面向裝備PHM系統驗證的故障模擬方法研究

劉權利

（中國直升機設計研究所 江西省景德鎮市 333001）

隨著PHM系統在航空航天領域復雜裝備的應用方向逐漸增加，產生了一系列對PHM系統能力的驗證問題。在裝備交付前，確定PHM系統對設備故障診斷的有效性，評價其可行性，成為當前開發人員重點關注的內容。目前在航空航天領域裝備研制過程中需要對PHM系統進行研制階段、鑒定階段等多個階段的驗證評估工作。主要評估PHM系統的故障檢測能力及故障預測能力。但在實際驗證工作中存在一系列的問題，如成本限制、驗證系統開發周期長、被測對象無試驗件、被測對象故障注入后不能復原等客觀問題，很多情況下難以完成在真實環境中對PHM系統的驗證工作。因此可以采用復雜裝備的故障信號模擬技術代替真實PHM系統監測對象為PHM系統提供監測信號，驗證其診斷與預測能力。

目前故障模擬的研究大量集中在試驗臺實物模擬和專用軟件仿真兩種方法。王珉等人提出一種基于功能模型的仿真故障注入方法[1]；劉雁梅設計了滾動軸承故障模擬臺[2]；李立斌等人設計了電控發動機故障模擬試驗臺[3]；陳宇曉設計了齒輪傳動故障模擬試驗臺[4]。目前國內外關于FPGA 實現故障信號模擬功能的研究并不多。

本文鑒于現場可編程門陣列(FPGA)可以利用大量現成的IPcore 來實現高速的復雜信號處理運算、不同邏輯可以并行執行、可以同時處理不同任務、在線可編程等特點[5]。以復雜裝備中機電系統為例，采用FPGA 技術設計實現典型機電系統故障信號模擬，通過總線故障注入技術完成故障信號注入，以完成PHM 驗證的工作?？梢钥s短PHM 驗證工作的研制周期，提高信號模擬能力，減少研制費用等。

1 總體研究思路

本次研究的故障模擬方法包括故障模擬信號生成和總線故障注入，以及上位機控制三部分。整體研究路線如圖1所示。

圖1：整體研究路線圖

在圖1 中，設計上位機顯示界面，根據在上位機上預選的需要驗證的監測對象類型和信號類型，上位機對這些信息進行編碼送入下位機故障信號源中，下位機對資源進行重新配置，滿足上位機指令要求后開始接收上位機的命令，按照上位機發送的命令在相應的需要產生模擬信號的輸出通道上輸出符合發送的數據規律的模擬信號；模擬信號產生完畢后按照上位機的指令退出工作狀態復位關閉系統。相同的步驟，在產生信號后送入總線故障注入模塊中，模擬相應的總線故障信號，輸出完畢后按照上位機的指令退出工作狀態復位關閉系統。

2 信號模擬設計

FPGA 故障信號模擬部分的設計主要分為外圍接口設計、RS232 串口設計、SD 卡文件讀寫、FLASH 讀寫和模擬信號產生這五部分。其中的重點是模擬信號產生，根據所需要模擬信號的類型，分別設計了直接數據回放和DDS 產生的方法。如果不知道采集信號的特征和規律則可以采用直接回放原始信號的方法進行模擬，如果通過數據處理構建了信號的退化和故障規律，則可以利用DDS 方法進行數據的模擬產生。

2.1 數據回放設計

數據回放就是把AD 采樣得到的數據進行數模轉換，對原始信號進行再現。數據直接回放設計采用的是波形存儲直讀法，其原理如圖2所示。

圖2：波形存儲直讀法原理

通過波形存儲直讀法能夠形成不同的波形，很多復雜的波形如線性調頻信號、強噪聲信號、多故障疊加信號等都可以通過此方法產生；此方法也能夠實時改變所產生的信號及其時寬帶寬等參數；此方法具有數字系統的一般特點即信號質量高、系統穩定可靠，采用該方法研制任意波形發生器原理簡單，容易實現，成本低[6]。

2.2 信號發生器設計

圖3所示是一個基本的DDS 結構，主要由相位累加器、相位寄存器、正弦ROM 查找表和D/A 構成。圖中的相位累加器、相位寄存器、正弦ROM 查找表是DDS 結構中的數字部分。

