CN116256175A - 一种航空发动机监控参数摆动诊断方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请属于发动机控制技术领域，具体涉及一种航空发动机监控参数摆动诊断方法及装置。该方法包括：步骤S1、在固定的时间周期内，获取由发动机直接测量的待监控参数的最大值和最小值；步骤S2、基于给定的以待监控参数作为因变量的目标函数，获取目标函数内的各自变量的监测值；步骤S3、在固定的时间周期内，确定目标函数的最大值和最小值；步骤S4、基于待监控参数的最大值和最小值，目标函数的最大值和最小值，确定待监控参数摆动量；步骤S5、当所述待监控参数摆动量超过对应阈值时，进行告警提示。本申请主动隔离目标函数变化产生的影响，形成气动强耦合参数的解耦方法，大幅提升了发动机气动参数监控的准确性，降低了故障诊断误警率。

Description

一种航空发动机监控参数摆动诊断方法及装置

技术领域

本申请属于发动机控制技术领域，具体涉及一种航空发动机监控参数摆动诊断方法及装置。

背景技术

双转子航空涡扇发动机，凭借其稳定裕度高、推力大、耗油率低等特点，逐渐成为歼击机的首选动力装置。发动机的工作可靠性直接关系着飞机的使用安全，为监控发动机的工作状态，一种有效的手段是基于飞参数据建立快速判读系统，通过对飞参数据的快速读取和分析，实现对控制、燃油、振动、滑油、气动等全部系统的覆盖式监控。

参数摆动是监控控制系统工作可靠性的重要指标之一，参数摆动量大时，控制系统工作不稳定，导向器叶片角度、喷口面积、燃油流量的波动会引起推力脉动变化、压缩系统不稳定工作等异常问题，严重时可能造成燃油系统成附件损伤，导致控制失效，威胁飞行安全。

目前，一种参数摆动类诊断方法为，判断发动机处于稳态，在固定周期内，提取参数的周期内最大值和最小值，两者相减作为参数摆动量，与给定阈值进行比较，超出边界告警。

现有的参数摆动诊断方法，在一定程度上能够对控制品质进行监控，但存在以下缺点：

1、诊断方法只适用于稳态，在发动机进行过渡态操作时，主要监控参数大幅变化，周期内的最大值和最小值偏差增大，采用该方法的判读结果会造成误警，需要人为干预屏蔽过渡工作状态，对飞参数据未实现全覆盖监控；

2、发动机各系统耦合关系强，各参数间不相互独立，单一参数的变化往往会导致其他监控参数摆动加剧，原诊断方法忽略了参数间的干扰影响，容易造成误警。以压气机导向器叶片角度为例，转速、压力等因素的变化会加剧角度摆动幅值，单独分析角度的摆动量会造成幅值过大，影响判读准确性。

发明内容

为了解决上述问题之一，本申请提供了一种航空发动机监控参数摆动诊断方法及装置，以最大化剥离参数间的耦合干扰，适用于发动机各工作状态，降低了参数摆动误警率，提升了基于飞参数据的发动机健康水平监控能力。

本申请第一方面提供了一种航空发动机监控参数摆动诊断方法，主要包括：

步骤S1、在固定的时间周期内，获取由发动机直接测量的待监控参数的最大值M_max和最小值M_min；

步骤S2、基于给定的以待监控参数作为因变量的目标函数，获取所述目标函数内的各自变量的监测值；

步骤S3、在固定的时间周期内，确定所述目标函数的最大值Q_max和最小值Q_min；

步骤S4、基于所述待监控参数的最大值M_max和最小值M_min，目标函数的最大值Q_max和最小值Q_min，确定待监控参数摆动量；

步骤S5、判断所述待监控参数摆动量与对应阈值的大小，当所述待监控参数摆动量超过对应阈值时，进行告警提示。

优选的是，步骤S1中，所述待监控参数包括：双转子转速、导向器叶片角度、喷口面积、发动机各截面的截面温度、截面压力、燃滑油系统参数；

步骤S2中，所述目标函数包括：

对于双转子转速、导向器叶片角度、喷口面积的待监控参数，基于发动机控制系统工作逻辑和规则确定主动控制型目标函数；对于发动机各截面的截面温度、截面压力的待监控参数，由整机性能仿真模型基于发动机气动参数给定气动随动型目标函数；对于燃滑油系统的各待监控参数，基于燃滑油系统温度、压力的数据统计结果通过曲线拟合给出数据统计型目标函数。

