WO2023148438A1 - Système de commande d'un dispositif muni d'au moins capteur redondé à détection et isolement des pannes d'un desdits capteurs - Google Patents

Système de commande d'un dispositif muni d'au moins capteur redondé à détection et isolement des pannes d'un desdits capteurs Download PDF

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WO2023148438A1
WO2023148438A1 PCT/FR2023/050056 FR2023050056W WO2023148438A1 WO 2023148438 A1 WO2023148438 A1 WO 2023148438A1 FR 2023050056 W FR2023050056 W FR 2023050056W WO 2023148438 A1 WO2023148438 A1 WO 2023148438A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
measurement
bias
channel
measurement channel
estimate
Prior art date
Application number
PCT/FR2023/050056
Other languages
English (en)
Inventor
Seif Eddine BENATTIA
Pierre Cabrera
Original Assignee
Safran Aircraft Engines
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Safran Aircraft Engines filed Critical Safran Aircraft Engines
Publication of WO2023148438A1 publication Critical patent/WO2023148438A1/fr

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B9/00—Safety arrangements
    • G05B9/02—Safety arrangements electric
    • G05B9/03—Safety arrangements electric with multiple-channel loop, i.e. redundant control systems

Definitions

  • TITLE Control system for a device equipped with at least redundant sensor for detecting and isolating failures of one of said sensors.
  • the technical field of the invention is control systems, and more specifically observer control systems.
  • control systems of an aircraft engine do not make it possible to locate a bias or a drift of one of the measurement channels of a redundant sensor. Indeed, during a "cross check" failure, determined by a difference between measurement channels greater than a threshold, an arbitrary choice is then made of the channel presenting the minimum value, of the channel presenting the maximum value or of an average of the two measurement channels. There is therefore a risk of continuing to use an erroneous measurement or a value dependent on this erroneous measurement. State-of-the-art control systems can only detect the fault and not locate it.
  • the document US20200201312 discloses a technology for isolation and detection of failures on aeronautical anemometric sensors (Total pressure, Static pressure, etc). To achieve this, it is described to use a bank of KALMAN filters and its residuals (i.e. differences between the estimated measurement and the actual measurement) coupled to a truth table to detect and isolate a faulty sensor or to reconfigure it. on its model in the event of a defect.
  • the document CN 1 101 18128 describes a similar teaching but based on a particular formatting of the residues (WSSR: Weighted Sum of Squares of Residuals) for isolation and detection.
  • WSSR Weighted Sum of Squares of Residuals
  • the document US2009043447 also describes similar teaching, but based on different indicators (delta on averages of changes in states and/or residues) for detecting and isolating breakdowns. Moreover, in the case where the faulty sensor cannot be isolated, a probabilistic approach (occurrence of failures) is used.
  • the document describes the determination of estimated values of the measurements of a redundant sensor, and the determination of a failure through the evolution of a moving average of the innovation matrix.
  • the system includes offline steps of calibrating a model and training a decision tree based on a training set, and online steps applied to sensor measurements. During the online steps, the values expected by the decision tree are determined using the system determined during the offline steps, then the expected values are transmitted to the decision tree to obtain a prediction concerning the failure of a sensor of the sensor assembly.
  • the document is thus limited to the detection of the failure of a sensor, and does not mention the case of measurement channels of a redundant sensor or the control of an actuator.
  • the technical problem to be solved is how to detect a failure of one of the measurement channels of a redundant sensor and to exclude the measurement channel of the faulty redundant sensor from a control by a Kalman filter type observer. Disclosure of Invention
  • An object of the invention is a control system for a device provided with at least one piece of equipment, the control system comprising at least one sensor each capable of measuring an operating quantity of the device, and two channels for measuring the redundant sensor for each piece of equipment, at least one nested command means configured to determine a command intended for the at least one piece of equipment as a function of the measurement of at least one operating quantity of the device and of a measurement selected for the piece of equipment controlled, the control system further comprising calculation means configured to determine the measurement selected for the at least one piece of equipment controlled, by a Kalman filter type observer, as a function of the at least one measurement of the operating quantity of the device and measurements of the measurement channels of the redundant sensor for the controlled equipment, the calculation means being further configured to detect a failure of one of the measurement channels of the specific redundant sensor so as to exclude the measurement channel therefrom.
