一种航空发动机传感器故障容错方法及其容错系统技术方案

本发明专利技术涉及一种航空发动机传感器故障容错方法及其容错系统。该容错方法包括：步骤S1，建立第一类传感器信号重构系统和第二类传感器信号重构系统；步骤S2，针对第一类传感器信号重构系统和第二类传感器信号重构系统建立可信度评估机制，可信度评估机制根据第一类传感器信号重构系统的输出值，第二类传感器信号重构系统的输出值以及第二类传感器信号重构系统输出值的残差，以选择输出第一类传感器信号重构系统输出值，第二类传感器信号重构系统输出值，或者选择两者的输出值的权重值。通过本发明专利技术提供的方案能够在满足控制系统基本的鲁棒性安全性的前提下，提高航空发动机控制系统传感器信号的重构精度。统传感器信号的重构精度。统传感器信号的重构精度。

【技术实现步骤摘要】
一种航空发动机传感器故障容错方法及其容错系统


[0001]本专利技术涉及航空发动机的故障容错
，特别涉及一种航空发动机传感器故障容错方法及其容错系统。

技术介绍

[0002]航空发动机是一个结构复杂、非线性强的控制对象。针对航空发动机特定的工作条件,要求控制系统具有很高的可靠性,这种要求有时比单纯提高系统的性能显得更迫切。系统一旦发生故障就有可能造成严重损失。航空发动机传感器工作在高温，强振环境中，是系统中最不可靠的控制元件之一，因此，提升航空发动机机载传感器容错技术是提高发动机控制系统可靠性，保证飞行安全的重要运行手段。
[0003]目前机载传感器主要使用了两种传感器余度技术，硬件余度和解析余度。硬件余度用多个相同的传感器测量同一个发动机参数，再使用表决器来检测故障；解析余度用发动机模型及其估计技术等提供测量参数的估计值作为余度信息，估计值与传感器测量值之间的偏差用来检测与隔离故障。采用传感器硬件余度起到备份作用，能够对其进行故障隔离，硬件余度越多，控制系统可靠性越高，但是硬件余度会增加控制系统的重量、体积和研制成本，影响发动机的性能和经济性，因此解析余度也是很重要的一种故障处理手段。当前发动机广泛采用了全权限数字式电子控制(FADEC)系统，针对FADEC系统中关键的传感器输入信号，需要构建其解析余度，目的是将重构的传感器信号作为实时判断传感器故障的重要依据，当传感器硬件余度全部失效时，重构的传感器信号还将作为备份输入。
[0004]关于构建发动机传感器信号解析余度的研究，国内外发动机中普遍采用的是基于其他传感器信号合成的方法，通过发动机服役经验表明，该方法简单可靠，可以达到降低发动机控制系统故障影响的程度；近些年来研究较热的是基于机载发动机模型或者数据驱动的传感器重构方法，包括卡尔曼估计(虚拟传感器技术)、神经网络、支持向量机等自适应或智能方法，相比于传感器信号合成方法，这些方法在瞬态或者性能偏离时能够更加准确的对故障传感器进行诊断和重构，因此得到人们的极大关注。
[0005]线性卡尔曼算法采用递推的形式表示，其算法已被学者们研究得较为透彻，但是实际应用中非线性的现象是十分普遍的，例如:物理模型受到外部干扰、存在非线性性和病态方差矩阵等因素所引起的非线性问题都使得传统的线性卡尔曼滤波算法不再适用，迫切需要改进卡尔曼滤波算法得到适用于非线性系统的卡尔曼滤波技术，假设所有的变换都是准线性的，先对连续的非线性方程进行线性化和离散化处理，利用一阶泰勒展开式来近似非线性模型，得到对应于非线性系统的扩展卡尔曼滤波(EKF)算法。EKF围绕上一步估计值将非线性的状态方程及观测方程展成泰勒级数，并取一阶近似得到线性化模型，从而沿用标准KF递推体系。当系统为弱非线性时，EKF滤波精度较高，但当系统为强非线性时，EKF滤波精度大为降低甚至可能导致滤波发散。由于发动机属于强非线性系统，使得卡尔曼估计器的使用及其鲁棒性有其局限性，在控制系统方面，FADEC控制系统的可靠性安全性要求决定了所有控制算法必须具备足够的鲁棒性，因此需要慎重考虑这些新方法在控制系统信号
重构方面的使用。
[0006]在传感器解析余度设计方面，主要的方法有两种，一种是基于其他传感器信号合成的方法，另一种是(传感器重构方法)基于自适应卡尔曼估计、神经网络、支持向量机等自适应或智能方法，其中卡尔曼滤波估计方法是目前最有潜力用于航空发动机控制中的一种技术。
[0007]传感器信号合成方法主要着重于稳态和准稳态下的传感器信号重构，对于瞬态过程或者发动机受到个体差异，性能退化，气路部件故障等因素下，该重构信号的精度会偏离原有的设计效果，但该方法简单高效，而且通过大量航空发动机的运行服役经验表明该方法是鲁棒、可靠和安全的。
[0008]卡尔曼估计方法是目前最有潜力用于航空发动机控制中的一种技术，通常使用卡尔曼估计器开展传感器信号重构，该方法可以通过状态量增广方式考虑发动机个体差异，性能退化，气路部件故障等因素的影响，因此重构信号更精确。在实际工程将该方法用到控制中还存在一些限制，卡尔曼估计器中使用的测量参数比信号合成方法中的参数多，虽然这样可以保证卡尔曼估计器的估计精度，但同时也带来了可靠性下降的问题，任何一个测量传感器故障均可能将错误带入到重构信号中。另外，由于发动机属于强非线性系统，使得扩展卡尔曼估计器鲁棒性受限，FADEC控制系统的可靠性和安全性要求决定了控制算法必须具备足够的鲁棒性，因此需要折中控制该方法在控制系统信号重构方面的使用。

