一种航空发动机气路部件故障检测方法技术

本发明专利技术涉及一种航空发动机气路部件故障检测方法，解决了标准扩展卡尔曼滤波算法采用集中式结构进行气路健康诊断存在计算负担大，容错性差的问题；而且所设计基于状态一致性的传感器故障检测、隔离方法，可以实现传感器容错功能；以融合结构的滤波结构为基础，在各局部滤波器和主滤波器之间增加故障检测单元，利用传感器正常状况下，各局部滤波器状态估计具有的一致性，进行传感器故障检测，若子系统发生故障，对其进行隔离，在主滤波器中进行融合时，剔除故障子系统的信息，仅对正常的子系统融合与反馈信息，实现了具有传感器容错功能的气路故障诊断。

【技术实现步骤摘要】
一种航空发动机气路部件故障检测方法
本专利技术涉及一种航空发动机气路部件故障检测方法，属于航空发动机故障诊断

技术介绍
航空发动机作为飞机的心脏，结构复杂而且工作环境恶劣，发动机故障诊断技术是保证发动机性能与可靠性，降低使用维护成本的重要手段。在航空发动机服役过程中，部件性能会发生缓慢退化，此外，还可能发生部件健康参数突变；与此同时，由于工作环境的恶劣，传感器也是故障易发元件之一；气路部件故障与传感器故障共同影响着航空发动机的性能与可靠性，有必要对其进行诊断。目前，航空发动机气路部件故障诊断主要是通过测量参数的变化估计健康参数的变化，从而分析发动机气路部件的健康状况；线性卡尔曼滤波器作为一种基于模型的气路部件故障诊断方法，对于线性高斯系统能够获得最优的状态估计，且算法计算量小，但是发动机本身是一个复杂的非线性系统，线性化建模过程不可避免的会引入二次建模误差，影响诊断的精度。扩展卡尔曼滤波器是线性卡尔曼滤波器向非线性系统的推广，其对非线性系统进行一阶近似，将非线性问题转化为一个近似的线性滤波问题，适用于航空发动机这类强非线性系统，具有较高的估计精度，因此在航空发动机气路部件故障诊断上已获得广泛应用。传统的基于扩展卡尔曼滤波器的航空发动机气路部件故障诊断方法为集中式结构，即将各传感器测量值直接传输到中央处理器进行全局的健康参数估计，存在中央处理器计算负担大，传输信道要求高，容错性差等缺点。气路部件故障诊断是以传感器测量信号为基础工作的，传感器信号正常与否将直接影响到气路部件故障诊断乃至发动机控制的有效性。目前，国内外已对航空发动机传感器故障诊断与容错展开了大量研究，如基于残差x2的诊断法，基于机器学习的诊断法等。但是，基于集中式卡尔曼滤波器的上述方法仅使用单一滤波器的估计信息，实现起来较为复杂，增加了计算负担。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术所要解决的技术问题是提供一种航空发动机气路部件故障检测方法，克服了现有技术中的不足，针对航空发动机气路部件故障与传感器故障设计了融合诊断方法，有效保证了航空发动机更加安全可靠的运行。本专利技术为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本专利技术设计了一种航空发动机气路部件故障检测方法，首先针对航空发动机各个指定气路部件，分别设置用于指定参数测量的各个传感器；然后将各个指定气路部件按其所在工作区域进行划分获得各个工作区域组，接着设置分别与各个工作区域组相一一对应的局部滤波器，各个工作区域组中各指定气路部件上设置的各个传感器分别与所在工作区域组对应的局部滤波器相连接；最后设置与各个局部滤波器相连接的主滤波器；所述故障检测方法包括如下步骤：步骤001.初始化k＝0，并预设第k时刻航空发动机各个指定气路部件的工作效率变化系数集合X全局，k、第k时刻航空发动机各个指定气路部件工作效率变化系数对应的协方差阵集合P全局，k，以及航空发动机系统噪声协方差阵Q全局；将上述三组预设量平均分配至各个局部滤波器中，使得各个局部滤波器分别获得其在第k时刻所获系统各个指定气路部件的工作效率变化系数集合Xi，k、其在第k时刻的局部滤波器协方差阵集合Pi，k，以及其对应的航空发动机系统噪声协方差阵Q，并进入步骤002；其中，i＝{1、…、I}，I表示局部滤波器的个数；Pi，k表示第i个局部滤波器在第k时刻所获系统各个指定气路部件工作效率变化系数，分别相对于该局部滤波器自第0时刻起至第k时刻所有时刻所获对应指定气路部件工作效率变化系数的协方差，所构成第i个局部滤波器第k时刻的局部滤波器协方差阵集合；步骤002.