CN113625596A - 一种用于航空发动机健康管理系统的半物理仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于航空发动机健康管理系统的半物理仿真系统，涉及半物理仿真系统技术领域，包括健康管理专用信号及故障模拟系统，用于健康管理专用传感器信号计算及故障模式逻辑模拟，振动模拟器来模拟发动机真实振动，生成与真机环境相似的振动信号，接口模拟器来模拟健康管理系统传感器非FADEC系统的传感器信号，润滑油系统模拟器来模拟发动机润滑油路流动及磨粒故障情况，航电模拟器来模拟飞机航电系统。本发明具备真实的振动、润滑油模拟系统，能引入真实信号噪声，模拟更多发动机本体相关故障，为故障诊断算法优化与验证提供接近实际运行环境的试验系统；可在现有FADEC系统半物理仿真器上进行扩展或剪裁，成本低，灵活性高。

Description

一种用于航空发动机健康管理系统的半物理仿真系统

技术领域

本发明属于半物理仿真系统技术领域，具体是一种用于航空发动机健 康管理系统的半物理仿真系统。

背景技术

航空发动机健康管理(EHM)是指最大限度地利用发动机不同的数 据资源(传感器、维护记录、模型)，通过机载和地面健康管理算法相结 合的方式，实现发动机状态监视、故障诊断及预测、趋势分析、寿命管理 功能，机载系统为飞行员提供告警信息，地面系统为地面维护人员提供维 修建议，为维护保障提供规划。

目前，国内发动机健康管理系统(尤其指机载系统)在研发阶段大都 采用了纯数字仿真-硬件在环仿真(HIL)-台架试验-试飞验证的设计验证 途径。但是，部分发动机本体故障或健康管理系统自身故障在上述环节中 难以可控出现：纯数字仿真仅仅完成故障诊断、性能预测等算法的初步测 试，其仿真结果置信度有限，且无法验证机载系统的各硬件接口的有效性， 以及存在与专用传感器等的匹配性等问题，不能够作为最终的参考依据；现有的HIL仿真缺少对振动、润滑油等健康管理系统专用传感器的信号 模拟或者采用纯电信号模拟，没有引入真实的信号噪声，且HIL仿真的 故障模拟功能基本局限在发动机健康管理机载监视单元系统本身的接口 故障注入，缺乏发动机本体故障(如压气机叶片断裂、涡轮叶片烧蚀、性 能衰退等)的高精度模拟；台架试验及试飞验证的实施难度大、风险高且成本高昂，部分故障基本不可能在台架或试飞验证过程中模拟，故障注入 无法实现可控。

因此，本发明提供了一种用于航空发动机健康管理系统的半物理仿真 系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于航空发动机健康管理系统的半物理 仿真系统，以解决如下问题：

补全发动机健康管理系统研制阶段中必不可少的仿真验证环节，解决 部分发动机本体故障及健康管理系统自身故障高精度模拟问题，从而全面 验证健康管理系统的功能及性能指标。

根据本发明的一个方面，提供一种用于航空发动机健康管理系统的半 物理仿真系统，所述航空发动机健康管理系统包括发动机健康管理机载监 视单元、发动机健康管理地面子系统以及若干传感器，所述半物理仿真系 统在现有FADEC系统半物理仿真器的基础上进行扩展，包括健康管理专 用信号及故障模拟系统，用于健康管理专用传感器信号计算及故障模式逻 辑模拟；振动模拟器，用于模拟发动机真实振动，从而使振动传感器采集 与真机环境相似的振动信号；接口模拟器，用于模拟非FADEC系统的健 康管理系统传感器信号；润滑油系统模拟器，用于模拟发动机润滑油路流 动及磨粒故障情况；航电模拟器，用于模拟飞机航电系统。

