航空发动机在线综合诊断结构设计及仿真验证.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaFeb．252014Vol35No2381．390ISSN1000—6893CN11．1929／Vhttp：#hkxbbuaaeducnhkxb@buaa．edu．ca航空发动机在线综合诊断结构设计及仿真验证张书刚，郭迎清*，冯健朋西北工业大学动力与能源学院，陕西西安710072摘要：随着机载航空电子设备的快速发展，使得传统地面系统承担的发动机诊断任务可以在线实现。实时数据的使用，可以在线监测发动机性能退化，减少故障检测和隔离的潜伏期，增加间歇性故障的检测率。为此，提出并设计了一种用于航

2、空发动机气路故障检测和隔离、健康监测及参数估计的在线综合诊断结构。基于xPCTarget原理搭建了硬件实时仿真平台，对该结构进行了仿真验证。仿真结果表明，该结构中的机载自适应模型对发动机健康参数、可测参数和不可测参数的估计误差在0．5％以内；气路故障诊断系统采用实时数据，可以更早地检测和隔离包含间歇性故障在内的各种气路故障。关键词：航空发动机；在线系统；故障检测；故障定位；监测；参数估计中图分类号：V233．7文献标识码：A文章编号：1000—6893(2014)02—0381—10发动机健康管理(EngineHealthManage—ment，EHM)技术，实现

3、了发动机较高的性能、较低的耗油量、更高的可靠性、更好的维护性和保障性[1。4]。航空发动机健康管理一般分为在线和地面两个部分，在线部分由电子控制器在线实时完成，地面部分则利用历史飞行数据在地面离线完成。传统的气路健康管理在线部分只包含简单的硬故障判断逻辑，而较为复杂的气路故障诊断和性能健康监测需要在地面离线完成。随着航空电子设备计算能力的提升，使得原来地面部分的功能能够在线实时完成。国外学者Simon等首先在文献[s-I中完成了一种在线气路故障诊断算法设计，并讨论了在线诊断系统和离线诊断系统之间的交互关系；在文献E6]中对传感器个数少于健康参数条件下，如何在线估计

4、发动机气路健康性能进行了研究；以上述研究为基础，在文献[7]中提出了一种可以同时完成在线气路故障诊断和性能健康监测两部分功能的综合诊断结构，探讨了两部分功能之间的交互和影响，并在文献[8]中对提出的综合诊断结构进行了应用研究，研究表明采用实时的在线数据，可以实时连续地监测发动机健康、更早的检测和隔离各种气路故障、增加问歇性故障的检测率；但是文献[8]中的应用研究只是在软件环境下进行，没有进一步进行硬件实时仿真验证。而国内学者虽然对能够完成在线性能健康监测功能的机载自适应模型[9。1妇以及能够完成在线气路故障诊断功能的故障诊断系统[1213]进行了一系列研究，但是尚

5、未涉及两部分功能的交互和综合。本文提出并设计了一种用于航空发动机在线气路故障检测和隔离、性能健康监测、参数估计的收稿Et期：2013-04-09；退修日期：2013—04-25；录用日期：2013—05—13；网络出版时间：2013．05—2012：04网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／111929V．201305201204．006htmI基金项目：国家级项目*通讯作者Tel：029—88492749E-mail：yqguo@nwpuedu．CR朝甩播武：ZhangSG．GuoYQ。FengJP．Designandsimulatio

6、nvalidationofanintegratedon-boardaircraftenginediagnosticarchitectureEJJActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2014．35(2)：381—390．张书刚．郭迎清．冯健聩÷航空发动视在线综合诊断结构设计及仿真验证iJj。航空学报，2814．35(2)：381-390。航空学报综合诊断结构。以国内在研高涵道比民用涡扇发动机为研究对象，采用非线性实时模型与卡尔曼滤波器结合的混合卡尔曼滤波算法，将已有的研究成果(机载自适应模型、在线气路故障诊断)综合应用在该诊断结构

7、中，讨论了两部分各自的功能和两者之间的交互关系。同时，基于xPCTar—get搭建了发动机故障诊断硬件实时仿真验证平台，验证了在线诊断结构的可行性和相关技术的实时运行性能。1在线综合诊断结构的提出传统的气路健康管理结构如图1所示，图中／,1为发动机控制输入，y为发动机可测参数。在线部分只包含简单的硬故障判断逻辑，如幅值与比率检验、BIT(Built—In—Test)自检等，较为复杂的气路故障诊断与性能健康监测需要在地面利用在线数据记录系统收集和存储的发动机飞行数据完成。飞行数据要等飞行完成后才能得到，造成了明显的故障诊断潜伏期。而且每次航班数据收集和下载的数量受到

8、数据记录系