  • the device may comprise at least two pieces of equipment, the measurement selected for the at least two pieces of equipment being determined by the same Kalman filter observer.
  • the means of calculation may include:
  • a Kalman filter observer determining an estimate of a bias of the first measurement channel and an estimate of a bias of the second measurement channel as a function of the at least one measurement of the operating quantity of the device, of the first measurement channel of the redundant sensor and the second measurement channel of the same redundant sensor,
  • a comparison means configured to emit a selection signal according to the results of comparison of each bias estimate with a first predetermined threshold, of the result of the comparison of the absolute value of the difference of the two measurement channels with a second threshold predetermined and bias estimates between them, and • a selection device configured to transmit the selected measurement equal to the measurement of the first measurement channel of the redundant sensor, to the measurement of the second measurement channel of the redundant sensor or to the average of the measurements of the two measurement channels of the sensor redundant according to a selection signal.
  • the selection device may comprise calculation means configured to average the measurement of the first measurement channel and the measurement of the second measurement channel, the selection device also comprising a logic gate receiving as input on the one hand the selection signal and on the other hand the measurement of the first measurement channel, the measurement of the second measurement channel and the average of the measurements of the measurement channels, the logic gate being configured to emit the selected measurement equal to the one of the values received as input depending on the selection signal.
  • the comparison means can be configured to perform the following steps:
  • the selection signal transmitted indicates to the selection device to transmit a selected measurement equal to the average of the measurements of the measurement channels of the redundant sensor
  • the selection signal transmitted indicates to the selection device to transmit a selected measurement equal to the measurement of the first measurement channel of the redundant sensor
  • the selection signal transmitted indicates to the selection device to transmit a selected measurement equal to the measurement of the second measurement channel of the redundant sensor
  • the transmitted selection signal indicates to the selection device to transmit a selected measurement equal to the measurement of the first measurement channel of the redundant sensor
  • the signal transmitted indicates to the selection device to transmit a selected measurement equal to the measurement of the second measurement channel of the redundant sensor.
  • the comparison means can be configured to carry out the following steps: the estimates of the biases are stored at the moment when it is determined that the difference in absolute value between the measurement of the first measurement channel and the measurement of the second measurement channel is greater than a predetermined threshold and a selection signal is transmitted indicating to the selection device to transmit a selected measurement equal to the measurement of the measurement channel of the redundant sensor for which the absolute value of its estimation of the bias is the lowest.
  • the comparison means can be configured to carry out the following steps: the estimates of the biases over time are stored on a sliding window, when a predefined number of values are stored, the variance or the standard deviation of the estimates are determined of the bias of the first measurement channel and the variance or the standard deviation of the estimates of the bias of the second measurement channel is determined, the variances or the standard deviations obtained are compared and a selection signal is transmitted indicating to the device selection to transmit a selected measurement equal to the measurement of the measurement channel of the redundant sensor for which the variance or the standard deviation of the associated bias estimate takes the lowest value.
  • the comparison means can be configured to carry out the following steps: the bias estimates are stored over time, when a predefined number of values are stored, the gradient of the bias estimates of the first measurement channel is determined and determines the gradient of the estimates of the bias of the second measurement channel, the gradients obtained are compared and a selection signal is transmitted indicating to the selection device (5c) to transmit a selected measurement equal to the measurement channel of the redundant sensor for which the gradient of the associated bias estimates is the smallest.