分别针对各个局部滤波器，局部滤波器根据第k时刻所获其对应工作区域组中各指定气路部件上各传感器的检测结果、该局部滤波器第k时刻所获系统各个指定气路部件的工作效率变化系数集合Xi，k、该局部滤波器第k时刻的局部滤波器协方差阵集合Pi，k,以及局部滤波器对应的航空发动机系统噪声协方差阵Q，计算获得该局部滤波器第k+1时刻系统各个指定气路部件的初级工作效率变化系数集合X′i，k+1；接着，该局部滤波器获得其在第k+1时刻所获系统各个指定气路部件初级工作效率变化系数，分别相对于该局部滤波器自第0时刻起至第k+1时刻所有时刻所获对应指定气路部件初级工作效率变化系数的初级协方差，构成该局部滤波器第k+1时刻的局部滤波器初级协方差阵集合P′i，k+1，并进入步骤003；步骤003.分别针对各个局部滤波器，获得局部滤波器在第k+1时刻所获系统各个指定气路部件的初级工作效率变化系数，分别相对于所有局部滤波器在第k+1时刻所获对应系统指定气路部件的初级工作效率变化系数的协方差，构成该局部滤波器第k+1时刻的全局滤波器协方差阵集合hi,k+1，并进入步骤004；步骤004.分别针对各个局部滤波器第k+1时刻的全局滤波器协方差阵集合hi,k+1，判断是否大于1，是则判定该全局滤波器协方差阵集合hi,k+1所对应的局部滤波器有故障，针对该局部滤波器进行隔离；否则判定该全局滤波器协方差阵集合hi所对应的局部滤波器无故障；当执行完所有局部滤波器后，进入步骤005；其中，T表示全局滤波器协方差阵集合的预设阈值；步骤005.各个无故障的局部滤波器分别将其所获X′i，k+1和P′i,k+1，以及其对应的航空发动机系统噪声协方差阵Q上传至主滤波器中，主滤波器针对来自各个无故障局部滤波器的信息进行信息融合，分别获得第k+1时刻航空发动机各个指定气路部件的工作效率变化系数集合X全局，k+1、第k+1时刻航空发动机各个指定气路部件工作效率变化系数对应的协方差阵集合P全局，k+1，以及航空发动机系统噪声协方差阵Q全局，并进入步骤006；步骤006.主滤波器将X全局，k+1、P全局，k+1和Q全局平均分配至各个无故障局部滤波器中，各个无故障局部滤波器分别获得第k+1时刻系统各个指定气路部件的工作效率变化系数集合Xi，k+1、第k+1时刻的局部滤波器协方差阵集合Pi，k+1，以及局部滤波器所对应的航空发动机系统噪声协方差阵Q；然后分别针对各个无故障局部滤波器，比较无故障局部滤波器所对应系统各个指定气路部件上一时刻的工作效率变化系数与当前时刻的工作效率变化系数，实现针对系统各个指定气路部件的故障检测，并进入步骤007；步骤007.将k+1的值赋予k，并返回步骤002。作为本专利技术的一种优选技术方案：所述步骤001中，针对预设第k时刻航空发动机各个指定气路部件的工作效率变化系数集合X全局，k、第k时刻航空发动机各个指定气路部件工作效率变化系数对应的协方差阵集合P全局，k，以及航空发动机系统噪声协方差阵Q全局，通过如下公式：Xi，k＝X全局，k；将上述三组预设量平均分配至各个局部滤波器中，使得各个局部滤波器分别获得其在第k时刻所获系统各个指定气路部件的工作效率变化系数集合Xi，k、其在第k时刻的局部滤波器协方差阵集合Pi，k，以及其对应的航空发动机系统噪声协方差阵Q。作为本专利技术的一种优选技术方案：所述步骤002具体包括如下步骤：步骤00201.