CN114111874B - 一种双余度传感器故障诊断及重构方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及传感器信号处理领域，为一种双余度传感器故障诊断及重构方法，先获取当前周期与上一周期的传感器两个通道的变化量，在数值调整之后，分别通过差值超差和比值超差进行判断，能够准确地判断出传感器是否出现超差，而后再通过当前周期与上周期的超差状态的比较，能够判断出通道是否出现异常；当未出现异常时，则直接按照本周期采集到的信号进行输出，若出现异常，则通过设置惯性滤波，对异常信号数据进行重构，而后对重构后的数据进行选择，能够选取出较优的数值对发动机进行控制，诊断准确，控制稳定。
Description
技术领域
本申请属于传感器信号处理领域，特别涉及一种双余度传感器故障诊断及重构方法。
背景技术
随着电子技术的发展，传感器广泛应用于各行各业中，在航空发动机控制领域，传感器主要用来测量发动机各截面的状态参数，将测量结果传递给数字电子控制器，用于发动机的控制和状态监控。因此传感器的测量值直接影响着发动机的控制。为了提高控制信号的可靠性，机载控制用传感器多采用双余度设计，并采用适当的故障诊断、表决方案，选出最优的用于发动机控制的信号数值。
常用的双余度传感器信号诊断、表决方案一般是通过极值检测、斜率检测、双余度偏差校验等方法来判断传感器各余度的故障状态。若极值检测、斜率检测无故障，但双余度偏差校验超限，则选取偏安全的数值(例如取较大值或较小值)用于发动机控制。若极值检测、斜率检测、双余度偏差校验均无故障，通常取双余度数据的平均值用于发动机控制。
当前的技术方案若极值检测、斜率检测无故障，但双余度偏差校验超限，则选取较大值或较小值用于发动机控制。这种方法存在如下缺点：
1、假设某双余度信号取较大值为安全值，当双余度传感器某一通道受到干扰或某一通道的线路虚连时，一个通道的数值正常而另一通道发生信号突变。若信号突变未触发极值、斜率故障，但导致双余度偏差校验超限，当前方案将放弃正常数值，选择异常偏大的数值用于控制，影响整机的控制品质；
2、即使信号突变未导致双余度偏差校验超限，该突变仍然影响双余度数据的平均值，影响整机的控制品质；
3、若信号突变未导致双余度偏差校验超限，这种故障状态不会被记录，不利于维修人员对传感器故障的判断。
若某双余度信号取较小值为安全值仍然存在类似的缺点，不详细介绍。
因此如何提高整机的控制品质是一个需要解决的问题。
发明内容
本申请的目的是提供了一种双余度传感器故障诊断及重构方法，以解决现有技术双余度传感器某一通道存在干扰或虚连故障但未触发极值、斜率故障时，信号数值选择不当，影响整机控制品质的问题。
本申请的技术方案是：一种双余度传感器故障诊断及重构方法，包括，获取双通道传感器每个通道的数据信号当前周期与上一周期之间的通道变化量A(k)、B(k)；调整两个通道变化量的数值；判断双通道变化量的差值超差，若在判定阈值ΔCross(k)范围内，则表明正常，否则为异常；判断双通道变化量的比值超差，若在判定阈值ΔRatio(k)范围内，则标明正常，否则为异常；根据比值和差值超差判断来判断超差是否成立；比较本周期与上周期的超差状态判断通道是否异常；获取两个通道的差值进行惯性滤波，确定惯性滤波值Z(k)；若无通道异常时，以采集到的信号值直接进行输出；若存在通道异常时，根据惯性滤波值进行数据重构；对两通道数据信号进行最终选择。
优选地，所述超差状态判断的方法包括，当比值超差判断和差值超差判断任意一个成立时，判定超差成立；当一个周期超差状态成立时，则立即判定超差状态成立；当连续三个周期超差状态不成立时，才判定超差状态不成立。
优选地，所述通道状态判断的方法包括，当上周期超差不成立，本周期超差成立时，则判定存在异常通道；当上周期超差不成立，本周期超差不成立时，则判定无通道异常；当上周期超差成立，本周期超差不成立时，则判定无通道异常；当上周期超差成立，本周期超差成立时，则判定存在通道异常。
优选地，所述数据重构的方法为，当异常通道状态成立，且A(k)＞B(k)时，第一通道最终选择值A_selected＝B(k)+Z(k)，第二通道最终选择值B_selected＝B(k)；当异常通道状态成立，且A(k)＜B(k)时，第一通道最终选择值A_selected＝A(k)，第二通道最终选择值B_selected＝A(k)-Z(k)。
