CN103443726A - 用于监控伺服阀致动系统的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

公开了一种监控用于涡轮喷气发动机的可变几何形状的致动系统（1）的方法。所述致动系统包括控制设备（2）、伺服阀（3）和由所述伺服阀（2）控制的圆柱体（4），所述控制设备能够根据所述圆柱体（4）的设定位置值（Pos_c）及测量位置（Pos_m）确定控制电流（Icmd），并且将所述控制电流（Icmd）提供给所述伺服阀（3）。所述监控方法特征在于，它包括：用于检测稳定状态的步骤；用于在检测所述稳定状态期间确定所述控制电流的平均值的步骤；以及用于将所述平均值与预定阈值进行比较的步骤。

Description

用于监控伺服阀致动系统的方法和设备
背景技术
本发明涉及伺服阀致动系统的一般领域。本发明主要涉及用于飞机涡轮喷气发动机的伺服阀致动系统。
涡轮喷气发动机通常包括伺服阀致动系统，旨在用于控制涡轮喷气发动机的可变几何形状。
本文中关于涡轮喷气发动机的“可变几何形状”意指这样的发动机的单元或其环境的单元，其中其尺寸、形状、位置和/或速度依赖于检测的事件或发动机的操作参数可以被修改。“可变几何形状”的示例是压缩机整流器的具有可变螺距的定子叶片、压缩机的排放阀、涡轮叶片顶端和燃料计。
通常，这些致动系统由发动机控制系统或EEC（“电子发动机控制”）的电子控制模块监控，以便于使可变几何形状适应飞行方案。控制经由反馈环保证。
因此，可以很好地理解，就涡轮喷气发动机的有效性和产率而言，用于致动在涡轮喷气发动机中的可变几何形状的系统的监控极其重要的。
这些致动系统的退化尤其是通过在建立的操作条件下具有ECU控制器的涡轮喷气发动机的单元的非顺应（non-compliant）位置和/或尺寸来表达，或者通过在瞬态条件下这些单元对这些控制器的慢响应来表达。这些退化是故障的报警信号，因为总体上在第一阶段中，它们被致动系统的反馈环补偿或者没有任何显著的结果，除了重新配置（例如，在有效控制通道中的变化）。
然而，在一些时间之后，当这些退化继续存在并且变得更糟，它们可以不再被补偿，因为控制装备受到限制。因此，这些退化可以具有使涡轮喷气发动机不能正确操作和运行的结果。这可以由ECU发送的故障消息表达。这些退化的检测因此是太迟的，因为它仅在致动系统已经出现故障时才实现。
具体的退化类型是伺服阀的静态电流的漂移，如图2所示。
图2是表示伺服阀的操作曲线的图表。更具体而言，图2的图表示出根据控制电流Icmd在由伺服阀3输送到致动器的液压流速率Q的时间相关变化。在图2中，Imax表示ECU能够提供的控制电流Icmd的最大值。
曲线20对应于伺服阀的额定条件，并且示出，伺服阀的静态电流，即将致动器保持在确定位置中需要的控制电流，具有非零值I0。在额定条件下，然而电流Imax给出提供最大液压流速率Qmax的可能性。
曲线21示出伺服阀的非额定条件，例如在老化之后的条件。已经发现静态电流具有比I0大的值I1。换句话说，伺服阀的静态电流已经漂移。此外，在曲线21的非额定条件下，电流Imax不再给出提供最大液压流速率Qmax的可能性。换句话说，曲线21对应于伺服阀的退化条件。
这种退化条件的检测是已知的。然而，在检测期间，已经基本上影响了涡轮喷气发动机的性能。
因此，存在具有一种用于涡轮喷气发动机的可变几何形状的致动的系统的有效监控方法的需求，尤其是以便能够在涡轮喷气发动机不能被正确操作或运行之前发送维护通知给该致动系统。
相似的需求存在于伺服阀致动系统的其他应用中。
文献US2009/0306830描述了一种用于监控阀系统的方法，其中测量了在两个位置之间的阀元部件的切换时间。如果该持续时间超过预定阈值，那么所述方法确定该超过是否由于系统的磨损或分裂，或者是否由于一般条件导致。一般条件例如由电磁阀的控制电流表示。控制电流与参考值进行比较。然而，该文献没有描述：相关控制电流是在稳定状态期间检测的控制电流的平均值，稳定状态通过证实致动器的测量位置保持常数来检测。相反，所述的监控方法要求阀部件在两个位置之间进行切换。
发明内容