优选的是，步骤S4中，确定待监控参数摆动量包括：

Δ＝M_max-M_min-Q_max-Q_min-f₇(Q)-C；

其中，f₇(Q)为所述目标函数的偏差影响量，C为稳态或者过渡态条件下控制精度调整量，发动机处于稳态时，取值0，发动机处于过渡态时，取值不超过待监控参数的2％。

优选的是，步骤S4进一步包括：

确定发动机处于稳态或者过渡态，当Q_max-Q_min≤D时，发动机处于稳态，当Q_max-Q_min＞D时，发动机处于过渡态，其中D为稳态和过渡态的判断阈值，不超过监控待监控参数的1％。

本申请第二方面提供了一种航空发动机监控参数摆动诊断装置，主要包括：

待监控参数测量模块，用于在固定的时间周期内，获取由发动机直接测量的待监控参数的最大值M_max和最小值M_min；

目标函数获取模块，用于基于给定的以待监控参数作为因变量的目标函数，获取所述目标函数内的各自变量的监测值；

待监控参数计算模块，用于在固定的时间周期内，确定所述目标函数的最大值Q_max和最小值Q_min；

待监控参数摆动量计算模块，用于基于所述待监控参数的最大值M_max和最小值M_min，目标函数的最大值Q_max和最小值Q_min，确定待监控参数摆动量；

告警模块，用于判断所述待监控参数摆动量与对应阈值的大小，当所述待监控参数摆动量超过对应阈值时，进行告警提示。

优选的是，所述待监控参数包括：双转子转速、导向器叶片角度、喷口面积、发动机各截面的截面温度、截面压力、燃滑油系统参数；

所述目标函数包括：

对于双转子转速、导向器叶片角度、喷口面积的待监控参数，基于发动机控制系统工作逻辑和规则确定主动控制型目标函数；对于发动机各截面的截面温度、截面压力的待监控参数，由整机性能仿真模型基于发动机气动参数给定气动随动型目标函数；对于燃滑油系统的各待监控参数，基于燃滑油系统温度、压力的数据统计结果通过曲线拟合给出数据统计型目标函数。

优选的是，在所述待监控参数摆动量计算模块中，确定待监控参数摆动量包括：

Δ＝M_max-M_min-Q_max-Q_min-f₇(Q)-C；

其中，f₇(Q)为所述目标函数的偏差影响量，C为稳态或者过渡态条件下控制精度调整量，发动机处于稳态时，取值0，发动机处于过渡态时，取值不超过待监控参数的2％。

优选的是，所述待监控参数摆动量计算模块进一步包括：

状态判读单元，用于确定发动机处于稳态或者过渡态，当Q_max-Q_min≤D时，发动机处于稳态，当Q_max-Q_min＞D时，发动机处于过渡态，其中D为稳态和过渡态的判断阈值，不超过监控待监控参数的1％。

本申请通过构造的待监控参数的目标函数，主动隔离目标函数变化产生的影响，形成气动强耦合参数的解耦方法，大幅提升了发动机气动参数监控的准确性，降低了故障诊断误警率。

附图说明

图1为本申请航空发动机监控参数摆动诊断方法的一优选实施例的流程图。

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方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