圖3：DDS 原理圖

只要對相位的量化值進行簡單的累加運算，就可以得到正弦信號的當前相位值；而用于累加的相位增量量化值決定了信號的輸出頻率，并呈現簡單的線性關系。直接數字合成器DDS 就是根據上述原理而設計的數字控制頻率合成器[7]。

本文在基本DDS 結構中增加一塊ROM 查找表，在兩塊ROM 中分別放置一對正交信號（如一個放置sin表、另一個放置cos 表）即可構成正交信號發生器，如圖4所示。

圖4：正交信號發生器原理圖

3 總線故障注入技術研究

總線技術在航空航天領域復雜裝備中應用非常廣泛，如1553B 總線、RS232 總線以及以太網等，在復雜裝備進行故障檢測及故障診斷時要提取相應的傳感器數據、BIT 信息及輸入輸入接口信息，這些信息往往在系統交聯的總線中可以獲取。因此，利用總線來注入故障能夠達到事半功倍的效果。根據總線的特性分析，基本上所有機電信號都能通過總線故障注入來仿真其發生的故障。

總線故障注入模塊是連接故障模擬器和PHM 驗證系統的橋梁。首先，通過驗證控制計算機對故障模擬器下達需要注入故障類型的指令，故障模擬器產生模擬的故障信號。然后在信號通過總線故障注入模塊的時候進行總線的古戰注入工作?？梢宰⑷腚姎鈱?、物理層或協議層等故障?？偩€接口可以是CAN 總線接口，也可以是RS232 等總線。如圖5所示是故障模擬方法中利用基于FPGA 的故障模擬器對總線注入故障的流程。

圖5：總線故障注入示意圖

需要說明的是針對不同的總線必須具備所屬總線的通訊收/發功能。針對RS-232 總線進行總線故障注入要具備RS-232 總線通訊收/發功能，對CAN 總線故障注入要具備CAN 總線通訊收/發功能，并且總線故障注入模塊必須遵循相應的通訊協議[8]。由于PHM 驗證工作中目前主要使用RS-232 總線，因此本文僅針對RS-232 總線進行故障注入。

4 基于上位機的故障模擬流程

在本次故障模擬的方法中，基于FPGA 的故障信號模擬有數據回放與DDS 產生信號兩種故障模擬流程。

4.1 數據回放流程

如圖6所示，上位機控制軟件采用 LabVIEW 軟件為開發平臺，把經過預處理后的數據發送到串口上，下位機FPGA 故障信號模擬平臺通過RS-232 串口接收信號數據，接收到的數據存儲在FPGA 中固定位置處，需要回放的數據也可以預先存儲在SD 卡中，FPGA 響應控制指令經過D/A 轉換電路后輸出回放的故障信號供PHM 驗證使用。

圖6：數據回放流程圖

4.2 DDS信號產生流程

如圖7所示在上位機應用Matlab 分析現有的實際采集數據，通過對比其正常和故障狀態下的數據特征構建故障信號的規律；上位機同樣采用 LabVIEW 軟件為開發平臺，在 LabVIEW 程序中分析處理已有數據，構建數據特征規律，形成代表信號的特征參數。上位機將參數發送到串口上，下位機FPGA 故障信號模擬平臺通過RS 232 串口接收波形參數，波形參數在 FPGA 中處理后運用 DDS 技術產生波形，經過 D/A 轉換后供PHM驗證使用。此方案通過串口發送的是波形參數，不需要在 LabVIEW 中采樣產生波形數據，將波形特征參數數據以ROM 表形式呈現，當把波形指令發送出來以后，FPGA 根據波形參數通過 DDS 技術產生波形[9]。此方法串口傳輸只需要發送很少數據，實時性好。

圖7：DDS 信號產生流程圖

5 結論

PHM系統能力驗證與評價是目前PHM系統設計急需解決的問題，對各種算法開展驗證與評價工作離不開大量數據的支持與故障注入。為此本論文設計了基于FPGA 的一套故障模擬方案，通過波形信號發生器和故障信號回放發生器兩種方式模擬信號的產生，再基于FPGA 實現RS232 總線通信功能的基礎上實現總線故障注入，最后通過上位機軟件指令實現故障注入、時間監控故障過程等。未來，本文中所提出的故障模擬方案，還需進一步在各個類型機電部件中進一步驗證，如齒輪、液壓泵等對象。