优选地，进行数据重构后，得到信号的最终选择值Signal_final_selected为，
Signal_final_selected＝Max(A_selected，B_selected)
优选地，做惯性滤波时，取当前周期的权值X，前一周期的权值为1-X，则惯性滤波值，
Z(k)＝X*(A(k)-B(k))+(1-X)*Z(k-1)
，其中0<X<1，当超差状态成立时，保持前值。
优选地，两个通道的通道变化量分别为，第一通道的通道变化量ΔA(k)＝A(k)-A(k-1)；第二通道的通道变化量ΔB(k)＝B(k)-B(k-1)；其中A(k)表示第一通道测量值，B(k)表示第二通道测量值；k表示当前周期，k-1表示上一周期。
优选地，所述数值调整的方法为，当|ΔA(k)|、|ΔB(k)|变化量小于或等于固定值Δd时，则用Δd来替换变化量，Δd依据具体工程项目确定；否则，取ΔA(k)、ΔB(k)作为变化量。
优选地，所述双通道变化量的差值超差判断方法为，
ΔCross(k)＝|ΔA(k)-ΔB(k)|
，若差值ΔCross(k)在差值超差判定阈值ΔdCross内，则输出差值超差状态为正常Healthy；若差值ΔCross(k)在差值超差判定阈值ΔdCross外，则输出差值超差状态为异常Faulty。
优选地，所述双通道变化量的比值超差判断方法为，
ΔRatio(k)＝Max(|ΔA(k)|,|ΔB(k)|)/Min(|ΔA(k)|,|ΔB(k)|)
，若比值ΔRatio(k)在比值超差判定阈值ΔdRatio内，则输出比值超差状态为正常Healthy；若比值ΔRatio(k)在比值超差判定阈值ΔdRatio外，则输出比值超差状态为异常Faulty。
本申请的一种双余度传感器故障诊断及重构方法，先获取当前周期与上一周期的传感器两个通道的变化量，在数值调整之后，分别通过差值超差和比值超差进行判断，能够准确地判断出传感器是否出现超差，而后再通过当前周期与上周期的超差状态的比较，能够判断出通道是否出现异常；当未出现异常时，则直接按照本周期采集到的信号进行输出，若出现异常，则通过设置惯性滤波，对异常信号数据进行重构，而后对重构后的数据进行选择，能够选取出较优的数值对发动机进行控制，诊断准确，控制稳定。
附图说明
为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1为本申请整体流程示意图；
图2为本申请故障诊断及重构逻辑图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
一种双余度传感器故障诊断及重构方法，对两个余度信号数值的变化率进行比较，若两个余度的变化率差异较大，则结合变化小的余度重构变化大的余度，从而抑制单个余度信号的大幅波动，保证整体的控制品质。
如图1、图2所示，具体步骤包括：
步骤S100，获取双通道传感器每个通道的数据信号当前周期与上一周期之间的通道变化量A(k)、B(k)，以便进行后续的比对；
两个通道的变化量分别为：
第一通道的通道变化量ΔA(k)＝A(k)-A(k-1)；
第二通道的通道变化量ΔB(k)＝B(k)-B(k-1)；
其中A(k)表示第一通道测量值，B(k)表示第二通道测量值；k表示当前周期，k-1表示上一周期，在分别获得第一和第二通道的具体变化量后，才能够进行后续变化量差异的分析。
步骤S200，调整两个通道变化量的数值，通过进行数值调整，避免在进行比值超差判断时，因其中一个值太小而使得比值远远大于设定阈值，影响比值超差的判断；具体方法为，当|ΔA(k)|、|ΔB(k)|变化量小于或等于固定值Δd时，则用Δd来替换变化量，Δd依据具体工程项目确定；否则，取ΔA(k)、ΔB(k)作为变化量，在进行比值超差判断时，将较小的值由Δd进行替换，这样在进行阈值的比较时，比值的大小不过过大。
步骤S300，判断双通道变化量的差值超差，若在判定阈值ΔCross(k)范围内，则表明正常，否则为异常；
双通道变化量的差值超差判断方法为，
ΔCross(k)＝|ΔA(k)-ΔB(k)|