根据本发明的一个实例性的实施例，所述健康管理专用信号及故障模 拟系统与发动机数字模型之间通过数字通信实现双向信息传输，所述健康 管理专用信号及故障模拟系统分别向振动模拟器、接口模拟器和传动电机 单向传输信息，振动模拟器、接口模拟器、润滑油系统模拟器与航空发动 机全权限数字电子控制器向发动机健康管理机载监视单元单向传输信息， 发动机健康管理机载监视单元与发动机健康管理地面子系统以及航电模 拟器之间双向信息传输。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述健康管理专用信号及故障 模拟系统模拟的故障包括健康管理系统自身故障和发动机本体故障；健康 管理系统自身故障包括传感器故障、接口故障和通信故障，发动机本体故 障包括发动机性能参数突变、性能衰减、润滑油压力偏高、润滑油磨粒超 限、压气机叶片断裂、涡轮转静子刮磨以及气路、润滑油、振动参数异常。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述接口模拟器接收健康管理 专用信号及故障模拟系统计算的传感器信号数字量，并通过数模转换电路 转换为与实际传感器相似的模拟信号，并将模拟信号传输至发动机健康管 理机载监视单元。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述振动模拟器包括振动模拟 台，振动模拟台上安装有振动传感器。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述振动模拟器接收健康管理 专用信号及故障模拟系统计算的模型输出振动数字量，驱动振动模拟台产 生与真机环境相似的振动型号，振动传感器采集振动信号后将信号传输给 发动机健康管理机载监视单元。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述润滑油系统模拟器包括传 动电机和自回路润滑油系统，自回路润滑油系统包括自循环润滑油路、润 滑油泵和安装在自循环润滑油路上的润滑油磨粒传感器，自循环润滑油路 还设有屑末注入口，用于模拟受屑末污染的润滑油。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述传动电机由健康管理专用 信号及故障模拟系统驱动，润滑油泵由传动电机驱动，润滑油磨粒传感器 采集自循环润滑油路中的润滑油磨粒信号并传输给发动机健康管理机载 监视单元。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述航电模拟器与发动机健康 管理机载监视单元之间的双向信息传输方式为总线通讯，总线形式和通信 协议与实际飞机平台适配。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明具备高度可扩展性，一方面体现在本发明可以视情基于现 有FADEC系统半物理仿真器进行扩展；另一方面在于目前健康管理系统 未包含但将来将发展的传感器，可以在接口模拟器中快速增加信号模拟模 块，此外新发现的故障模式可以在健康管理专用信号及故障模拟系统中进 行添加。

2、本发明具备高度灵活性，灵活性在于当暂不具备建设条件时，本 发明提出的振动模拟器或润滑油系统模拟器可以视情进行剪裁，相关信号 模拟在接口模拟器中进行实现。

3、本发明具备真实的振动模拟器和润滑油系统模拟器，能对机载发 动机健康管理机载监视单元、相关专用传感器及地面GBS系统进行综合 和试验验证，相比于硬件在环仿真具备更高的逼真度，且能模拟更多发动 机本体相关故障；另外，半物理仿真能在健康管理系统中引入比较真实的 信号噪声，有利于及早发现发动机健康管理机载监视单元软硬件的一些设 计缺陷和问题，并且为航空发动机健康系统的故障诊断算法优化与验证提供了接近实际运行环境的试验系统。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说 明。

图1为本发明结构示意图；

图2为润滑油系统模拟器的结构示意图；

图3为振动模拟器的结构示意图。

图中：10、FADEC系统半物理仿真器；20、健康管理专用信号及故 障模拟系统；30、润滑油系统模拟器；40、接口模拟器；50、振动模拟器； 60、发动机健康管理机载监视单元；70、发动机健康管理地面子系统；80、 航电模拟器；

11、航空发动机全权限数字电子控制器；12、发动机传感器；13、接 口模拟设备；14、发动机数字模型；

31、传动电机；32、自回路润滑油系统；321、自循环润滑油路；322、 润滑油泵；323、润滑油磨粒传感器；

51、振动模拟台；52、振动传感器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面通过实施例， 并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相 同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施 方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本 发明的一种用于航空发动机健康管理系统的半物理仿真系统限制。

另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以 提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有 这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置 以图示的方式体现以简化附图。