本发明通过提出一种用于监控包括控制设备、伺服阀和由伺服阀控制的致动器的致动系统的方法满足所述需求，所述控制设备能够根据所述致动器的设定位置值及测量位置确定控制电流并且将所述控制电流提供给所述伺服阀。所述监控方法特征在于，它包括：
-用于检测稳定状态的步骤；
-用于在检测所述稳定状态期间确定所述控制电流的平均值的步骤；以及
-用于将所述平均值与预定阈值进行比较的步骤。
相应地，本发明还涉及一种用于包括控制设备、伺服阀和由所述伺服阀控制的致动器的致动系统的控制设备，所述控制设备能够根据所述致动器的设定位置值及测量位置确定控制电流并且将所述控制电流提供给所述伺服阀。所述监控设备特征在于，它包括：
-用于检测稳定状态的装置；
-用于在检测所述稳定状态期间确定所述控制电流的平均值的装置；以及
-用于将所述平均值与预定阈值进行比较的装置。
在稳定状态中，致动器的位置对应于设定位置值。伺服阀的控制电流因此对应于伺服阀的静态电流。该电流的平均值的计算给出没有快速改变地执行的可能性，并且与阈值的比较给出测试静态电流的漂移是否可接受的可能性。
监控方法在确定步骤之前，可以包括具有在此期间检测稳定状态的等待时间的等待步骤。
这给出了在检测该稳定状态之后等待可能瞬态效应减少的可能性。
在一个实施方式中，稳定状态是根据致动器的位置检测。
在一个实施方式中，致动系统是用于致动飞机涡轮喷气发动机的可变几何形状的系统，当飞机在地面上时检测稳定状态。
所述平均值可以根据由控制设备确定的控制电流来确定。
所述平均值因此是精确的，因为它不受控制电流的测量精度的影响。
在这种情况下，所述控制设备可以包括比例积分控制器，所述平均值根据控制器的积分电流来确定。
根据一个实施方式，所述监控方法包括用于在平均值大于或等于预定阈值时产生维护信息的步骤。
在具体实施例方式中，监控方法的不同步骤由计算机程序的指令确定。
因而，本发明还涉及在信息介质上的计算机程序，该程序能够应用在监控设备中或者更一般地应用在计算机中，该程序包括适于应用如上所述的监控方法的步骤的指令。
该程序可以使用任何编程语言，并且为源代码、目标代码或者在源代码和目标代码之间的中间代码的形式，例如局部编译形式、或者任何其他期望的形式。
本发明还涉及一种计算机易读信息介质，并且包括如上所述的计算机程序的指令。
信息介质可以是能够存储程序的任何实体或者设备。例如，介质可以包括存储装置，例如ROM，例如CDROM或微电子电路ROM，或者还包括磁记录装置，例如，磁盘（软盘）或硬盘。
另一方面，信息介质可以是可传送介质，例如电信号或光信号，其可以经由电缆或光缆、经由无线电或经由其他方式传输。根据本发明的程序可以尤其是在英特网类型的网络上下载。
替代地，信息介质可以是程序结合在其中的积分电路，该电路适于执行相关方法或者用来使用在其中的执行程序中。
附图说明
参照下面没有任何限制地示出示例性实施方式的附图所作的描述，本发明的其他特征和优点将变得清楚。在附图中：
图1示出了涡轮喷气发动机的致动系统。
图2为示出伺服阀的操作曲线的图表。
图3以流程图的形式示出了根据本发明的监控方法的主要步骤。
具体实施方式
如先前所述，本发明涉及伺服阀致动系统的伺服控制链的监控。在这里描述的实施方式中，提出了控制装备飞机的涡轮喷气发动机的可变几何形状致动系统的伺服控制链的监控。然而，该假设绝不是作为限制。本发明还用于具有伺服阀的其他致动系统，尤其是建筑机器、工业机器人、…。
可变几何形状的致动例如对应于以下的控制：
-涡轮喷气发动机的燃料计的位置，也称为FMV（“燃料计阀”）；
-涡轮喷气发动机的压缩机的释放阀的位置，例如VBV（可变排放阀）和TBV（瞬态排放阀）；致动系统；
-涡轮喷气发动机的定子叶片的螺旋角，也称为VSB（可变定子叶片）；以及
-在高压或低压涡轮机的叶片顶端处的间隙（plays），例如HPTACC（高压涡轮机主动间隙控制）或LPTACC（低压涡轮机主动间隙控制）致动系统。
图1示出致动系统1，其控制涡轮喷气发动机的燃料计的位置。致动系统包括控制设备2、伺服阀3和致动器4。致动器4的位置影响由燃料计（未示出）输送的燃料流速率。
控制设备2可以是涡轮喷气发动机的计算机（“发动机控制单元”ECU），也称为飞机的全权控制设备（“全权数字发动机控制”FADEC）。