本申请第一方面提供了一种航空发动机监控参数摆动诊断方法，如图1所示，主要包括：

步骤S1、在固定的时间周期内，获取由发动机直接测量的待监控参数的最大值M_max和最小值M_min；

步骤S2、基于给定的以待监控参数作为因变量的目标函数，获取所述目标函数内的各自变量的监测值；

步骤S3、在固定的时间周期内，确定所述目标函数的最大值Q_max和最小值Q_min；

步骤S4、基于所述待监控参数的最大值M_max和最小值M_min，目标函数的最大值Q_max和最小值Q_min，确定待监控参数摆动量；

步骤S5、判断所述待监控参数摆动量与对应阈值的大小，当所述待监控参数摆动量超过对应阈值时，进行告警提示。

在一些可选实施方式中，步骤S1中，根据涡扇发动机测量及控制参数特点，确定参数摆动类主要监控参数，所述待监控参数一般包括但不限于：双转子转速、导向器叶片角度、喷口面积、发动机各截面的截面温度、截面压力、燃滑油系统参数等。

在步骤S2中，所述目标函数主要包括三类：

(1)对于双转子转速、导向器叶片角度、喷口面积的待监控参数，基于发动机控制系统工作逻辑和规则确定主动控制型目标函数.

针对主动控制型参数，按照控制系统工作逻辑和规则，制定控制函数，根据测量参数(自变量)，获取主动控制型参数(因变量)目标函数。一般情况下，双转子转速、导向器叶片角度、喷口面积等都可以利用该方法获取目标函数。以风扇导向器叶片角度α₁为例进行示范说明，根据控制逻辑和控制原理制定的α₁目标函数为：

Q(α₁)＝f₁(n_1r)+f₂(n_2r)+f₃(K)+A；

式中：f₁(n_1r)和f₂(n_2r)是主控制规律，f₃(K)为应急状态(特殊开关量触发条件)α₁控制规律调整量；A为α₁控制规律调整量，根据发动机实际状态填写，未调整则为0。

(2)对于发动机各截面的截面温度、截面压力的待监控参数，由整机性能仿真模型基于发动机气动参数给定气动随动型目标函数。

针对气动随动型参数，根据高度、速度、大气温度、大气压力、油门角度等，使用整机性能仿真模型，获取气动随动型参数目标函数，一般情况下，截面温度、截面压力等都可以利用该方法获取目标函数。

值得说明的是，由于发动机在包线内工作时，各截面参数与部件效率、雷诺数等因素密切相关，即使在相同的工作点下，不同的冷暖机状态截面参数也不一定一致，仅根据进口状态参数难以辨识出非常精确的发动机状态，但参数摆动类诊断是以实际参数摆动量与目标参数摆动量之差进行计算，本步骤只需要确定目标函数变化的相对关系，以设计状态模型及效率进行计算即可，不需完成高精度辨识。

(3)对于燃滑油系统的各待监控参数，基于燃滑油系统温度、压力的数据统计结果通过曲线拟合给出数据统计型目标函数。

针对其他参数，主要包括燃滑油系统参数，一般与实物状态、燃滑油品质等相关，并没有明确的控制逻辑关系，根据批量数据统计分析结果，将燃滑油系统温度、压力等参数转化为与发动机转速、大气温度、压力近似的关系曲线，作为这类参数的目标函数。以滑油系统压力为例进行示范说明，根据近似关系制定的目标函数为：

Q(P_滑油)＝f₄(n_1r)+f₅(T₁)+f₆(P₁)+B；

式中：f₄(n_1r)、f₅(T₁)、f₆(P₁)是与发动机低压换算转速n_1r、发动机进口总温T₁、发动机进口总压P₁近似的关系规律，B为考虑滑油系统粘度、污染度给出的目标函数偏差，不同工作状态偏差一般不一致。

在一些可选实施方式中，步骤S4中，根据发动机直接测量的监控参数M，以及上述确定的监控参数对应的目标函数Q，以固定周期t为步长，截取每个固定时间周期，监控参数M的最大值M_max和最小值M_min，目标函数Q的最大值Q_max和最小值Q_min，按下式要求确定待监控参数摆动量包括：

