一种脉冲爆震发动机故障诊断系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种脉冲爆震发动机故障诊断系统及方法，通过引入发动机控制TTL输入信号，燃料和氧化剂流量、爆震腔压力、离子电流输出信号，构成闭环发动机故障诊断系统；系统包括：高频脉动流量测量装置、压力传感装置、离子电流传感装置、人机交互装置、信号采集和故障诊断装置。通过TTL信号，高频流量信号，压力和离子电流信号，判断发动机工作模式，工作状态，当量比或混合时间是否异常，分析发动机工作失败原因，通过统计，给出发动机爆震成功率，故障类型等特征参数，通过人机交互装置显示。对发动机稳定工作机理和边界工作条件探索，发动机自适应控制，发动机关键部件性能诊断，科研效率提高有积极作用和重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种脉冲爆震发动机故障诊断系统及方法
本专利技术属于脉冲爆震发动机领域，具体涉及发动机技术、燃烧技术、故障诊断技术、测量技术、嵌入式技术，更具体的涉及一个当量比精确测量系统、燃烧压力、离子浓度测量系统，一个用于实现信号采集及故障诊断方法的嵌入式系统，用于脉冲爆震发动机故障诊断场合。
技术介绍
脉冲爆震发动机具有热循环效率高、结构简单等优点，可应用于多种空天动力装置，被认为是21世纪最具潜力的空天动力项目。国内外对脉冲爆震发动机的研究处于起步阶段，发动机稳定工作机理、边界工作条件还在探索中。当量比异常、点火失效、电磁阀老化或失效、燃料和氧化剂混合时间异常、爆震管臂温过高等因素均会降低发动机性能，甚至导致发动机工作失败。目前，通过控制点火器、电磁阀动作周期、相位、占空比等参数来给定理论当量比、燃料和氧化剂的混合时间；实际工作中，由点火器失效、电磁阀失效、老化和动作延迟引起当量比、混合时间异常，臂温过高引起的燃料连续燃烧等现象尚未在线进行监测、分析和诊断，影响对发动机稳定工作边界机理、边界工作条件的探索以及科研效率的提高。
技术实现思路
针对以上
技术介绍
中存在的缺陷和不足，本专利技术提出一种基于高频脉动流量、爆震腔压力、爆震腔火焰离子电流、控制信号测量与分析的闭环故障诊断系统，将流量信号、压力信号、离子电流信号、发动机控制TTL信号综合分析，得出爆震成功率，精确当量比、混合时间；而且能诊断出由点火失效、电磁阀失效、电磁阀老化、臂温过高等原因导致的发动机工作异常类型；对发动机稳定工作机理、边界工作条件探索、缩短发动机故障诊断时间，提高科研效率有积极作用。为了达到以上目的，采用以下技术方案来实现：一种脉冲爆震发动机故障诊断系统，包括与脉冲爆震发动机爆震管连接的高频脉动流量测量装置、压力传感装置、离子电流传感装置、信号采集和故障诊断装置和人机交互装置，其中：高频脉动流量测量装置，用于测试发动机每个工作周期中，燃料和氧化剂的流量；压力传感装置，用于将爆震腔内压力信号转换为模拟电压信号；离子电流传感装置，用于将爆震腔内的爆震火焰离子信号转变为模拟电压信号；人机交互装置，用于输出压力传感装置和离子电流传感装置参数及故障诊断结果，获取故障诊断特征参数输入；信号采集和故障诊断装置，用于采集流量测量装置的瞬时流量、压力信号、压力传感装置和离子电流传感装置的电压信号、脉冲爆震发动机控制器输出的用于控制点火和电磁阀的TTL控制信号，根据故障诊断机理进行计算、分析，得出故障诊断结果，并将各传感器测量结果及诊断结果输出至人机交互装置显示，由人机交互装置获取故障诊断特征参数。进一步，所述高频脉动流量测量装置，包括两个具备模拟电压输出接口的高频流量计，设于脉冲爆震发动机爆震管头部，两个高频流量计分别连通燃料、氧化剂储罐以及信号采集和故障诊断装置，并通过电磁阀控制流量。进一步，所述电磁阀分别通过电磁阀驱动器连接信号采集和故障诊断装置与发动机控制器，发动机控制器通过高压线圈连接爆震管头部的火花塞。