获得第k时刻各个指定气路部件上所设各个传感器检测指定参数的检测结果，并分别上传至传感器所在工作区域组对应的局部传感器当中；同时，各个局部滤波器分别根据所对应的航空发动机系统噪声协方差阵Q，分别获得各个局本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种航空发动机气路部件故障检测方法，其特征在于：首先针对航空发动机各个指定气路部件，分别设置用于指定参数测量的各个传感器；然后将各个指定气路部件按其所在工作区域进行划分获得各个工作区域组，接着设置分别与各个工作区域组相一一对应的局部滤波器，各个工作区域组中各指定气路部件上设置的各个传感器分别与所在工作区域组对应的局部滤波器相连接；最后设置与各个局部滤波器相连接的主滤波器；所述故障检测方法包括如下步骤：步骤001.初始化k＝0，并预设第k时刻航空发动机各个指定气路部件的工作效率变化系数集合X全局，k、第k时刻航空发动机各个指定气路部件工作效率变化系数对应的协方差阵集合P全局，k，以及航空发动机系统噪声协方差阵Q全局；将上述三组预设量平均分配至各个局部滤波器中，使得各个局部滤波器分别获得其在第k时刻所获系统各个指定气路部件的工作效率变化系数集合Xi，k、其在第k时刻的局部滤波器协方差阵集合Pi，k，以及其对应的航空发动机系统噪声协方差阵Q，并进入步骤002；其中，i＝{1、…、I}，I表示局部滤波器的个数；Pi，k表示第i个局部滤波器在第k时刻所获系统各个指定气路部件工作效率变化系数，分别相对于该局部滤波器自第0时刻起至第k时刻所有时刻所获对应指定气路部件工作效率变化系数的协方差，所构成第i个局部滤波器第k时刻的局部滤波器协方差阵集合；步骤002.分别针对各个局部滤波器，局部滤波器根据第k时刻所获其对应工作区域组中各指定气路部件上各传感器的检测结果、该局部滤波器第k时刻所获系统各个指定气路部件的工作效率变化系数集合Xi，k、该局部滤波器第k时刻的局部滤波器协方差阵集合Pi，k,以及局部滤波器对应的航空发动机系统噪声协方差阵Q，计算获得该局部滤波器第k+1时刻系统各个指定气路部件的初级工作效率变化系数集合X′i，k+1；接着，该局部滤波器获得其在第k+1时刻所获系统各个指定气路部件初级工作效率变化系数，分别相对于该局部滤波器自第0时刻起至第k+1时刻所有时刻所获对应指定气路部件初级工作效率变化系数的初级协方差，构成该局部滤波器第k+1时刻的局部滤波器初级协方差阵集合P′i，k+1，并进入步骤003；步骤003.分别针对各个局部滤波器，获得局部滤波器在第k+1时刻所获系统各个指定气路部件的初级工作效率变化系数，分别相对于所有局部滤波器在第k+1时刻所获对应系统指定气路部件的初级工作效率变化系数的协方差，构成该局部滤波器第k+1时刻的全局滤波器协方差阵集合hi,k+1，并进入步骤004；步骤004.分别针对各个局部滤波器第k+1时刻的全局滤波器协方差阵集合hi,k+1，判断是否大于1，是则判定该全局滤波器协方差阵集合hi,k+1所对应的局部滤波器有故障，针对该局部滤波器进行隔离；否则判定该全局滤波器协方差阵集合hi所对应的局部滤波器无故障；当执行完所有局部滤波器后，进入步骤005；其中，T表示全局滤波器协方差阵集合的预设阈值；步骤005.各个无故障的局部滤波器分别将其所获X′i，k+1和P′i,k+1，以及其对应的航空发动机系统噪声协方差阵Q上传至主滤波器中，主滤波器针对来自各个无故障局部滤波器的信息进行信息融合，分别获得第k+1时刻航空发动机各个指定气路部件的工作效率变化系数集合X全局，k+1、第k+1时刻航空发动机各个指定气路部件工作效率变化系数对应的协方差阵集合P全局，k+1，以及航空发动机系统噪声协方差阵Q全局，并进入步骤006；步骤006.主滤波器将X全局，k+1、P全局，k+1和Q全局平均分配至各个无故障局部滤波器中，各个无故障局部滤波器分别获得第k+1时刻系统各个指定气路部件的工作效率变化系数集合Xi，k+1、第k+1时刻的局部滤波器协方差阵集合Pi，k+1，以及局部滤波器所对应的航空发动机系统噪声协方差阵Q；然后分别针对各个无故障局部滤波器，比较无故障局部滤波器所对应系统各个指定气路部件上一时刻的工作效率变化系数与当前时刻的工作效率变化系数，实现针对系统各个指定气路部件的故障检测，并进入步骤007；步骤007.将k+1的值赋予k，并返回步骤002。...

