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探析航空发动机燃油调节及其传感器故障诊断与半物理仿真的论文

时间:2018-09-05 物理毕业论文 我要投稿

  1 引言

  为了保证航空发动机的安全工作,发动机控制系统必须具备极高的可靠性。而作为发动机控制系统的执行元件,航空发动机燃油调节执行机构及其传感器常常工作在高温、高压、强振动的恶劣的环境下,是故障多发的元件之一。实时诊断执行机构故障是提高航空发动机控制系统可靠性的基础,当执行机构出现故障或发生意外失效状况时,发动机控制系统若能够通过故障诊断及容错控制技术保证发动机的安全运行,对于提高发动机的可靠性具有重要意义。因此,有必要针对执行机构及其传感器的故障诊断技术进行研究。

  目前,国外专门针对发动机执行机构故障诊断的研究披露较少,文献通过构建估计器提取系统故障特征,实现对执行机构回路的在线监控和离线诊断,但这种方法不能实现在线诊断。国内在执行机构故障诊断的工程应用方面,一般利用执行机构数学模型计算值与LVDT 传感器反馈值作差,将差值与阈值比较以实现故障诊断,这种方法虽然能够判断出执行机构的一般故障,但其针对的是执行机构输出位置出现故障的情况,如果是LVDT 传感器出现故障,该方法将不能区分。当执行机构发生故障时,LVDT 传感器的测量值将随之变化;当LVDT 传感器发生故障时,执行机构的输出也会在小闭环的作用下发生变化。因此,把执行机构故障和LVDT 传感器故障分开考虑,进行检测与隔离,对于保证发动机控制系统的安全运行有着重要的意义。

  文献提出了基于UIO(Unknown Input Observ?er)的执行机构故障诊断方法,其在动态系统干扰模型的框架下,通过正交子空间投影来弱化干扰因素对监测信号残差的影响,利用所构造的一组发动机输出理论值同实际测量值之间的残差特性,来完成执行机构的故障监测。文献利用关系矩阵法把不同执行机构对系统的影响进行分离,并将执行机构指令输入与执行机构实际输出间的差异通过发动机输出和执行机构指令输入的组合呈现出来,将该差异与阈值比较,从而诊断出执行机构实际输出不等于执行机构指令输入的故障。

  然而,以上方法对建模精度要求很高,且其验证均局限于单纯的数字仿真,其结果置信度有限,不能够作为最终的参考依据。半物理仿真拥有真实的油路系统、I/O 接口、控制器硬件设备以及虚拟的被控对象模型,系统的动态响应过程与实际系统的动态响应过程的时间进程十分接近,是一种置信度较高的算法测试验证手段。所以,设计和研究适合工程应用的故障诊断算法,并进行半物理仿真测试和验证,具有重要工程价值。

  本文结合工程实际给出航空发动机主燃油执行机构回路故障诊断方法,研究了执行机构自身故障和其传感器故障的检测和定位问题,并针对发动机主燃油调节系统,在半物理仿真试验台上完成了仿真验证。

  2 执行机构故障诊断系统

  为了实现对航空发动机执行机构及其传感器的故障检测与区分,在发动机转速控制大闭环回路内,转速给定值为Nr,转速传感器反馈值为N。执行机构数学模型和执行机构小闭环回路的输入均为数字电子控制器计算出的计量活门位置给定值Lr。其中,模数转换(AD)及数模转换(DA)实现了模拟信号和数字信号的相互转换,执行机构模型输出的燃油预测值为Wf1,LVDT 传感器反馈值L 对应的燃油流量值为Wf0,另外,建立了一个发动机燃油逆映射模型,其以发动机输出来估计实际燃油流量,记为Wf2。将Wf0,Wf1 及Wf2输入到故障诊断逻辑判断?橹薪泄收霞觳饧岸ㄎ,最后把诊断结果提供给发动机转速控制器。若执行机构数学模型及逆映射模型精度足够高,则Wf1 即为不受故障影响的燃油理论值,Wf2 则代表发动机实际燃油量,而Wf0 代表了传感器测量的燃油量,对这三个值进行合理逻辑判断,可以有效检测并区分出执行机构故障或是LVDT 传感器故障,故障诊断逻辑判断所示。将逆映射模型估计值Wf2与传感器测得的燃油量Wf0对比,得到残差e1 ,执行机构模型预测燃油量Wf1与Wf0对比得到残差e2 。得到残差后,先将e1 与传感器阈值D1 作比较,若e1 > D1 ,则说明传感器测量燃油与逆映射模型估计值相差较大,而逆映射模型输出反映的输出燃油值,由此可判断出LVDT 传感器出现故障,反之,则说明测量燃油与实际燃油量基本相等,即LVDT 传感器无故障。然后,将e2 与执行机构阈值D2 作比较,若e2 > D2 ,则说明执行机构模型预测燃油量与燃油测量值相差较大,由于此时认为LVDT 传感器无故障,因此可以判断出执行机构发生故障。最后,若e1 ≤ D1且e2 ≤ D2 ,则可以判断执行机构和LVDT 传感器均无故障。另外,为了避免误诊,在诊断逻辑中引入了两个计数器,只有当残差连续大于阈值几次后才认为发生故障。通过上述逻辑判断,可以成功诊断出执行机构故障和LVDT 传感器故障,并有效降低了虚警率。