致动器4与位置传感器5关联。致动器4的位置由伺服阀3控制，伺服阀3本身由控制设备2控制。更具体而言，伺服阀3根据它从控制设备2接收的控制电流Icmd调节输送到致动器4的液压功率。
由传感器5测量的致动器4的位置标记为Pos_m并且提供给控制设备2。
控制设备2、伺服阀3和致动器4形成反馈环。实际上，控制设备2确定在位置Pos_m和标记为Pos_c的设定位置值之间的差值ε。差值ε提供给控制器6，例如比例积分类型的控制器6，其确定控制电流Icmd。
本文的控制设备2具有计算机的硬件架构。它尤其包括处理器11、非易失性存储器12、易失存储器13、接口14和通信模块15。利用处理器11，通过使用易失存储器13可以执行存储在非易失性存储器12中的内存中的程序。接口14一方面给出获得测量信号的可能性，尤其是位置Pos_m和控制电流Icmd的测量值，标记为Imes，另一方面发送控制信号的可能性，尤其是控制电流Icmd。
通信模块15给出与其他实体尤其是维护装置交换数据的可能性。
在一个实施方式中，设定位置值Pos_c和差值ε的确定和控制器6的应用对应于存储在非易失性存储器12中的内存中和由处理器11执行的控制程序。
如在参照图2的介绍中解释，伺服阀3的静态电流可以漂移。可以理解在分别对应于额定条件和退化条件的静态电流值I0和I1之间，找到电流阈值I阈值高达该值的静态电流漂移仍然可接受。
现在参照图3描述根据本发明旨在确定伺服阀3的静态电流漂移是否可接受的监控方法。监控方法由控制设备2应用，其因此也是根据本发明的监控设备。
图3的监控方法在步骤E0中并且然后在步骤E1中开始，检查是否检测了稳定状态。
例如当测量位置Pos_m保持为恒定时可以检测稳定状态。
可以附加地或替代地使用其他条件来检测稳定状态，尤其是：
-飞机在地面上（其通常由称为WOW“轮重（Weight On Wheel）”的计算机的变量值表示）。
-发动机操作条件N为常数，例如等于在地面上的怠速条件。
当没有检测到稳定状态时，监控方法在步骤E1中循环。另一方面，如果检测到稳定状态，监控方法在步骤E2中继续。
在步骤E2中，方法等待在此期间检测稳定状态的预定等待周期。
步骤E2例如是用于计数实时时钟周期的数量的循环。如果在每个计数周期处，检测了稳定状态，那么当周期计数器到达预定值时方法切换到步骤E3。另一方面，如果在周期计数器已经到达预定值之前不再检测稳定状态，那么监控方法返回到步骤E1。
在步骤E1中的稳定状态检测之前，步骤E2给出等待由于涡轮喷气发动机的操作带来的可能瞬态效应减少的可能性。
接下来，在步骤E3中，确定控制电流Icmd的平均值Imoy一段预定时间，在此期间检测稳定状态。
平均值Imoy表示伺服阀3的静态电流。实际上，当检测稳定状态时，测量的Pos_m为常数并且等于设定值Pos_c。控制电流Icmd因此简单地使用来保持位置常数。
步骤E3例如由用于计数实时时钟周期的循环使用。在每个周期i处，计算和S（i）=S（i-1）+Icmd。在预定数n个周期之后，S（n）除以n以获得Imoy：
Imoy=S（n）/n
在每个周期处，如果不再检测稳定状态，那么监控方法复位（步骤E0）。另一方面，如果总是检测稳定状态直到第n个周期并且直到计算Imoy，那么方法切换到步骤E4。
在步骤E4中，将电流Iavg与电流阈值I阈值进行比较。
如果Imoy小于I阈值，那么这意味着，伺服阀3的静态电流漂移是可接受的。监控方法因此以步骤E6终止，不发送任何维护消息。
另一方面，如果Imoy大于或等于I阈值，那么这意味着伺服阀3的静态电流漂移不再是可接受的。监控方法因此以步骤E5终止，在此期间产生维护消息。
维护消息例如存储在非易失性存储器12中，并且然后随后由通信模块15发送给一个维护装置。
步骤E2的等待周期、考虑用于计算平均值Imoy和阈值I阈值的持续时间可以由监控方法的设计者根据目标应用来选择。
例如，步骤E2的等待周期和考虑在步骤E3中用于计算平均值Imoy的持续时间可以每个等于10秒。
在这种情况下，在此期间需要检测稳定状态的步骤E2和步骤E3的总持续时间为20秒。该持续时间小于在通常任务期间在起飞之前飞机停地面上空转的持续时间。因此能够在该时刻检测稳定状态和实施步骤E2和步骤E3。