航空发动机健康管理系统通常由机载子系统和地面子系统组成，涵盖 气路、振动、润滑油、寿命监控等技术，通过获取飞机、发动机相关数据 信息，采用机载和地面健康管理算法相结合的方式，实现发动机状态监视、 故障诊断及预测、趋势分析、寿命管理功能；其中，机载子系统包含发动 机健康管理机载监视单元60和专用传感器，发动机健康管理机载监视单 元60一般安装在发动机或飞机设备舱中，通过实时采集获取发动机振动、润滑油液位、润滑油磨屑等专用传感器参数，通过与发动机全权限电子控 制(FADEC)系统通讯获取发动机工作参数以及故障信息，通过与飞机 通讯获取飞机工作参数(即航电信号)，实现对发动机性能裕度、振动总 量、润滑油液位以及润滑油磨屑计数的在线监视和分析处理，当检测到发 动机状态发生超限或异常时，通过航电信号发送报警信息到飞机；当发动 机处于停车状态时，可通过飞机航电系统查询发动机健康管理机载监视单 元60记录的发动机工作状态和故障信息；专用传感器包含振动、润滑油 磨屑、润滑油液位、部分温度及压力等FADEC系统不包含的传感器，其 信号一般直接由发动机健康管理机载监视单元60进行采集、处理及存储。

根据本发明的一个总体技术构思，如图1-3所示，提供一种用于航空 发动机健康管理系统的半物理仿真系统，半物理仿真系统可以在现有 FADEC系统半物理仿真器10的基础上进行扩展，也可以基于常用FADEC 系统半物理仿真器10架构进行重新搭建，包括健康管理专用信号及故障 模拟系统20，用于健康管理专用传感器信号计算及故障模式逻辑模拟； 振动模拟器50，用于模拟发动机真实振动，从而使振动传感器52采集与 真机环境相似的振动信号；接口模拟器40，用于模拟健康管理系统传感 器来接收非FADEC系统的传感器信号；润滑油系统模拟器30，用于模拟 发动机润滑油路流动及磨粒故障情况；航电模拟器80，用于模拟飞机航 电系统；健康管理专用信号及故障模拟系统20与发动机数字模型14之间 通过数字通信实现双向信息传输，健康管理专用信号及故障模拟系统20 分别向振动模拟器50、接口模拟器40和传动电机31单向传输信息，振 动模拟器50、接口模拟器40、润滑油系统模拟器30与航空发动机全权限 数字电子控制器11向发动机健康管理机载监视单元60单向传输信息，发 动机健康管理机载监视单元60与发动机健康管理地面子系统70以及航电 模拟器80之间双向信息传输。

在本实施例中，FADEC系统采用纯数字仿真-硬件在环仿真-半物理 仿真-台架试验-试飞验证的循环迭代设计途径，以缩短开发周期、降低试 验风险及减少设计成本；硬件在环仿真系统中拥有真实的I/O接口、控制 器硬件设备以及虚拟的被控对象模型，是一种置信度较高的控制算法测试 验证手段；在此基础上，半物理仿真具备真实的油路系统，能对控制器与 液压机械系统及相关传感器进行综合和试验验证，相比于硬件在环仿真具 备更高的逼真度；另外，半物理仿真试验能在控制系统中引入比较真实的 信号噪声，有利于及早发现控制系统的一些设计缺陷和问题，并且为航空 发动机控制系统的控制规律与参数优化、故障诊断与容错控制验证提供了 接近实际运行环境的试验系统；因此，半物理仿真试验已成为发动机控制 系统研制中最重要的试验，新研的控制系统必须经过半物理仿真试验后才 能装机开展台架试车。

在本实施例中，FADEC系统半物理仿真器10包含航空发动机全权限 数字电子控制器11、部分发动机传感器12(如转速传感器)、接口模拟 设备13及发动机数字模型14；FADEC系统半物理仿真器10与发动机健 康管理机载监视单元60之间通过数字通信直接连接，传输给FADEC系 统半物理仿真器10的转速传感器(模拟)信号经分出后输送给发动机健 康管理机载监视单元60，发动机数字模型14与健康管理专用信号及故障 模拟系统20直接通过数字通信实现双向信息传输，发动机数字模型14接 收到健康管理专用信号及故障模拟系统20的信息后将实时调整模型输出， 进而模拟出相应高精度的传感器电信号提供给FADEC系统半物理仿真器 10与发动机健康管理机载监视单元60。

