[发明专利]一种针对航空发动机传感器故障诊断的容错软硬混杂控制方法

说明书

本发明属于航空发动机故障诊断领域，提出一种针对航空发动机传感器故障诊断的容错软硬混杂控制方法。该方法通过软/硬故障诊断系统中的卡尔曼滤波器组，实现对航空发动机传感器软/硬故障的检测和对系统真实状态的估计。其中所设计的软故障诊断系统通过对传感器测量值和一组卡尔曼滤波器估计值进行残差处理并对其加权平方求和，以比较已知阈值来进一步检测是否存在故障；所设计的硬故障诊断系统通过将传感器测量值和卡尔曼滤波器估计值的残差绝对值与已知阈值进行比较，以进一步检测是否存在故障。经验证，该方法能够有效去除航空发动机传感器故障对系统总体性能产生的负面影响，使得系统更加稳定，各项性能指标更能满足要求。

技术领域

本发明提出了一种针对航空发动机传感器的容错软硬混杂控制方法，属于航空发动机故障诊断领域。

背景技术

当下，高性能航空发动机正朝着高推重比、高速度、高可靠性等方面发展，航空发动机的控制系统实现的功能越来越复杂，而对控制系统可靠性的要求也越来越高。系统的故障会直接影响整个系统的可靠性，而故障诊断和容错控制系统，就是针对提高系统可靠性、可维护性和有效性提出的。航空发动机传感器主要测量与反映其工作状态的各个参数，如转子转速、部分气路工作截面的温度、压力等。传感器测量参数的精确程度直接影响控制系统工作与故障诊断结果的精度。随着航空发动机技术的发展，对航空发动机的控制系统中传感器的稳定性也提出了更高的要求。但传感器工作于高温及强振环境中，属于系统中可靠性比较低的元件，比较容易发生故障。传感器故障的分类，按照故障程度的大小可分为硬故障(泛指结构损坏导致的故障，一般幅值较大，变化突然)和软故障(泛指特性的变异，一般幅值较小，变化缓慢)。硬故障一般由于传感器元件损坏、电系统发生短路、断路或受较强脉冲干扰等原因引起。软故障一般是由部件老化、零点漂移等原因引起。典型的航空发动机传感器故障主要有三种：固有偏差故障、漂移故障、脉冲干扰故障。

由于传感器的故障影响控制系统的测量输出，进而也会通过错误的反馈影响控制器的工作和控制算法的实现，最终对整个系统的稳定性及其它性能带来负面影响。因此，当传感器发生故障时，控制系统需要及时隔离故障传感器，并重构发动机正常工作时的传感器信号，使得控制系统维持在无故障的工作状态，为排除发动机故障赢得宝贵的时间。如果能够在出现故障时正确地估计出系统的真实状态，就可以得到正确的反馈控制信号，使系统免受故障的影响。而传感器容错控制为提高系统的可靠性、可维护性和有效性开辟了一条路径，成为航空航天领域的一个研究重点。容错控制的根本特征是当控制系统发生故障时，系统依然能够维持其自身运行在安全状态，并尽可能的满足一定的性能指标要求。它可以使一个动态系统适应其环境的显著变化，避免因系统的一个或多个较关键部件的失效而对整个系统的稳定性及其它性能带来影响。因此，对航空发动机传感器容错控制方法的研究很有必要。

容错控制系统的设计方法有“硬件冗余”和“软件冗余”。硬件冗余是通过对重要部件或易发生故障部件提供备份，以提高系统的容错能力。软件冗余是通过设计控制器来提高整系统的冗余度，从而改善系统的容错性能。航空发动机控制系统中有许多传感器，因此采用硬件冗余提高元器件的可靠性及高可靠性设计的方法成本较高，系统的复杂程度增加，且影响系统性能。而利用由解析数学模型产生的冗余信号的故障诊断及容错控制技术可以大大降低成本。在传感器故障中可以利用一个卡尔曼滤波器组，得到所监视系统的故障指示信号，通过对各个故障指示信号变化的趋势分析来实现故障诊断的目的。

本发明中提出了一种针对航空发动机传感器的容错软硬混杂控制方法，该方法通过软/硬故障诊断系统中的卡尔曼滤波器组，实现对航空发动机传感器软/硬故障的检测和对系统真实状态的估计。当传感器无故障时，传感器测量值直接反馈到容错混杂控制器；当传感器存在故障时，反馈卡尔曼滤波器的估计输出，实现信号的重构，使反馈到容错混杂控制器的信号不会有太大波动，发动机仍然处于稳定工作状态，从而实现对传感器软/硬故障的容错控制。本发明由中国博士后科学基金项目(2022TQ0179)，国家中国自然科学基金61890920、61890921，和国家重点研发计划项目2018YFB1700102资助。

发明内容