【技术特征摘要】
1.一种航空发动机气路部件故障检测方法，其特征在于：首先针对航空发动机各个指定气路部件，分别设置用于指定参数测量的各个传感器；然后将各个指定气路部件按其所在工作区域进行划分获得各个工作区域组，接着设置分别与各个工作区域组相一一对应的局部滤波器，各个工作区域组中各指定气路部件上设置的各个传感器分别与所在工作区域组对应的局部滤波器相连接；最后设置与各个局部滤波器相连接的主滤波器；所述故障检测方法包括如下步骤：步骤001.初始化k＝0，并预设第k时刻航空发动机各个指定气路部件的工作效率变化系数集合X全局，k、第k时刻航空发动机各个指定气路部件工作效率变化系数对应的协方差阵集合P全局，k，以及航空发动机系统噪声协方差阵Q全局；通过如下公式：Xi，k＝X全局，k；将上述三组预设量平均分配至各个局部滤波器中，使得各个局部滤波器分别获得其在第k时刻所获系统各个指定气路部件的工作效率变化系数集合Xi，k、其在第k时刻的局部滤波器协方差阵集合Pi，k，以及其对应的航空发动机系统噪声协方差阵Q，并进入步骤002；其中，i＝{1、…、I}，I表示局部滤波器的个数；Pi，k表示第i个局部滤波器在第k时刻所获系统各个指定气路部件工作效率变化系数，分别相对于该局部滤波器自第0时刻起至第k时刻所有时刻所获对应指定气路部件工作效率变化系数的协方差，所构成第i个局部滤波器第k时刻的局部滤波器协方差阵集合；步骤002.分别针对各个局部滤波器，局部滤波器根据第k时刻所获其对应工作区域组中各指定气路部件上各传感器的检测结果、该局部滤波器第k时刻所获系统各个指定气路部件的工作效率变化系数集合Xi，k、该局部滤波器第k时刻的局部滤波器协方差阵集合Pi，k,以及局部滤波器对应的航空发动机系统噪声协方差阵Q，计算获得该局部滤波器第k+1时刻系统各个指定气路部件的初级工作效率变化系数集合X′i，k+1；接着，该局部滤波器获得其在第k+1时刻所获系统各个指定气路部件初级工作效率变化系数，分别相对于该局部滤波器自第0时刻起至第k+1时刻所有时刻所获对应指定气路部件初级工作效率变化系数的初级协方差，构成该局部滤波器第k+1时刻的局部滤波器初级协方差阵集合P′i，k+1，并进入步骤003；步骤003.分别针对各个局部滤波器，获得局部滤波器在第k+1时刻所获系统各个指定气路部件的初级工作效率变化系数，分别相对于所有局部滤波器在第k+1时刻所获对应系统指定气路部件的初级工作效率变化系数的协方差，构成该局部滤波器第k+1时刻的全局滤波器协方差阵集合hi,k+1，并进入步骤004；步骤004.分别针对各个局部滤波器第k+1时刻的全局滤波器协方差阵集合hi,k+1，判断是否大于1，是则判定该全局滤波器协方差阵集合hi,k+1所对应的局部滤波器有故障，针对该局部滤波器进行隔离；否则判定该全局滤波器协方差阵集合hi所对应的局部滤波器无故障；当执行完所有局部滤波器后，进入步骤005；其中，T表示全局滤波器协方差阵集合的预设阈值；步骤005.各个无故障的局部滤波器分别将其所获X′i，k+1和P′i,k+1，以及其对应的航空发动机系统噪声协方差阵Q上传至主滤波器中，主滤波器针对来自各个无故障局部滤波器的信息进行信息融合，分别获得第k+1时刻航空发动机各个指定气路部件的工作效率变化系数集合X全局，k+1、第k+1时刻航空发动机各个指定气路部件工作效率变化系数对应的协方差阵集合P全局，k+1，以及航空发动机系统噪声协方差阵Q全...

【专利技术属性】
技术研发人员：王亚凡，鲁峰，黄金泉，黄一桓，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32