航空发动机气路部件故障诊断的半物理验证方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了航空发动机气路部件故障诊断的半物理验证方法及系统，属于航空发动机故障诊断技术领域，航空发动机气路部件故障诊断的半物理验证系统，包括：涡扇发动机模拟器、控制器模块、发动机信号处理模块、控制器信号处理模块、气路部件故障诊断模块、监控显示模块以及物理系统。本发明专利技术中的半物理验证平台对缩短航空发动机气路部件故障诊断系统的研制周期、降低试验风险及成本有着积极促进作用。

Semi physical verification method and system for fault diagnosis of aeroengine gas path components

The invention discloses a semi physical verification method and system for the fault diagnosis of aero engine gas component, which belongs to the semi physical verification system of aero engine fault diagnosis technology, including the turbofan engine simulator, the controller block, the engine signal processing module and the control. The signal processing module, the fault diagnosis module of the gas path component, the monitoring display module and the physical system are included. The semi physical verification platform in this invention has a positive effect on shortening the development cycle of the aero engine gas component fault diagnosis system, reducing the risk and cost of the test.

【技术实现步骤摘要】
航空发动机气路部件故障诊断的半物理验证方法及系统
本专利技术涉及航空发动机故障诊断领域，尤其涉及航空发动机气路部件故障诊断的半物理验证方法及系统。
技术介绍
航空发动机是飞机的心脏，其性能与可靠性是飞机性能和飞行安全的重要保证。由于其自身是强非线性、结构复杂的时变系统，工作状态恶劣多变，因此属于故障多发系统。在航空发动机服役期间，除了会发生严重的突变故障外，其主要气路部件的性能也会随着循环次数的增加而发生蜕化。因此,及时准确评估部件的健康状况，是实现发动机故障预测、诊断，降低维护费用，提高飞行安全性和可靠性的重要途径。了解发动机的运行状态，掌握发动机的性能状况，是发动机安全可靠工作，降低发动机维护费用的关键。研究表明，气路部件故障占发动机总故障的90％以上，因此，气路部件的故障诊断在发动机健康管理系统中占有重要地位。典型的发动机气路部件故障诊断系统的验证方法包括全数字仿真和实物验证。全数字仿真搭建数学模型来代替一个系统，基于Simulink等软件在计算机上运行得到数据并进行分析研究，其优点是试验方式灵活且成本较低，同时可以得到一些无法测量的数据，缺点是部分部件的数学模型搭建困难，试验精度和直观性差，与实际有一定的差距，可靠性仍然需要进一步验证。实物验证平台将所设计的方法应用在真实对象上进行试验，优点是直观，结果准确性高，所见即所得，缺点是平台的维护性、仪器费用和人性化等方面不能让人满意，试验的难度和风险较高，开发周期长。如何能够快速高效的验证气路部件故障诊断系统的有效性和精度已经成为发动机领域亟待解决的问题之一。综上,现有技术中缺乏一种故障诊断方法,成本较低,试验方式灵活,又能够贴近真实情况,仿真结果逼真。
技术实现思路
本专利技术提供了航空发动机气路部件故障诊断的半物理验证方法及系统，用于航空发动机气路部件故障诊断，能够提高试验可靠性，降低试验成本，提高气路部件故障诊断系统验证的有效性。航空发动机气路部件故障诊断的半物理验证系统，包括：涡扇发动机模拟器、控制器模块、发动机信号处理模块、控制器信号处理模块、气路部件故障诊断模块、监控显示模块以及物理系统；发动机模拟器连接发动机信号处理模块，控制器模块连接控制器信号处理模块；发动机信号处理模块和控制器信号处理模块分别连接物理系统；发动机模拟器和控制器模块分别连接气路部件故障诊断模块；发动机模拟器和气动部件故障诊断模块输出信号至监控显示模块，监控显示模块接收并展示发动机模拟器发出的重要截面参数及工作状态，接收并展示部件故障诊断模块发出的发动机部件健康参数，实现性能参数显示、数据存储和告警提示。进一步的，物理系统包括燃油系统和电传系统,燃油系统包括:压力油箱、换热器、增压泵、油滤、油针位置执行机构、位置传感器、供油装置、涡轮流量计、阀门、管道及与管道配套的仪表；电传系统包括:电机、电磁转速传感器、转动轴和电气控制柜。发动机信号处理模块采集燃油系统中涡轮流量计的电信号，处理后输入至发动机模拟器；控制器信号处理模块采集电传系统的电磁转速传感器电信号，处理后输入至控制器模块。进一步的，燃油系统的模拟模型为燃油模块,燃油模块包括涡轮流量计、燃油调节器、油路模块、油针位置传感器；燃油调节器分别连接涡轮流量计、油针位置传感器和油路模块；涡轮流量计连接发动机信号处理模块，油路模块连接控制器信号处理模块。在输入油压确定的情况下，燃油调节器根据电机的物理转速和油针物理位置决定物理燃油流量；涡轮流量计测量燃油调节器调节后的油管中燃油流量，以电信号方式传输至信号处理模块；电磁转速传感器测量电传模块中的电机转速，以电信号方式传输至信号处理模块；油针位置传感器测量燃油模块中的油针位置，以电信号方式传输至信号处理模块。燃油模块接收控制器信号处理模块发出的油针位置驱动电流信号，根据该驱动电流信号驱动电机执行机构，改变油针位置以改变管路内燃油流量，实现燃油信号的物理模拟，并维持燃油调节器前管路内油压恒定。进一步的，电传系统的模拟模型为电传模块,电传模块包括电机模块、电磁转速传感器，电机模块连接发动机信号处理模块和电磁转速传感器，电磁转速传感器还连接控制器信号处理模块。电传模块接收信号处理模块发出的电机驱动电流信号，根据该驱动电流信号驱动电机模块中的电机执行机构，改变电机转速，实现发动机转速信号的物理模拟。控制器信号处理模块采集油针位置传感器值，处理后输入至控制器模块；控制器模块根据发动机模拟器的低压转速值输出，驱动电流信号至电传模块，从而驱动电机执行机构。控制器模块计算得到油针位置驱动电流值，根据该电流值驱动电流信号至燃油模块，驱动油针位置执行机构。控制器模块包括发动机转速控制子模块和油针位置控制子模块，发动机转速控制子模块接收信号处理模块处理后的电磁转速传感器信号，与指令转速信号作比较，根据PID控制算法计算出油针位置指令，传输给油针位置控制子模块进而控制发动机转速，实现发动机转速的大闭环控制；油针位置控制子模块接收信号处理模块处理后的油针位置信号，与从发动机转速控制子模块接收的油针位置指令作比较，根据PID控制算法计算出油针位置执行机构的驱动电流值，传输至信号处理模块采样进而控制油针位置，实现油针位置的小闭环控制。进一步的，监视显示模块和发动机模拟器，监视显示模块和气动部件故障诊断模，采用UDP协议通信。进一步的，气路部件故障诊断模块和发动机模拟器，气路部件故障诊断模块和控制器模块，采用共享变量连接。本专利技术还提供了航空发动机气路部件故障诊断的半物理验证方法，包括：S1、所述故障注入子模块生成故障模拟信号，并发送至所述发动机部件级模型子模块；S2、所述发动机部件级模型子模块通过所述发动机信号处理模块，采集所述燃油系统的燃油量信号；S3、所述发动机部件级模型子模块根据所述燃油量信号模拟发动机的实时运行状态，得到发动机重要截面参数；S4、所述气路部件诊断模块采集所述发动机重要截面参数和所述控制器模块发出的发动机转速信号，根据所述发动机重要截面参数和所述发动机转速信号对发动机气路部件健康参数进行估计，得到估计健康参数；S5、所述气路部件诊断模块将所述估计健康参数发送至所述监控显示模块。本专利技术的有益效果是：本专利技术采用了将半物理验证平台和物理仿真、数字仿真相结合的方法，将仿真对象系统的一部分以实物方式接入仿真回路，回路中的其余部分仍以数学模型描述；实时数学仿真与物理仿真的联合仿真从实物中实时采集数据，比数字仿真更接近于真实情况，又能解决一些物理仿真无法模拟的问题，逼真度较高；模块化的半物理验证平台在实时仿真环境下，有利于实现数学模型和物理模块之间信号的联系互换，使得验证流程灵活精简。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1是发动机气路健康管理系统半物理验证方法的结构及各模块连接图；图2是涡扇发动机各部件截面图；图3是控制器模块逻辑图；图4是气路健康管理系统诊断逻辑图；图5(a)是油针位置指令和油针位置反馈信号控制效果图；图5(b)是发动机低压转速指令和反馈信号控制效果图；图6是转速周期脉冲信号F本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.航空发动机气路部件故障诊断的半物理验证系统，其特征在于，包括：涡扇发动机模拟器、控制器模块、发动机信号处理模块、控制器信号处理模块、气路部件故障诊断模块、监控显示模块以及物理系统；所述发动机模拟器连接所述发动机信号处理模块，所述控制器模块连接所述控制器信号处理模块；所述发动机信号处理模块和所述控制器信号处理模块分别连接所述物理系统；所述发动机模拟器和所述控制器模块分别连接所述气路部件故障诊断模块；所述发动机模拟器和所述气动部件故障诊断模块输出信号至监控显示模块。