在本实施例中，健康管理专用信号及故障模拟系统20用于健康管理 专用传感器信号计算及故障模式逻辑模拟，该系统接收发动机数字模型 14信号及外部故障模式选择指令，根据用户选择的故障模式及发动机数 字模型14当前输出的各计算值，基于系统内部定义好的故障模式逻辑自 动计算发动机处于该故障模式下的各传感器输出值，主要包括发动机各转 速、温度、压力、振动、润滑油液位、润滑油油位开关量等；其中，与 FADEC系统半物理仿真器10相关的信号传输至发动机模型；健康管理系 统部分专用传感器(如非FADEC系统用温度传感器、润滑油液位传感器 及润滑油油位开关传感器)信息通过数字通信传输给外置接口模拟器40； 模型输出振动模拟信息传输给振动模拟台51，润滑油泵322传动电机31 转速驱动信号传输给润滑油系统模拟器30；健康管理专用信号及故障模 拟系统20模拟的故障包含两大类，一类是健康管理系统自身故障，主要 是传感器、接口、通信等故障；另一类为发动机本体故障，主要表现为气 路、润滑油、振动等参数异常，典型故障如发动机性能参数突变、性能衰 减、润滑油压力偏高、润滑油磨粒超限、压气机叶片断裂、涡轮转静子刮 磨等。

在本实施例中，接口模拟器40是对FADEC系统半物理仿真器10的 一种补充，主要用于模拟健康管理系统部分专用传感器(非FADEC系统 用传感器信号)；接口模拟器40首先接收健康管理专用信号及故障模拟 系统20计算的传感器信号数字量(如模型输出温度、润滑油液位传感器 及润滑油油位开关传感器)；然后，通过数模转换电路转换为与实际传感器输出高度相似的模拟信号；最后，传输给发动机健康管理机载监视单元 60。

在本实施例中，振动模拟器50主要用于模拟发动机真实振动，从而 使振动传感器52采集到与真机环境高度相似的振动信号；振动模拟器50 包含振动模拟台51，健康管理系统专用振动传感器52安装于振动模拟台 51上，振动模拟器50接收健康管理专用信号及故障模拟系统20计算的 模型输出振动数字量，驱动振动模拟台51产生相同或量级等比换算的真 实振动量，振动传感器52采集后将信号传输给发动机健康管理机载监视 单元60。

在本实施例中，润滑油系统模拟器30用于模拟发动机润滑油油路流 动及磨粒故障情况，主要包含传动电机31和自回路润滑油系统32；其中， 传动电机31由健康管理专用信号及故障模拟系统20驱动，具体转速值根 据发动机数字模型14转速按比例计算得出；自回路润滑油系统32主要包 含自循环润滑油路321及润滑油泵322，润滑油泵322由传动电机31驱 动，润滑油油路设置屑末注入口，从而模拟含屑末的润滑油路；润滑油磨 粒传感器323安装于自回路润滑油系统32油路上，将采集到的润滑油磨 粒信号传输给发动机健康管理机载监视单元60。

在本实施例中，航电模拟器80用于模拟飞机航电系统，通过 ARINC429或1394B等总线与发动机健康管理机载监视单元60实现双向 通信，具体总线形式与通信协议根据实际飞机平台情况确定。

在本实施例中，发动机健康管理地面子系统70，主要包括地面的便 携计算机以及运行其中的健康管理分析软件，在飞行结束后，发动机健康 管理地面子系统70可通过以太网、无线等通讯方式下载获得发动机健康 管理机载监视单元60存储的数据，结合发动机历史工作数据以及人工录 入的信息进行综合处理，通过性能衰减、寿命消耗、振动、润滑油状态分 析和趋势预测算法，实现对发动机当前健康状态的分析和评估；地面分析 系统还可录入发动机清洗、维修、外场可更换单元的更换等维护记录和状 态信息，实现对发动机的状态管理功能。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于航空发动机健康管理系统的半物理仿真系统，所述航空发动机健康管理系统包括发动机健康管理机载监视单元(60)、发动机健康管理地面子系统(70)以及若干传感器，其特征在于，所述半物理仿真系统在现有FADEC系统半物理仿真器(10)的基础上进行扩展，包括：