  • the controlled equipment can be an actuator, the system then comprising a Kalman filter observer determining an estimation of the bias of the first measurement channel and an estimation of the bias of the second measurement channel as a function of the at least one measurement of the operating quantity of the device, of the measurement of the first measurement channel of the redundant sensor and of the measurement of the second measurement channel of the redundant sensor, a detection device comprising:
  • a first means of comparison determining whether the difference between the measurement of the first measurement channel of the redundant sensor and the measurement of the second measurement channel of the redundant sensor is less than a second threshold, if such is the case the first means of comparison sends a first signal to a logic gate
  • a third comparison means determining whether the estimate of the bias of the second measurement channel is greater than the third threshold, if this is the case the third comparison means emits a first signal intended for the logic gate
  • a fourth means of comparison determining whether the difference between the estimate of the bias of the first measurement channel and the estimate of the bias of the second measurement channel is greater than a fourth threshold, with a hysteresis taking account of the precision of the two measurement channels of the redundant sensor, if this is the case the fourth comparison means emits a first signal intended for the logic gate, • the logic gate transmitting a first signal when all its inputs receive a first signal, the logic gate transmitting a second signal when all its inputs do not receive the first signal, which makes it possible to detect the failure of actuation.
  • the device can be an aircraft engine and the measurement channels of the redundant sensor measure the position of the cylinders of variable geometry, the position of the fuel metering valve, the variable settings of the stators of the high pressure compressor of the engine, the measurement of the temperature at the inlet of the high pressure compressor of the engine, or the static pressure measurement at the inlet of the engine combustion chamber.
  • Another object of the invention is a method for controlling a device provided with at least one piece of equipment, with at least one sensor able to measure an operating quantity of the device, and with measurement channels of the redundant sensor for each item of equipment, the control method comprising the following steps:
  • the measurement selected for the at least one piece of equipment controlled is determined, by a Kalman filter observer, as a function of the at least one measurement of the operating quantity of the device and of the measurements of the measurement channels of the redundant sensor for the equipment ordered.
  • Another object of the invention is an aircraft provided with a control system or comprising a control method as described above.
  • FIG. 1 illustrates the main elements of a control system based on a Kalman filter
  • FIG. 3 illustrates an alternative selection device applied to the detection of actuation failures in the control system according to the invention.
  • the control system according to the invention is based on the use of the same Kalman filter (but supplied by different measurement channels) to detect and locate a simple failure of a redundant sensor in order to accommodate the acquisition on the healthy path instead of arbitrarily choosing a path and potentially selecting the wrong path.
  • an engine event such as a loss of thrust control LOTC (acronym “Loss of Thrust Control”).
  • Figure 1 illustrates the main elements of a control system based on a Kalman filter type observer.
  • a device 1 such as an engine for an aircraft, is controlled by a control means 2a, 2b as a function of the difference between a set point CS of an operating parameter of the device 1 (for example, the speed of rotation in the case of a motor) and a measurement Y by a sensor 3 of the operating parameter of the device 1 corresponding to the setpoint CS.
  • a control means 2a, 2b as a function of the difference between a set point CS of an operating parameter of the device 1 (for example, the speed of rotation in the case of a motor) and a measurement Y by a sensor 3 of the operating parameter of the device 1 corresponding to the setpoint CS.
  • the difference between the setpoint CS and the measurement Y is determined via a subtractor 4.
  • the first control means 2a can be an open-loop or closed-loop control means and makes it possible to determine the command u c .
  • the second control means 2b is a closed loop control means.
  • the first control means 2a makes it possible to determine a control setpoint u c as a function of the difference between the setpoint CS and the measurement Y when the first control means 2a is a closed-loop control means.
  • the first control means 2a makes it possible to determine a control setpoint u c as a function of the measurement Y when the first control means 2a is an open loop control means.
  • This command setpoint u c is received by a second control means 2b in order to determine a command u of at least one device li taking into account a selected measurement us received from a calculation means 5 comprising an observer based on a Kalman filter 5a.
  • the use of two control means 2a, 2b makes it possible to control several distinct pieces of equipment li acting on the devices according to the measurement Y and/or the setpoint CS according to the structure of the first control means 2a.
  • the equipment items li controlled can be the fuel metering device or the variable-geometry blades of said engine.
  • This equipment contributes to the operation of the motor, and to the realization of the command, for example the speed of rotation of the motor.
  • the command u is of the vector type, and includes a measurement selected for each piece of equipment li of the device 1.
  • the quantities u c , u s , CS, Y, UL and u x can be vectors.
  • measurement channels 3ia, 3ib specific to each piece of equipment li are used.
