve analog voltaj sinyalini, uygunluk formülüne göre bir açı sinyaline dönüştürün.
Adım 2: İki açı sensörünün açı sinyalleri arasındaki farkı hesaplayın ve farkın hata eşiğini aşıp aşmadığını belirleyin. Eşikten büyükse, sinyallerden biri arızalı, 3. adıma gidin; eşikten düşükse, iki açı sensörü normal şekilde çalışır.
Adım 3: İki açı sensörünün çıkışı ile tanımlama referans modeli arasındaki farkın eşiği aşıp aşmadığını hesaplayın.Eğer aşarsa, bu yolun açı sensörü sinyalinin hatalı olduğuna karar verilir.
Adım 4: Direksiyon dişlisi kontrol sisteminin açı sensörü sinyalini arıza yok derecesine getirin.
Bu arıza tespit yönteminin doğruluğunu sağlamak ve yanlış tespitleri ve kaçırılmış tespitleri önlemek için, yukarıda bahsedilen arıza tespit adımı, potansiyometrenin arızalı olduğunu belirlemek için aynı problemin N ardışık döngüsünü gerektirir.
3.2 Deneysel doğrulama ve sonuç analizi
Bu arıza tespit yönteminin etkinliğini göstermek için tipik bir potansiyometre hatası seçilir ve farklı kontrol girişleri altında deneysel doğrulama yapılır. Dümen kontrol sisteminin çalışma sürecinde, potansiyometrenin kayan ibresinin kırılması en yaygın hatadır. Bu nedenle, hata tespit yönteminin hatayı tespit edip edemediğini doğrulamak için çalışma durumunda marj potansiyometresinin kırık iğne hatasını simüle eder ve dümen kontrol sisteminin kararlı çalışmasını sağlamak için yedek marj potansiyometresine geçer.
Bu tür bir arızayı simüle etmek için, ana fazlalık potansiyometresinin sinyal çıkış hattı, direksiyon dişlisinin çalışma sürecinde kesilir. Arıza tespit yöntemlerinin ve yük devretmenin etkinliğini gözlemleyin. Yöntemin etkinliğini tam olarak doğrulamak için, doğrulama için kontrol girişleri olarak temsili sinüs sinyalleri, adım sinyalleri ve rastgele beyaz gürültü sinyalleri seçilir.
Şekil 5, kontrol sinyali sinüzoidal bir sinyal olduğunda arıza tespit sonucunu gösterir. Başlangıçta, sınır 1 potansiyometre geri beslemesi, kontrol sistemine bir sistem geri besleme sinyali olarak bağlanır ve kenar 1 potansiyometresinin bağlantısı yaklaşık 5 saniye içinde kesilir. Şekilden, marj 1 geri beslemesinin kırılmasından sonra, kontrol sisteminin geri besleme sinyalini hızlı bir şekilde potansiyometre marjı 2 geri beslemesine değiştirebileceği ve dümen kontrol sisteminin kararlılığını ve güvenilirliğini sağlayabileceği görülebilir.
Şekil 6 ve 7, kontrol sinyali sırasıyla bir adım sinyali ve rastgele bir beyaz gürültü sinyali olduğunda arıza tespit sonuçlarını gösterir. Başlangıçta, sınır 1 potansiyometre geri beslemesi, kontrol sistemine bir sistem geri besleme sinyali olarak bağlanır ve kenar 1 potansiyometresinin bağlantısı yaklaşık 5 saniye içinde kesilir. Şekilden, kontrol sisteminin geri besleme sinyalini, marj 1 geri beslemesinin kırılmasından sonra potansiyometre marjı 2 geri bildirimine hızlı bir şekilde değiştirebildiği ve dümen kontrol sisteminin kararlılığını ve güvenilirliğini sağlayabildiği görülmektedir.
Tanımlama referans modeline dayalı arıza tespit yönteminin, açı sensörünün arızasını zamanında ve doğru bir şekilde tespit edebildiği, dümen kontrol sisteminin normal çalışmasını sağlamak ve sistemin güvenilirliğini artırmak için yedek marjlı açı sensörüne geçildiği test sonuçlarından görülebilmektedir.
4 özet
Bu makale, İHA'nın çift yedekli elektrikli direksiyon dişlisinin açı sensörünün hata tespit yöntemini inceler. İkili artıklık açısı sensörünün özelliklerini hedefleyerek, kimlik referans modeline dayalı bir hata algılama yöntemi önerilmiştir. Öncelikle teorik kesinti ve mekanizma analizi ile dümen kontrol sisteminin matematiksel modeli oluşturulur ve ardından model tanımlama yöntemi ile model parametreleri belirlenir. Hız doygunluk limiti ve pozisyon limitinin getirilmesiyle, dümen kontrol sistemi modelinde hız doygunluğunun neden olduğu geniş açılı çıktıyı izlemede büyük hatalar sorunu çözülür, böylece model, tork paraziti olsa bile hata tespiti için bir referans model olarak kullanılabilir. Son olarak, çift artıklık potansiyometresinin arızasını tespit etme adımları verilir ve önerilen yöntemin etkinliği gerçek test sonuçlarıyla doğrulanır.
Referanslar
Zhang Ruoqing, Qiu Lihua. Dinamik sinir ağına dayalı elektro-hidrolik servo valfin gerçek zamanlı arıza teşhisi. Takım Tezgahı ve Hidrolik, 2002 (3): 140-142.
Ordu, Zhang Yuanguo, Wang Changlu.Elektrikli direksiyon dişlisinin artıklık teknolojisine genel bakış Mekanik Transmisyon, 2010 (3): 92-95.
BOUIBED K, AITOUCHE A, BAYART M. İki model tabanlı yaklaşım kullanarak sensör ve aktüatör arıza tespiti ve izolasyonu: Otonom bir elektrikli araca uygulama 18. Akdeniz Kontrol ve Otomasyon Konferansı Bildirileri. Piscataway, NJ: IEEE, 2010: 1290-1295 .
BOBRINSKOY A, GATTI M. Zorlu bir ortamda uçuş için kritik aktüatörler için model tabanlı arıza tespiti ve izolasyon tasarımı 2012 AIAA 31. Dijital Aviyonik Sistemler Konferansı Bildirileri Piscataway, NJ: IEEE, 2012: 7D5-1-7D5-8.
Fu Yongling, Pang Yao, Liu Hesong.Arıza modellemeye dayalı çift artıklık dümen hatası teşhis teknolojisi Beihang Üniversitesi Dergisi, 2011, 37 (11): 1372-1377.
VAN EYKEREN L, CHU Q P, MULDER J A. Aerodinamik model tanımlama ile aktüatör arıza tespiti 18. IFAC Arıza Tespiti Sempozyumu Bildiriler.Teknik Süreçlerin Denetimi ve Güvenliği Güney Afrika: IFAC, 2012: 1353-1357.
Dong Huifen, Zhou Yuanjun, Shen Songhua. Çift kanallı fırçasız DC motorların hataya dayanıklı dinamik performans analizi. Çin Elektrik Mühendisliği Derneği Bildirileri, 2007, 27 (21): 90-191.
XU Y X, TANG Y, ZHU J W, ve diğerleri.Elektromekanik aktüatör için bir BLDC motorun kontrolü. Elektrik Makinaları ve Sistemlerinde, 2008. ICEMS 2008. Uluslararası Konferans IIEEE, 2008: 3266-69.
Zhu Jihong, He Yang, Huang Zhiyi. Direksiyon dişlisinin özellik modeli ve arıza tespit yöntemi. Acta Aeronautica Sinica, 2015, 36 (2): 640-650.