并且，已知发动机循环通常具有对应于4秒级别周期的本征频率。对于具有15ms一般周期的实时时钟，在10秒周期上计算Imoy对应于n=666个周期，并且因此独立于发动机循环的振荡，给出获得现实平均值的可能性。并且，10秒的等待周期大于发动机循环的周期并且因此给出等待瞬态效应减少的可能性。
可以根据伺服阀3的额定特征曲线、控制设备2能够提供的最大电流以及由控制设备2提供的电流的精度选择I阈值的值。
在步骤E3中，平均值Imoy根据控制电流Icmd计算。更具体而言，平均值Imoy根据由控制器6计算的控制电流Icmd值来计算。在比例积分控制器的情况下，当检测稳定状态时，该值等于控制器的积分电流。因此，平均值Imoy可以根据控制器的积分电流的值来计算。替代地，平均值Imoy可以根据控制电流Icmd的测量值Imes来计算。然而，在这种情况下，平均值Imoy受到测量精度的影响。
在一个实施方式中，图3的步骤对应于储存在非易失性存储器12中的内存中并且由处理器11执行的监控程序。
根据本发明的另一个优点，伺服阀的静态电流的识别可以给出比例积分类型控制器6的积分部分不饱和的可能性并且因此限制在由伺服阀控制的致动器的位置上的漂移误差（在静态期间）的可能性。在控制涡轮喷气发动机的定子的螺旋角（VSV）的情况下，这种提高的精度给出了获得更大余量并且因此更大鲁棒性的可能性。

Claims (9)

1.一种用于监控致动系统（1）的方法，所述致动系统（1）包括控制设备（2）、伺服阀（3）和由所述伺服阀（3）控制的致动器（4），所述控制设备能够根据所述致动器（4）的设定位置值（Pos_c）及量位置（Pos_m）确定控制电流（Icmd），并且将所述控制电流（Icmd）提供给所述伺服阀（3），所述监控方法特征在于，它包括：
-用于通过确定所述测量位置（Pos_m）保持为恒定而检测稳定状态的步骤（E1）；
-用于在检测所述稳定状态期间确定所述控制电流的平均值（Imoy）的步骤（E3）；以及
-用于将所述平均值与预定阈值进行比较的步骤（E4）。
2.根据权利要求1所述的监控方法，该方法包括在所述确定步骤（E3）之前，用于等待检测所述稳定状态的等待周期的步骤（E2）。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的监控方法，其中所述致动系统（1）是用于致动飞机涡轮喷气发动机的可变几何形状的系统，当飞机位于地面上时检测所述稳定状态。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的监控方法，其中所述平均值（Imoy）根据由所述控制设备确定的控制电流来确定。
5.根据权利要求4所述的监控方法，其中所述控制设备（2）包括比例积分控制器（6），所述平均值（Imoy）根据所述控制器（6）的积分电流来确定。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的监控方法，该方法还包括当所述平均值大于或等于所述预定阈值时产生维护消息的步骤（E5）。
7.一种计算机程序，其包括当所述程序由计算机执行时用于执行根据权利要求1至6任意一项所述的监控方法的步骤的指令。
8.一种计算机易读记录介质，记录在其上的为包括用于执行根据权利要求1至6任意一项所述的监控方法的步骤的指令的计算机程序。
9.一种控制设备（2），其用于包括控制设备（2）、伺服阀（3）和由所述伺服阀（3）控制的致动器（4）的致动系统（1），所述控制设备能够根据所述致动器（4）的设定位置值（Pos_c）及测量位置（Pos_m）确定控制电流（Icmd）并且将所述控制电流（Icmd）提供给所述伺服阀（3），所述监控设备特征在于，它包括：
-用于通过确定所述测量位置（Pos_m）保持为恒定而检测稳定状态的装置；
-用于在检测所述稳定状态期间确定所述控制电流的平均值（Imoy）的装置；以及
-用于将所述平均值与预定阈值进行比较的装置。
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