  • Each pair of measurement channels 3ia, 3ib comes from the redundancy of a measurement sensor and its acquisition chain. They thus measure the same quantity so that the measurement is always available even in the event of failure of one of the measurement channels 3ia, 3ib of a sensor redundant specific.
  • the measurements of the first measurement channel 3ia of several sensors can be concatenated in the vector UL .
  • the measurements of the second measurement channel 3ib of several sensors can be concatenated in the vector u x .
  • FIG. 1 a single piece of equipment li is illustrated for the purpose of readability. It will be understood that an aircraft engine is generally equipped with multiple pieces of equipment li, each equipped with a pair of specific redundant sensors 3ia, 3ib.
  • the calculation means 5 receives as input the measurements UL, UX of the measurement channels 3ia, 3ib of the redundant sensor and one or more measurements Y of the sensor 3. It outputs the selected measurement signal u s to the second means of command 2b.
  • the calculation means 5 comprises an observer based on a Kalman filter, making it possible to determine the selected measurement u s as a function of the signals from the sensors UL, UX, Y .
  • the observer is built from a representative model of the device 1 observed and of at least one piece of equipment li and makes it possible to isolate a faulty measurement channel originating from one of the measurement channels 3ia, 3ib of the redundant sensor measuring each piece of equipment l i.
  • the selected measure us is obtained by adding additive biases to the inputs UL, ux.
  • the Kalman filter then makes it possible, by varying in real time the additive biases on each of the inputs of the model, to make the outputs of the model converge with the engine measurements Y. The convergence makes it possible to obtain a zero residual.
  • the biases obtained then directly represent the difference between the actual measurement of the controlled equipment (determined by observation via its effect on the device) and the chosen measurement UL, UX from one of the measurement channels 3ia, 3ib of the sensor.
  • Tuning of filter performance is best achieved through solving a standard problem (e.g. RICCATI algebraic equation).
  • the calculation means 5 performs the estimation of the biases associated with each measurement channel 3ia or 3ib of the redundant sensor.
  • the measurement channel 3ia or 3ib of the redundant sensor When the bias estimate associated with a measurement channel 3ia or 3ib of the redundant sensor exceeds a first predefined maximum threshold, the measurement channel 3ia or 3ib of the redundant sensor is declared faulty. The observer then uses the measurements provided by the other measurement channel 3ia or 3ib of the redundant sensor. This arbitration can be done in the form of a truth table.
  • FIG. 2 illustrates the main elements of the computing means 5.
  • the calculation means 5 comprises a Kalman filter observer referenced 5a, a comparison means 5b, and a selection device referenced 5c.
  • the observer 5a makes it possible to determine, taking into account one or more measurements Y, an estimate of the bias of the first measurement channel ûi corresponding to the measurement ui of the first measurement channel 3ia of the redundant sensor and an estimate of the bias of the second measurement channel ûx corresponding to the measurement u x of the second measurement channel 3ib of the redundant sensor.
  • the comparison means 5b is configured to determine a selection signal, denoted salt, as a function of the comparison of the estimate of the bias of the first measurement channel ûi with a first threshold a, of the estimate of the bias of the second measurement channel ûx to a first threshold a, and from the estimation of the bias of the first measurement channel ûi to the estimation of the bias of the second measurement channel ûx.
  • the Boolean signals associated with these comparisons are transmitted to a predetermined truth table so as to determine the selection signal sel of the value to be transmitted as selected measurement us. For example, if the value 1 is assigned to a verified comparison, and the value 0 is assigned to a comparison that is not verified, then the truth table includes the values illustrated by the table [Table 1 ] ,
  • the first three columns correspond to the entries of the table, the last column corresponding to the selection signal determined by the table.
  • the value selected is the average of the measurements of the measurement channels (3ia,3ib) (ui+u x )/2.
  • the selected value is the measurement of the first measurement channel ui.
  • the selected value is the measurement u x of the second measurement channel.
  • the selected value is the first measurement of the first measurement channel ui.
  • the value selected is the second measurement u x of the second measurement channel.
  • the selection signal sel is then transmitted to the selection device 5c also receiving as input the measurement ui of the first measurement channel (3ia) and the measurement Ux of the second measurement channel (3ib).