  3 基于ELM 的发动机燃油逆映射模型

  上述故障诊断系统的关键是要建立精确的执行机构数学模型与发动机燃油逆映射模型。计量活门执行机构一般与一个平衡弹簧配合工作,因此由电液伺服阀控制的计量活门执行机构可以看成一个惯性环节。本文针对涡扇发动机主燃油调节机构,通过阶跃响应试验进行模型参数辨识,建立了其传递函数形式执行机构数学模型。经对比,模型输出与试验数据基本吻合,相对误差在0.8%以内,可以满足燃油预测的精度要求。

  4 半物理仿真试验

  为了验证上述故障诊断系统的可行性和有效性,在半物理试验平台下,针对本文研究的涡扇发动机燃油调节系统,开展燃油调节执行机构故障诊断的半物理仿真试验研究。

  4.1 半物理仿真平台简介

  半物理仿真试验平台结构主要由(小惯量电机实现的)动力系统、燃油系统、PXI 模型计算机、接口模拟器和快速原型控制器组成。

  发动机部件级模型运行于PXI模型计算机中,实时仿真步长为20ms。涡轮流量计测量的发动机供油量被采集并送入发动机部件级模型进行计算,从而得到发动机各截面参数,输出板卡将高压转子转速的数字信号转换成模拟信号,控制小惯量电机跟随发动机高压转速,同时,电机模拟发动机带动燃油调节器的油泵为控制系统提供燃油,转速传感器将测量得到的发动机转速送回快速原型控制器。发动机模型其他输出参数如低压转子转速、各截面温度和压力信号则通过接口模拟器转换为高逼真度的模拟信号输送给快速原型控制器。

  快速原型控制器用来给定发动机操控指令以及集成故障诊断和控制算法,以保证发动机安全可靠工作。燃油系统为半物理仿真试验提供主燃油执行机构回路的物理模拟环境,是整个半物理试验台的主体。其中,燃油系统由燃油箱、增压泵、燃油调节器(包括主燃油泵)、涡轮流量计、各个阀门、管道以及仪表和配套传感器等组成。

  燃油系统通过压力油箱、增压泵为燃油调节器提供洁净的具有一定压力的燃油,经燃油调节器中的主燃油泵加压和计量活门的调节输出流量可控的高压燃油。经过计量控制的高压燃油经过装有涡轮流量计的管道后,重新回到压力油箱中。本文研究的燃油调节器,快速原型控制器输出的电流信号驱动其电液伺服阀从而改变计量活门输出位置,LVDT 传感器采集位置信号后反馈给快速原型控制器。

  4.2 执行机构及其传感器的故障诊断试验

  在上述半物理仿真平台上,以某型涡扇发动机模型为对象,进行了执行机构及其传感器的故障诊断半物理仿真试验。本文主要考虑主燃油流量对发动机状态的变化,故令尾喷管喉道截面面积保持不变。结合大量试验数据,设置传感器阈值D1 =1.8%,执行机构阈值D2 =1.5%,通过对比残差和阈值,实现故障检测和定位。在高度H=0,马赫数Ma=0,且发动机处于转速闭环状态下,以下将分别给出LVDT 传感器发生偏置故障、漂移故障,及执行机构发生偏置故障、漂移故障、卡死故障时的试验结果及分析。

  LVDT 传感器偏置故障,是指其在工作过程中测量值突变的情况。当发动机百分比转速为85 时,在15~25s 注入2%的LVDT 传感器偏置故障时的诊断结果?梢钥吹,在0~15s 无故障区间内,传感器测量的燃油量Wf0 、执行机构模型预测燃油量Wf1 和逆映射模型估计值Wf2 三者始终保持一致,验证了执行机构模型与逆映射模型的精确性,根据故障诊断逻辑可判断当前执行机构与LVDT 传感器均无故障。第15s 时,由于LVDT 传感器测量值突然增大2%,其对应的燃油量Wf0 也突然增大,使得执行机构小闭环输出减小,表征实际燃油量的Wf2 也相应减小。随后,在转速大闭环的作用下,实际燃油会逐渐增大直至高压转子转速回到故障前的状态,因此,Wf2 在18.5s 左右恢复到无故障时的大小。第25s 故障撤消后,由于执行机构小闭环的指令有所增加,实际燃油量迅速增大,但由于转速闭环的作用,Wf0 ,Wf1 和Wf2 逐渐回到无故障状态,且始终保持一致。

  5 结论

  本文提出的基于执行机构模型和发动机燃油逆映射模型的故障诊断方法,采用ELM 建立了精确的逆映射模型,并针对执行机构回路中的各种常见故障进行了半物理仿真试验,得到以下结论:

  (1)所提出的方法能快速检测出航空发动机燃油调节系统的异常。当故障发生时,能准确有效地对燃油调节系统中幅值在2%以上的各种执行机构故障和LVDT 传感器故障进行区分和隔离,从而为实现航空发动机容错控制提供了条件。

  (2)提出的故障诊断方法已经通过半物理仿真试验验证,完全适用于航空发动机数字电子控制系统燃油执行机构控制回路,且软件实现方便、实时性好,对提高系统可靠性具有重要作用。

  (3)基于非线性回归方法ELM 建立的发动机燃油逆映射模型精度较高,并具有良好的实时性,易于在发动机数字控制系统中实现,但不足之处是要经过大量的离线训练。如何在线进行逆映射模型的搭建,并验证模型精度及实时性将是下一步研究的重点。

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