，若差值ΔCross(k)在差值超差判定阈值ΔdCross内，则输出差值超差状态为正常Healthy，超差不成立；若差值ΔCross(k)在差值超差判定阈值ΔdCross外，则输出差值超差状态为异常Faulty，超差成立。
ΔdCross依据具体工程项目确定。
通过对双通道变化量的差值进行判断，能够准确判断出第一通道变化量和第二通道变化量的差异是否合理。
步骤S400，判断双通道变化量的比值超差，若在判定阈值ΔRatio(k)范围内，则标明正常，否则为异常；
双通道变化量的比值超差判断方法为，
ΔRatio(k)＝Max(|ΔA(k)|,|ΔB(k)|)/Min(|ΔA(k)|,|ΔB(k)|)
，若比值ΔRatio(k)在比值超差判定阈值ΔdRatio内，则输出比值超差状态为正常Healthy，超差不成立；若比值ΔRatio(k)在比值超差判定阈值ΔdRatio外，则输出比值超差状态为异常Faulty，超差成立。
ΔdRatio依据具体工程项目确定。
通过对双通道变化量的比值进行判断，能够准确地从另一方面来判断第一通道变化量和第二通道变化量的差异是否合理。
步骤S500，根据比值和差值超差判断来判断超差是否成立；
超差状态判断的方法包括，
当比值超差判断和差值超差判断任意一个成立时，判定超差成立，表决逻辑见表1：
表1超差状态表决逻辑
当一个周期超差状态成立时，则立即判定超差状态成立；
当连续三个周期超差状态不成立时，才判定超差状态不成立。
通过采用该方法进行超差判断，在传感器的任意一个方面出现异常时，均能够通过该方法准确地判断出来。
步骤S600，比较本周期与上周期的超差状态判断通道是否异常；
通道状态判断的方法包括，
当上周期超差不成立，本周期超差成立时，则判定存在异常通道；
当上周期超差不成立，本周期超差不成立时，则判定无通道异常；
当上周期超差成立，本周期超差不成立时，则判定无通道异常；
当上周期超差成立，本周期超差成立时，则判定存在通道异常。
异常通道判断逻辑见表2。
表2异常通道判断
通过结合当前周期与上个周期的超差状态进行判断，能够准确地判断出通道的状态。
步骤S700，获取两个通道的差值进行惯性滤波，确定惯性滤波值Z(k)；
做惯性滤波时，取当前周期的权值X，前一周期的权值为1-X，则惯性滤波值：
Z(k)＝X*(A(k)-B(k))+(1-X)*Z(k-1)
，其中0<X<1，当超差状态成立时，保持前值，也即是当连续两个周期超差成立时，Z(k)＝Z(k-1)。
通过设置惯性滤波值对异常通道的信号数据进行修正，通过使用权值结合当前周期与上一周期的信号值进行修正，保证修正后的信号量能够有效满足使用的要求。
步骤S800，若无通道异常时，以采集到的信号值直接进行输出，也即是第一通道最终选择值A_selected＝A(k)，第二通道最终选择值B_selected＝B(k)；若存在通道异常时，根据惯性滤波值进行数据重构；
进行数据重构的方法为，
当异常通道状态成立时，且A(k)＞B(k)时，第一通道最终选择值A_selected＝B(k)+Z(k)，第二通道最终选择值B_selected＝B(k)；
当异常通道状态成立时，且A(k)＜B(k)时，第一通道最终选择值A_selected＝A(k)，第二通道最终选择值B_selected＝A(k)-Z(k)。
通过对一通道和第二通道中信号较大值进行修正，抑制较大余度信号的大幅波动，使得两个余度的变化率差异能够满足整机控制品质的需求。
步骤S900，对两通道数据信号进行最终选择。
进行数据重构后，得到信号的最终选择值Signal_final_selected为：
Signal_final_selected＝Max(A_selected，B_selected)
。通过选取重构后的两个通道的最大值，能够选取出偏安全的数值用于发动机控制，避免异常数值影响发动机的正常控制。
本发明的优点如下：
1、诊断准确，通过采用差值超差和比值超差进行分别比对，任意一个方面的超差出现错误即可有效的诊断出来；
2、控制稳定，通过选取重构信号的最大值来对发动机进行控制，发动机能够在正常工作范围内稳定工作。
3、适用性广，不局限于用于航空发动机控制系统传感器的信号处理，同样适用于其它相似系统中传感器的信号处理。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种双余度传感器故障诊断及重构方法，其特征在于：包括，