进一步，所述压力传感装置包括三个间距分布的压力传感器和连接三个压力传感器的电荷放大器的多通道电荷放大器，多通道电荷放大器连接至信号采集和故障诊断装置。进一步，压力传感器安装于爆震腔内且处于同一水平线，相互间距为70mm。进一步，所述离子电流传感装置包括与爆震腔内的火花塞连接的离子电流信号调理模块，离子电流信号调理模块连接信号采集和故障诊断装置。进一步，所述人机交互装置包括触摸屏和与信号采集和故障诊断装置相连的串行通讯接口UART。进一步，所信号采集和故障诊断装置包括具备多通道高速信号采集和处理功能的微处理器、供电模块和与人机交互装置相连的串行通讯接口UART。本专利技术进而给出了上述系统的脉冲爆震发动机故障诊断方法，包括下述步骤：1)由信号采集和故障诊断装置高速实时采集发动机控制器输出的用于控制点火和电磁阀动作的TTL信号，以及高频脉动流量测量装置、压力传感装置和离子电流传感装置输出的电压信号；2)由信号采集和故障诊断装置获取人机交互装置输入的当量比、混合时间阈值特征参数；3)然后由信号采集和故障诊断装置计算单次点火周期内点火次数、燃料流量突变次数、氧气流量突变次数、压力信号变化次数和离子电流信号变化次数是否一致；4)若各信号变化次数一致，且压力传感器信号和离子电流信号变化同步，则认为爆震成功率为100％；5)若各信号变化次数不一致，则通过故障诊断算法，分析故障原因；6)信号采集和故障诊断装置将爆震成功率、故障诊断结果、各传感器参数发送至人机交互装置进行显示。进一步，所述故障诊断算法，分析故障原因：对燃料和氧化剂流量信号进行积分，计算当量比；与理论当量比阈值进行比较，若当量比异常，说明发动机异常由当量比异常引起；进一步判断混合时间是否正常，混合时间由最后动作的阀体流量上升时刻和点火时刻之间的时间差获得；若当量比正常，混合时间异常，发动机异常由混合时间异常引起；若发动机工作于有阀模式，根据电磁阀响应时间，开阀时间，关阀时间特征参数，判断电磁阀健康状态；若电磁阀响应时间，开关时间均正常，发动机工作失败由控制时序错误引起；若发动机工作于无阀模式，当量比异常由燃料或氧化剂供给压力异常引起，混合时间异常由点火时序控制异常引起；若发动机工作于连续燃烧状态，发动机工作失败由爆震管臂温过高，反应物连续燃烧引起。相对于现有技术，本专利技术的有益效果在于：1)首次提出基于爆震腔压力、火焰离子电流、高频脉动流量、发动机控制器输出的TTL等多传感器信号融合的脉冲爆震发动机故障诊断技术，实现控制信号输入，传感器信号输出集中监测的闭环诊断方式，提高故障诊断的可靠性；2)通过高频流量监测和输入控制信号融合的方式，测出精确的当量比，电磁阀的响应延时，开关特性，对电磁阀的老化进行评估，这些参数均可作为发动机控制参数的输入，对发动机控制器进行精确的当量比控制有重大意义；3)精确的混合时间测量，可作为发动机控制器输入参数，为发动机自适应点火控制提供依据；4)对发动机每个工作周期参数进行统计、分析、给出发动机工作状态、故障类型、故障原因等参数，使得发动机实际工作参数可视化、透明化，有益于发动机稳定工作机理、边界工作条件的探索。本专利技术使用一种新型的故障诊断方法，通过监测由控制信号输入至流量、爆震腔压力、火焰离子电流等输出信号，构成脉冲爆震发动机工作闭环故障诊断系统。由爆震腔压力、火焰电流信号上升时间、信号幅值、信号时序等判断燃烧波压力、速度和燃烧类型；由实际流量和电磁阀控制器输出信号，计算当量比、电磁阀动作延时、开关速度；由流量和点火控制信号，计算混合时间；对发动机每周期工作模式、工作状态、故障类型、故障原因等参数进行统计，使得发动机实际工作参数可视化、透明化，有益于发动机稳定工作机理、边界工作条件的探索，以测量结果作为发动机控制器的输入，有助于控制器实现自适应控制，提高发动机工作的可靠性。