融合任务剖面与PCA-MD的飞机空调系统智能健康评价与退化预警方法

doi:10.7527/S1000-6893.2025.31604

Abstract

Abstract:

To address the problems of incomplete parameter characterization， imperfect feature extraction and inaccurate health evaluation caused by the weak correlation of physical information， mission process and environmental stress in the health state evaluation of aircraft air-conditioning system， this paper proposes an intelligent health evaluation and degradation warning method fusing mission profile and Principal Component Analysis-Mahalanobis Distance （PCA-MD） to provide a set of general solutions for intelligent health evaluation of aviation equipment complex systems. First， this paper analyses the functional structure and typical failures of the air conditioning system， constructs a health characterization parameter system including the total level and the system level， and captures the coupled failure characteristics of the systems. Second， the impact of the flight mission on the air conditioning system is analyzed to design a health parameter spectrum based on the mission profile， which fully expresses the differences of the health parameters in the different mission phases. Third， a health baseline model based on Euclidean paradigm is constructed， which can comprehensively consider the influence of maintenance and inspection， as well as the environmental changes on the health baseline. Fourth， a health evaluation and degradation early warning method based on PCA-MD is proposed， which resolves the problem of the irreversibility of the covariance matrix in the construction of the health indexes and the inconsistency of the dimensions of the matrix based on the spectrum of the health parameters through the introduction of PCA， so as to achieve the efficient construction of health indexes， accurate evaluation of health state and early warning identification of performance degradation. Finally， this paper carries out an application validation study on the 1 474 practical data samples of the air conditioning system of a A320 airplane. The comparative results have validated the feasibility， practicability， and superiority of the proposed method.

Key words: aviation equipment complex systems, intelligent health management, mission requirements, environmental stress, principal component analysis

CLC Number:

Jiayu CHEN, Qinhua LU, Xuhang WANG, Zhilong SHI, Hongjuan GE, Min XIE. Intelligent health evaluation and degradation warning of aircraft air-conditioning systems: A method fusing mission profile and PCA-MD[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(15): 231604.

Figures/Tables 15

Fig.1

Fig.2

Fig.3

Fig.4

Table 1

Common faults and effects of air-conditioning systems［4］

部件名		功能描述	常见故障模式	影响分析
流量控制活门（FCV）		FCV控制气源系统进入空调系统引气流量，引气通过FCV进入主热交换器	活门卡滞、阀门失效、制动组件故障	FCV故障影响空调系统进气口引气流量控制，或影响组件阀门关断功能
主热交换器		高温引气进入主热交换器，由冲压空气发生热交换散去热量，再进入ACM的压缩机部件	灰尘、风沙等污染物致使主热交换器污染、表面污垢	主热交换器效率降低影响空调系统整体制冷效果
次热交换器		经过压缩机增温增压的引气进入次热交换器与冲压空气热交换器进行散热	灰尘、风沙等污染物致使主热交换器污染、表面污垢	次热交换器效率降低影响空调系统整体制冷效果
空气循环机（ACM）	涡轮	经过2次热交换器降温后的气体，除水后进入ACM的涡轮部分，进一步降温	涡轮结冰故障、叶片剥落和裂纹、空气轴承磨损	降低涡轮转速，影响ACM空气循环机效率，从而影响制冷效果
	压气机	初步散热引气进入压缩机增温增压，目的是为了提高次热交换器效率	叶片剥落和裂纹等故障、空气轴承磨损	从压气机出去的气体增压效果不足，影响次热交换器工作效率，进而影响制冷效果
	风扇	排出热交换器中用来散热的冲压空气	叶片剥落、裂纹等故障	影响ACM空气循环机排气效果，进而影响制冷效果
水分离器		收集提取气流中水，并经过喷嘴喷出到冲压空气	喷水活门故障、结冰故障	水分离器故障会影响混合气体的除水效果，会引发涡轮内的结冰故障
温度控制活门		控制空调出口温度的主控活门	温度控制活门控制失效	无法调节PACK出口温度
冲压空气作动器		冲压空气作动筒控制进入冲压空气系统的气体流量	作动失效导致冲压空气门控制失效	影响冲压冷却空气进气量，进而影响系统制冷效果

Table 1

Table 2

Fig.5

Fig.6

Table 3

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Fig.8

Table 4

Fig.9

Table 5

Fig.10

References 28

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编号	健康表征参数	编号	健康表征参数
1	大气总温	7	PACK2压气机出口空气温度
2	引气流量	8	PACK1空气流量
3	引气压力	9	PACK2空气流量
4	PACK1旁通活门位置	10	PACK1出口温度
5	PACK2旁通活门位置	11	PACK2出口温度
6	PACK1压气机出口空气温度	12	飞行阶段

时间	故障描述	故障处理
2019.07.14	PACK1 FCV未打开	更换FCV
2019.07.31	PACK2地面出口温度高	更换冷凝器
2019.08.21	航前有空气调节系统故障，后舱调节活门警告	航前时间不足，故障保留；航后重置跳开关，测试正常，撤下保留。
2019.08.22	后半舱空调无法调节，起飞后特别冷	后客舱配平空气活门故障，重置跳开关
2019.11.08	PACK1空气调节器故障	更换FCV（23HB）
2020.01.13		更换电子仓通风风扇
2020.03.28	热空气故障	测试温控测试，检查正常
2020.03.29	PACK1空气调节器故障	更换FCV1
2020.03.30	为确认PACK1常规故障	对倒本机ALSC1和2，测试正常
2020.03.30	PACK1 FCV 故障
2020.08.18		更换前货舱配平活门，故障依旧
2020.08.18	PACK2空气调节器故障	更换PACK2传感器32HH
2020.08.25	前货仓配平空气活门故障	更换前货仓配平活门，测试正常，关闭保留
2020.11.28	发动机关车后出现某项警告过大约1 min后消失
2020.12.16	PACK2压气机出口温度异常指示	更换PACK2压气机出口温度传感器

故障日期	可靠性监控结果
2019年07月14日	在7月11日预计了空调系统性能降低，并在7月14日再次确定空调性能下降
2019年07月31日	在7月30日准确识别空调性能下降
2019年08月21日—2019年08月22日	在8月21日的3个航班都指示系统性能下降
2019年11月08日	在11月8日的2个航班都准确识别系统性能下降，且表明系统发生较严重故障
2020年01月13日	在1月12日的4个航班都预计系统性能下降较大
2020年03月28日	在3月28日识别系统性能下降，且表明系统发生严重故障
2020年03月29日	在3月28到29日的航班准确识别系统性能下降，且表明系统发生严重故障
2020年03月30日	在3月30日的2个航班准确识别系统性能下降，且表明系统发生严重故障

故障日期	性能退化预警结果
2020年08月18日	在8月17日准确识别了空调系统性能下降，达到预警
2020年08月25日	在8月25日准确识别了空调系统性能下降，达到预警
2020年11月28日	在11月28日准确识别了空调系统性能下降，超过预警0.5倍
2020年12月16日	在12月15日准确识别了空调系统性能下降，超过预警0.2倍

Intelligent health evaluation and degradation warning of aircraft air-conditioning systems: A method fusing mission profile and PCA-MD

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