  • the selection device 5c comprises calculation means 5d configured to average the measurement ui of the first measurement channel (3ia) and the measurement u x of the second measurement channel (3ib).
  • the selection device 5c also comprises a logic gate 5e receiving on the one hand the selection signal sel and on the other hand the measurement ui of the first measurement channel (3ia), the measurement Ux of the second measurement channel (3 ib) and the average of the measurement ui of the first measurement channel (3ia) and of the measurement u x of the second measurement channel (3ib).
  • the selection device 5c transmits the measurement ui of the first measurement channel (3ia), the measurement u x of the second measurement channel (3ib) or the average of the measurement ui of the first measurement channel ( 3ia) and the measurement u x of the second measurement channel (3ib) in the form of the selected measurement signal us.
  • control system has been described in relation to a single quantity measured by two specific measurement channels 3ia,3ib of a redundant sensor. Nevertheless, the control system can be extended to at least two quantities each measured by two specific measurement channels of redundant sensors. In this case, the same observer 5a with Kalman filter is used in order to determine the estimation of the bias of the measurement channels for each quantity taken into account.
  • the control system allows:
  • control system makes it possible to be robust to failure during the flight and to provide a diagnosis for replacement at the end of the mission.
  • control system makes it possible to take into account the precision of the model embedded in the Kalman filter to distinguish it from the effects of drifts of the measurement channels 3ia, 3ib of the redundant sensor.
  • the model embedded in the Kalman Filter has a certain precision which directly impacts the bias estimation performance. Indeed, if the embedded model is not perfect, the estimation of the bias by the Kalman filter can be broken down as follows:
  • this alternative embodiment includes a “relative” comparison of the absolute value of the local bias estimate (
  • This alternative embodiment is based on the observation that the modeling error varies little over time. This may be, for example, the aging of the device 1 .
  • This modeling error is also identical in the bias estimate corresponding to the measurement channels 3ia, 3ib of the redundant sensor because these bias estimates are estimated from the same Kalman Filter (and therefore with the same on-board model).
  • the bias estimates are stored when it is determined that the difference in absolute value between the first measurement channel ul and the second measurement channel u is greater than the threshold P, in order to have a reference. We then determine the sign of the comparison
  • a selection signal is emitted allowing the second measurement ux to be chosen as the selected measurement us.
  • a selection signal is emitted allowing the first measurement UL to be chosen as the selected measurement us.
  • control system makes it possible to compare the evolution of the variance or of the standard deviation of the two biases to prevent dispersion effects from masking the failure of the specific sensors.
  • the bias estimates include a common modeling error. Apart from the imprecision of the measurements of the specific redundant sensors 3ia,3ib, the evolution of the variance (or standard deviation) of the two estimates of bias is therefore almost identical. Consequently, if the evolution of the variance (or standard deviation) of one of the two bias estimates is much faster than that of the other bias estimate, it is because the measurement associated with this bias estimate undergoes a drift. The corresponding measurement channel is therefore faulty.
  • This embodiment makes it possible in particular to cover the case where the fault has an effect on the measurement compensating for the modeling error and potentially making it more difficult to locate the fault with the first alternative embodiment.
  • the bias estimates û L , û x are stored on a sliding window at each iteration of the observer by Kalman filter.
  • the variance or the standard deviation of the estimates of the bias of the first measurement channel û L is determined and the variance or the standard deviation of the estimates of the bias of the second is determined measuring channel û x .
  • the variances or the standard deviations obtained are compared and a selection signal is emitted designating the measurement channel of the redundant sensor for which the variance or the standard deviation of the estimate of the associated bias takes the lowest value.
  • control system makes it possible to compare the evolution of the gradient of the two bias estimates to take account of the drifts of the system.
  • the bias estimates û L , û x are stored at each iteration of the observer by Kalman filter. When a predefined number of values are stored, the gradient of the bias estimates of the first measurement channel û L is determined and the gradient of the bias estimates of the second measurement channel û x is determined.
  • the gradients thus obtained are compared and a selection signal is emitted designating the measurement channel of the redundant sensor for which the gradient of the associated bias estimate is the lowest.