获取双通道传感器每个通道的数据信号当前周期与上一周期之间的通道变化量A(k)、B(k)；
调整两个通道变化量的数值；
判断双通道变化量的差值超差，若在判定阈值ΔCross(k)范围内，则表明正常，否则为异常；
判断双通道变化量的比值超差，若在判定阈值ΔRatio(k)范围内，则标明正常，否则为异常；
根据比值和差值超差判断来判断超差状态是否成立；
比较本周期与上周期的超差状态判断通道是否异常；
获取两个通道的差值进行惯性滤波，确定惯性滤波值Z(k)；
若无通道异常时，以采集到的信号值直接进行输出；若存在通道异常时，根据惯性滤波值进行数据重构；
对两通道数据信号进行最终选择。
2.如权利要求1所述的双余度传感器故障诊断及重构方法，其特征在于：所述超差状态是否成立判断的方法包括，
当比值超差判断和差值超差判断任意一个成立时，判定超差成立；
当一个周期超差成立时，则立即判定超差状态成立；
当连续三个周期超差不成立时，才判定超差状态不成立。
3.如权利要求1所述的双余度传感器故障诊断及重构方法，其特征在于：所述通道是否异常判断的方法包括，
当上周期超差不成立，本周期超差成立时，则判定存在异常通道；
当上周期超差不成立，本周期超差不成立时，则判定无通道异常；
当上周期超差成立，本周期超差不成立时，则判定无通道异常；
当上周期超差成立，本周期超差成立时，则判定存在通道异常。
4.如权利要求1所述的双余度传感器故障诊断及重构方法，其特征在于：所述数据重构的方法为，
当异常通道状态成立，且A(k)＞B(k)时，第一通道最终选择值A_selected＝B(k)+Z(k)，第二通道最终选择值B_selected＝B(k)；
当异常通道状态成立，且A(k)＜B(k)时，第一通道最终选择值A_selected＝A(k)，第二通道最终选择值B_selected＝A(k)-Z(k)。
5.如权利要求4所述的双余度传感器故障诊断及重构方法，其特征在于：进行数据重构后，得到信号的最终选择值Signal_final_selected为，
Signal_final_selected＝Max(A_selected，B_selected)。
6.如权利要求1所述的双余度传感器故障诊断及重构方法，其特征在于：做惯性滤波时，取当前周期的权值X，前一周期的权值为1-X，则惯性滤波值，
Z(k)＝X*(A(k)-B(k))+(1-X)*Z(k-1)，其中0<X<1，当超差状态成立时，保持前值。
7.如权利要求1所述的双余度传感器故障诊断及重构方法，其特征在于：两个通道的通道变化量分别为，
第一通道的通道变化量ΔA(k)＝A(k)-A(k-1)；第二通道的通道变化量ΔB(k)＝B(k)-B(k-1)；
其中A(k)表示第一通道测量值，B(k)表示第二通道测量值；k表示当前周期，k-1表示上一周期。
8.如权利要求7所述的双余度传感器故障诊断及重构方法，其特征在于：所述通道变化量数值调整的方法为，
当|ΔA(k)|、|ΔB(k)|变化量小于或等于固定值Δd时，则用Δd来替换变化量，Δd依据具体工程项目确定；否则，取ΔA(k)、ΔB(k)作为变化量。
9.如权利要求8所述的双余度传感器故障诊断及重构方法，其特征在于：所述两个通道的通道变化量的差值超差判断方法为，
ΔCross(k)＝|ΔA(k)-ΔB(k)|，若差值ΔCross(k)在差值超差判定阈值ΔdCross内，则输出差值超差状态为正常Healthy；若差值ΔCross(k)在差值超差判定阈值ΔdCross外，则输出差值超差状态为异常Faulty。
10.如权利要求8所述的双余度传感器故障诊断及重构方法，其特征在于：所述两个通道的通道变化量的比值超差判断方法为，
ΔRatio(k)＝Max(|ΔA(k)|,|ΔB(k)|)/Min(|ΔA(k)|,|ΔB(k)|)，若比值ΔRatio(k)在比值超差判定阈值ΔdRatio内，则输出比值超差状态为正常Healthy；若比值ΔRatio(k)在比值超差判定阈值ΔdRatio外，则输出比值超差状态为异常Faulty。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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