【技术特征摘要】
1.航空发动机气路部件故障诊断的半物理验证系统，其特征在于，包括：涡扇发动机模拟器、控制器模块、发动机信号处理模块、控制器信号处理模块、气路部件故障诊断模块、监控显示模块以及物理系统；所述发动机模拟器连接所述发动机信号处理模块，所述控制器模块连接所述控制器信号处理模块；所述发动机信号处理模块和所述控制器信号处理模块分别连接所述物理系统；所述发动机模拟器和所述控制器模块分别连接所述气路部件故障诊断模块；所述发动机模拟器和所述气动部件故障诊断模块输出信号至监控显示模块。2.根据权利要求1所述的航空发动机气路部件故障诊断的半物理验证系统，其特征在于，所述物理系统包括燃油系统和电传系统,所述燃油系统包括:压力油箱、换热器、增压泵、油滤、油针位置执行机构、位置传感器、供油装置、涡轮流量计、阀门、管道及与所述管道配套的仪表;所述电传系统包括:电机、电磁转速传感器、转动轴和电气控制柜。3.根据权利要求2所述的航空发动机气路部件故障诊断的半物理验证系统，其特征在于，所述燃油系统的模拟模型为燃油模块,所述燃油模块包括涡轮流量计、燃油调节器、油路模块、油针位置传感器;所述燃油调节器分别连接所述涡轮流量计、所述油针位置传感器和油路模块；所述涡轮流量计连接所述发动机信号处理模块，所述油路模块连接所述控制器信号处理模块。4.根据权利要求2所述的航空发动机气路部件故障诊断的半物理验证系统，其特征在于，所述电传系统的模拟模型为电传模块,所述电传模...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄金泉，刘宸闻，鲁峰，卢俊杰，王启航，
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