技术实现思路

[0009]本专利技术要解决的技术问题是提供一种航空发动机传感器故障容错方法及其容错系统，在满足控制系统基本的鲁棒性安全性的前提下，可以提高航空发动机控制系统传感器信号的重构精度。
[0010]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种航空发动机传感器故障容错方法，所述容错方法包括：
[0011]步骤S1，建立第一类传感器信号重构系统和第二类传感器信号重构系统；
[0012]步骤S2，针对所述第一类传感器信号重构系统和第二类传感器信号重构系统建立可信度评估机制，所述可信度评估机制根据所述第一类传感器信号重构系统的输出值，第二类传感器信号重构系统的输出值以及第二类传感器信号重构系统输出值的残差，以选择输出所述第一类传感器信号重构系统输出值，第二类传感器信号重构系统输出值，或者选择两者的输出值的权重值。
[0013]根据本专利技术的一个实施例，所述第一类传感器信号重构系统采用信号合成方法，所述第二类传感器信号重构系统采用卡尔曼估计方法。
[0014]根据本专利技术的一个实施例，所述第一类传感器信号重构系统具有第一优先权，所述第二类传感器信号重构系统具有第二优先权，基于所述可信度评估机制，所述第二优先权相对所述第一优先权为备选容错方式。
[0015]根据本专利技术的一个实施例，所述信号合成方法基于传感器信号数据、发动机非线性模型、发动机部件级模型或通道传感器值。
[0016]根据本专利技术的一个实施例，所述可信度评估机制的评估步骤包括：
[0017]步骤S21，计算所述第二类传感器信号重构系统的输出值的残差；
[0018]步骤S22，获取第一重构信号和第二重构信号，所述第一重构信号是所述第一类传感器信号重构系统的传感器信号，所述第二重构信号是所述第二类传感器信号重构系统的传感器信号；
[0019]步骤S23，获取所述第一重构信号和第二重构信号的差值绝对值；
[0020]步骤S24，将所述差值绝对值与所述残差相除以获取偏差值，并把所述偏差值的结果按照大小排序；
[0021]步骤S25，根据排序结果，分段选取偏差值的范围，根据所述范围以选择输出所述第一类传感器信号重构系统输出值，第二类传感器信号重构系统输出值，或者选择两者的输出值的权重值。
[0022]根据本专利技术的一个实施例，在步骤S21中，所述第二类传感器信号重构系统的输出值的残差S为：
[0023][0024]其中y
i
为发动机的传本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种航空发动机传感器故障容错方法，所述容错方法包括：步骤S1，建立第一类传感器信号重构系统和第二类传感器信号重构系统；步骤S2，针对所述第一类传感器信号重构系统和第二类传感器信号重构系统建立可信度评估机制，所述可信度评估机制根据所述第一类传感器信号重构系统的输出值，第二类传感器信号重构系统的输出值以及第二类传感器信号重构系统输出值的残差，以选择输出所述第一类传感器信号重构系统输出值，第二类传感器信号重构系统输出值，或者选择两者的输出值的权重值。2.如权利要求1所述的容错方法，其特征在于，所述第一类传感器信号重构系统采用信号合成方法，所述第二类传感器信号重构系统采用卡尔曼估计方法。3.如权利要求2所述的容错方法，其特征在于，所述第一类传感器信号重构系统具有第一优先权，所述第二类传感器信号重构系统具有第二优先权，基于所述可信度评估机制，所述第二优先权相对所述第一优先权为备选容错方式。4.如权利要求3所述的容错方法，其特征在于，所述信号合成方法基于传感器信号数据、发动机非线性模型、发动机部件级模型或通道传感器值。5.如权利要求1所述的容错方法，其特征在于，所述可信度评估机制的评估步骤包括：步骤S21，计算所述第二类传感器信号重构系统的输出值的残差；步骤S22，获取第一重构信号和第二重构信号，所述第一重构信号是所述第一类传感器信号重构系统的传感器信号，所述第二重构信号是所述第二类传感器信号重构系统的传感器信号；步骤S23，获取所述第一重构信号和第二重构信号的差值绝对值；步骤S24，将所述差值绝对值与所述残差相除以获取偏差值，并把所述偏差值的结果按照大小排序；步骤S25，根据排序结果，分段选取偏差值的范围，根据所述范围以选择输出所述第一类传感器信号重构系统输出值，第二类传感器信号重构系统输出值，或者选择两者的输出值的权重值。6.如权利要求5所述的容错方法，其特征在于，在步骤S21中，所述第二类传感器信号重构系统的输出值的残差...

【专利技术属性】
技术研发人员：佘云峰，徐静，周健，
申请(专利权)人：中国航发商用航空发动机有限责任公司，
类型：发明
国别省市：