Δ＝|M_max-M_min|-|Q_max-Q_min|-f₇(Q)-C；

其中，f₇(Q)为所述目标函数的偏差影响量，默认为0，根据不同监控参数进行调整，C为稳态或者过渡态条件下控制精度调整量，发动机处于稳态时，取值0，发动机处于过渡态时，取值不超过待监控参数的2％。

该实施例中，

在一些可选实施方式中，步骤S4进一步包括：

确定发动机处于稳态或者过渡态，当|Q_max-Q_min|≤D时，发动机处于稳态，当|Q_max-Q_min|＞D时，发动机处于过渡态，其中D为稳态和过渡态的判断阈值，根据不同的监控参数，判断阈值取值不同，一般不超过监控待监控参数的1％。

本申请通过构造监控参数的目标函数，主动隔离目标函数变化产生的影响，形成气动强耦合参数的解耦方法，大幅提升了发动机气动参数监控的准确性，降低了故障诊断误警率。

本申请第二方面提供了一种与上述方法对应的航空发动机监控参数摆动诊断装置，主要包括：

待监控参数测量模块，用于在固定的时间周期内，获取由发动机直接测量的待监控参数的最大值M_max和最小值M_min；

目标函数获取模块，用于基于给定的以待监控参数作为因变量的目标函数，获取所述目标函数内的各自变量的监测值；

待监控参数计算模块，用于在固定的时间周期内，确定所述目标函数的最大值Q_max和最小值Q_min；

待监控参数摆动量计算模块，用于基于所述待监控参数的最大值M_max和最小值M_min，目标函数的最大值Q_max和最小值Q_min，确定待监控参数摆动量；

告警模块，用于判断所述待监控参数摆动量与对应阈值的大小，当所述待监控参数摆动量超过对应阈值时，进行告警提示。

在一些可选实施方式中，所述待监控参数包括：双转子转速、导向器叶片角度、喷口面积、发动机各截面的截面温度、截面压力、燃滑油系统参数；

所述目标函数包括：

对于双转子转速、导向器叶片角度、喷口面积的待监控参数，基于发动机控制系统工作逻辑和规则确定主动控制型目标函数；对于发动机各截面的截面温度、截面压力的待监控参数，由整机性能仿真模型基于发动机气动参数给定气动随动型目标函数；对于燃滑油系统的各待监控参数，基于燃滑油系统温度、压力的数据统计结果通过曲线拟合给出数据统计型目标函数。

在一些可选实施方式中，在所述待监控参数摆动量计算模块中，确定待监控参数摆动量包括：

Δ＝|M_max-M_min|-|Q_max-Q_min|-f₇(Q)-C；

其中，f₇(Q)为所述目标函数的偏差影响量，C为稳态或者过渡态条件下控制精度调整量，发动机处于稳态时，取值0，发动机处于过渡态时，取值不超过待监控参数的2％。

在一些可选实施方式中，所述待监控参数摆动量计算模块进一步包括：

状态判读单元，用于确定发动机处于稳态或者过渡态，当|Q_max-Q_min|≤D时，发动机处于稳态，当|Q_max-Q_min|＞D时，发动机处于过渡态，其中D为稳态和过渡态的判断阈值，不超过监控待监控参数的1％。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本申请作了详尽的描述，但在本申请基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本申请精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本申请要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种航空发动机监控参数摆动诊断方法，其特征在于，包括：

步骤S1、在固定的时间周期内，获取由发动机直接测量的待监控参数的最大值M_max和最小值M_min；

步骤S2、基于给定的以待监控参数作为因变量的目标函数，获取所述目标函数内的各自变量的监测值；

步骤S3、在固定的时间周期内，确定所述目标函数的最大值Q_max和最小值Q_min；

步骤S4、基于所述待监控参数的最大值M_max和最小值M_min，目标函数的最大值Q_max和最小值Q_min，确定待监控参数摆动量；

步骤S5、判断所述待监控参数摆动量与对应阈值的大小，当所述待监控参数摆动量超过对应阈值时，进行告警提示。

2.如权利要求1所述的航空发动机监控参数摆动诊断方法，其特征在于，步骤S1中，所述待监控参数包括：双转子转速、导向器叶片角度、喷口面积、发动机各截面的截面温度、截面压力、燃滑油系统参数；