附图说明图1是本专利技术发动机故障诊断系统结构及工作原理图；图2是有阀模式下发动机工作单周期各信号示意图；图3是无阀模式下发动机工作单周期各信号示意图；图4是成功起爆传感器波形及特征参数图；图5是缓燃状态传感器特征参数图；图6是点火失败传感器特征参数图；图7是连续燃烧传感器特征参数图；图8是当量比计算原理图；图9本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种脉冲爆震发动机故障诊断系统，其特征在于，该系统包括与脉冲爆震发动机爆震管连接的高频脉动流量测量装置、压力传感装置、离子电流传感装置、信号采集和故障诊断装置和人机交互装置，其中：高频脉动流量测量装置，用于测试发动机每个工作周期中，燃料和氧化剂的流量；压力传感装置，用于将爆震腔内压力信号转换为模拟电压信号；离子电流传感装置，用于将爆震腔内的爆震火焰离子信号转变为模拟电压信号；人机交互装置，用于输出压力传感装置和离子电流传感装置参数及故障诊断结果，获取故障诊断特征参数输入；信号采集和故障诊断装置，用于采集流量测量装置的瞬时流量、压力信号、压力传感装置和离子电流传感装置的电压信号、脉冲爆震发动机控制器输出的用于控制点火和电磁阀的TTL控制信号，根据故障诊断机理进行计算、分析，得出故障诊断结果，并将各传感器测量结果及诊断结果输出至人机交互装置显示，由人机交互装置获取故障诊断特征参数。

【技术特征摘要】
1.一种脉冲爆震发动机故障诊断系统，其特征在于，该系统包括与脉冲爆震发动机爆震管连接的高频脉动流量测量装置、压力传感装置、离子电流传感装置、信号采集和故障诊断装置和人机交互装置，其中：高频脉动流量测量装置，用于测试发动机每个工作周期中，燃料和氧化剂的流量；压力传感装置，用于将爆震腔内压力信号转换为模拟电压信号；离子电流传感装置，用于将爆震腔内的爆震火焰离子信号转变为模拟电压信号；人机交互装置，用于输出压力传感装置和离子电流传感装置参数及故障诊断结果，获取故障诊断特征参数输入；信号采集和故障诊断装置，用于采集流量测量装置的瞬时流量、压力信号、压力传感装置和离子电流传感装置的电压信号、脉冲爆震发动机控制器输出的用于控制点火和电磁阀的TTL控制信号，根据故障诊断机理进行计算、分析，得出故障诊断结果，并将各传感器测量结果及诊断结果输出至人机交互装置显示，由人机交互装置获取故障诊断特征参数。2.根据权利要求1所述的脉冲爆震发动机故障诊断系统，其特征在于，所述高频脉动流量测量装置，包括两个具备模拟电压输出接口的高频流量计，设于脉冲爆震发动机爆震管头部，两个高频流量计分别连通燃料、氧化剂储罐以及信号采集和故障诊断装置，并通过电磁阀控制流量。3.根据权利要求2所述的脉冲爆震发动机故障诊断系统，其特征在于，所述电磁阀分别通过电磁阀驱动器连接信号采集和故障诊断装置与发动机控制器，发动机控制器通过高压线圈连接爆震管头部的火花塞。4.根据权利要求1所述的脉冲爆震发动机故障诊断系统，其特征在于，所述压力传感装置包括三个间距分布的压力传感器和连接三个压力传感器的电荷放大器的多通道电荷放大器，多通道电荷放大器连接至信号采集和故障诊断装置。5.根据权利要求4所述的脉冲爆震发动机故障诊断系统，其特征在于，压力传感器安装于爆震腔内且处于同一水平线，相互间距为70mm。6.根据权利要求1所述的脉冲爆震发动机故障诊断系统，其特征在于，所述离子电流传感装置包括与爆震腔内的火花塞连接的离子电流信号调理模块，离子电流信号调理模块连接信号采集和故障诊断装置。7.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：张文龙，李江红，裴承鸣，范玮，王可，鲁唯，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61