健康管理专用信号及故障模拟系统(20)，用于健康管理专用传感器信号计算及故障模式逻辑模拟；

振动模拟器(50)，用于模拟发动机真实振动，从而使振动传感器(52)采集与真机环境相似的振动信号；

接口模拟器(40)，用于模拟非FADEC系统的健康管理系统传感器信号；

润滑油系统模拟器(30)，用于模拟发动机润滑油路流动及磨粒故障情况；

航电模拟器(80)，用于模拟飞机航电系统。

2.根据权利要求1所述的一种用于航空发动机健康管理系统的半物理仿真系统，其特征在于，所述健康管理专用信号及故障模拟系统(20)与发动机数字模型(14)之间通过数字通信实现双向信息传输，所述健康管理专用信号及故障模拟系统(20)分别向振动模拟器(50)、接口模拟器(40)和传动电机(31)单向传输信息，振动模拟器(50)、接口模拟器(40)、润滑油系统模拟器(30)与航空发动机全权限数字电子控制器(11)向发动机健康管理机载监视单元(60)单向传输信息，发动机健康管理机载监视单元(60)与发动机健康管理地面子系统(70)以及航电模拟器(80)之间双向信息传输。

3.根据权利要求2所述的一种用于航空发动机健康管理系统的半物理仿真系统，其特征在于，所述健康管理专用信号及故障模拟系统(20)模拟的故障包括健康管理系统自身故障和发动机本体故障；健康管理系统自身故障包括传感器故障、接口故障和通信故障，发动机本体故障包括发动机性能参数突变、性能衰减、润滑油压力偏高、润滑油磨粒超限、压气机叶片断裂、涡轮转静子刮磨以及气路、润滑油、振动参数异常。

4.根据权利要求2所述的一种用于航空发动机健康管理系统的半物理仿真系统，其特征在于，所述接口模拟器(40)接收健康管理专用信号及故障模拟系统(20)计算的传感器信号数字量，并通过数模转换电路转换为与实际传感器相似的模拟信号，并将模拟信号传输至发动机健康管理机载监视单元(60)。

5.根据权利要求2所述的一种用于航空发动机健康管理系统的半物理仿真系统，其特征在于，所述振动模拟器(50)包括振动模拟台(51)，振动模拟台(51)上安装有振动传感器(52)。

6.根据权利要求5所述的一种用于航空发动机健康管理系统的半物理仿真系统，其特征在于，所述振动模拟器(50)接收健康管理专用信号及故障模拟系统(20)计算的模型输出振动数字量，驱动振动模拟台(51)产生与真机环境相似的振动型号，振动传感器(52)采集振动信号后将信号传输给发动机健康管理机载监视单元(60)。

7.根据权利要求2所述的一种用于航空发动机健康管理系统的半物理仿真系统，其特征在于，所述润滑油系统模拟器(30)包括传动电机(31)和自回路润滑油系统(32)，自回路润滑油系统(32)包括自循环润滑油路(321)、润滑油泵(322)和安装在自循环润滑油路(321)上的润滑油磨粒传感器(323)，自循环润滑油路(321)还设有屑末注入口，用于模拟受屑末污染的润滑油。

8.根据权利要求7所述的一种用于航空发动机健康管理系统的半物理仿真系统，其特征在于，所述传动电机(31)由健康管理专用信号及故障模拟系统(20)驱动，润滑油泵(322)由传动电机(31)驱动，润滑油磨粒传感器(323)采集自循环润滑油路(321)中的润滑油磨粒信号并传输给发动机健康管理机载监视单元(60)。

9.根据权利要求2所述的一种用于航空发动机健康管理系统的半物理仿真系统，其特征在于，所述航电模拟器(80)与发动机健康管理机载监视单元(60)之间的双向信息传输方式为总线通讯，总线形式和通信协议与实际飞机平台适配。

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