步骤S2中，所述目标函数包括：

对于双转子转速、导向器叶片角度、喷口面积的待监控参数，基于发动机控制系统工作逻辑和规则确定主动控制型目标函数；对于发动机各截面的截面温度、截面压力的待监控参数，由整机性能仿真模型基于发动机气动参数给定气动随动型目标函数；对于燃滑油系统的各待监控参数，基于燃滑油系统温度、压力的数据统计结果通过曲线拟合给出数据统计型目标函数。

3.如权利要求1所述的航空发动机监控参数摆动诊断方法，其特征在于，步骤S4中，确定待监控参数摆动量包括：

Δ＝M_max-M_min-Q_max-Q_min-f₇(Q)-C；

其中，f₇(Q)为所述目标函数的偏差影响量，C为稳态或者过渡态条件下控制精度调整量，发动机处于稳态时，取值0，发动机处于过渡态时，取值不超过待监控参数的2％。

4.如权利要求3所述的航空发动机监控参数摆动诊断方法，其特征在于，步骤S4进一步包括：

确定发动机处于稳态或者过渡态，当Q_max-Q_min≤D时，发动机处于稳态，当Q_max-Q_min＞D时，发动机处于过渡态，其中D为稳态和过渡态的判断阈值，不超过监控待监控参数的1％。

5.一种航空发动机监控参数摆动诊断装置，其特征在于，包括：

待监控参数测量模块，用于在固定的时间周期内，获取由发动机直接测量的待监控参数的最大值M_max和最小值M_min；

目标函数获取模块，用于基于给定的以待监控参数作为因变量的目标函数，获取所述目标函数内的各自变量的监测值；

待监控参数计算模块，用于在固定的时间周期内，确定所述目标函数的最大值Q_max和最小值Q_min；

待监控参数摆动量计算模块，用于基于所述待监控参数的最大值M_max和最小值M_min，目标函数的最大值Q_max和最小值Q_min，确定待监控参数摆动量；

告警模块，用于判断所述待监控参数摆动量与对应阈值的大小，当所述待监控参数摆动量超过对应阈值时，进行告警提示。

6.如权利要求5所述的航空发动机监控参数摆动诊断装置，其特征在于，所述待监控参数包括：双转子转速、导向器叶片角度、喷口面积、发动机各截面的截面温度、截面压力、燃滑油系统参数；

所述目标函数包括：

对于双转子转速、导向器叶片角度、喷口面积的待监控参数，基于发动机控制系统工作逻辑和规则确定主动控制型目标函数；对于发动机各截面的截面温度、截面压力的待监控参数，由整机性能仿真模型基于发动机气动参数给定气动随动型目标函数；对于燃滑油系统的各待监控参数，基于燃滑油系统温度、压力的数据统计结果通过曲线拟合给出数据统计型目标函数。

7.如权利要求5所述的航空发动机监控参数摆动诊断装置，其特征在于，在所述待监控参数摆动量计算模块中，确定待监控参数摆动量包括：

Δ＝M_max-M_min-Q_max-Q_min-f₇(Q)-C；

其中，f₇(Q)为所述目标函数的偏差影响量，C为稳态或者过渡态条件下控制精度调整量，发动机处于稳态时，取值0，发动机处于过渡态时，取值不超过待监控参数的2％。

8.如权利要求7所述的航空发动机监控参数摆动诊断装置，其特征在于，所述待监控参数摆动量计算模块进一步包括：

状态判读单元，用于确定发动机处于稳态或者过渡态，当Q_max-Q_min≤D时，发动机处于稳态，当Q_max-Q_min＞D时，发动机处于过渡态，其中D为稳态和过渡态的判断阈值，不超过监控待监控参数的1％。

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