  • control system it is also possible to configure the control system according to the invention to detect actuation failures.
  • actuation failures In the case of an aeronautical engine, mention may be made of failures in the actuation of a fuel metering device.
  • the detection device 6 comprises a first subtractor 6a determining the difference between the measurement of the first measurement channel 3ia of the redundant sensor and the measurement of the second measurement channel 3ib of the same redundant sensor.
  • a first comparison means 6b determines whether the difference between the measurement of the first measurement channel 3ia of the redundant sensor and the measurement of the second measurement channel 3ib of the same redundant sensor is less than a second threshold S2. If such is the case, the first comparison means then emits a first signal intended for the logic gate 6g.
  • a second means of comparison 6c determines whether the estimate of the bias of the first measurement channel û L is greater than a third threshold S3. If this is the case, the second comparison means 6c emits a first signal intended for the logic gate 6g.
  • a third comparison means 6d determines whether the estimate of the bias of the second measurement channel û x is greater than the third threshold S3. If this is the case, the third comparison means 6d emits a first signal intended for the logic gate 6g.
  • a second subtractor 6e determines the difference between the estimation of the bias of the first measurement channel ⁇ L and the estimation of the bias of the second measurement channel ⁇ x .
  • a fourth comparison means 6f determines whether the difference between the estimate of the bias of the first measurement channel û L and the estimate of the bias of the second measurement channel û x is less than a fourth threshold S4, with a hysteresis taking account of the precision of the two measurement channels of the redundant sensor. In fact, in the event of failure of the actuator, the estimation of the two biases is supposed to be almost identical to the measurement error of the measurement channels of the redundant sensor, close to. The presence of hysteresis makes it possible to take this into account. If this is the case, the fourth comparison means 6f emits a first signal intended for the logic gate 6g.
  • the logic gate 6g transmits a signal when all its inputs receive a first signal, and no signal otherwise, which makes it possible to detect the failure of actuation.
  • the control system according to the invention can be configured to be applied to specific redundant sensors measuring the position of variable geometry cylinders LVDT (English acronym for "Linear Variable Differential Transforme") comprising in particular a fuel metering valve FMV (English acronym for "Fuel Metering Valve” and variable settings of the stators of the high pressure compressor VSV (English acronym for "Variable Stator Valve”). It can also be applied to the measurement of the temperature at the inlet of the high pressure compressor, or to the measurement of pressure static at the inlet of the combustion chamber of an aircraft engine.

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Abstract

Système de de commande d'un dispositif (1) muni d'au moins un équipement (1i), le système de commande comprenant au moins un capteur (3) apte à mesurer des grandeurs de fonctionnement du dispositif, et deux voies de mesure spécifiques (3ia, 3ib) d'un capteur redondé pour chaque équipement (1i), au moins un moyen de commande imbriqué (2a,2b) configuré pour déterminer une commande à destination d'au moins un équipement (1i) en fonction de la au moins une mesure de la grandeur de fonctionnement du dispositif (1) et d'une mesure sélectionnée pour l'équipement (1i) commandé, le système de commande comprenant en outre un moyen de calcul (5) configuré pour déterminer la mesure sélectionnée pour le au moins un équipement (1i) commandé, par un observateur de type filtre de Kalman, en fonction de la au moins une mesure de la grandeur de fonctionnement du dispositif (1) et des mesures des deux voies de mesure spécifiques (3ia, 3ib) d'un capteur redondé pour l'équipement commandé (1i).

Description

DESCRIPTION
TITRE : Système de commande d’un dispositif muni d’au moins capteur redondé à détection et isolement des pannes d’un desdits capteurs.
Domaine technique
L ’invention a pour domaine technique les systèmes de commande, et plus précisément les systèmes de commande à observateur.
Techniques antérieures
Les systèmes de commande d’un moteur d’ aéronef selon l’ état de l’ art ne permettent pas de localiser un biais ou une dérive d’une des voies de mesure d’un capteur redondé. En effet, lors d’une panne de « cross check », déterminée par un écart entre voies de mesure supérieur à un seuil, on réalise alors un choix arbitraire de la voie présentant la valeur minimale, de la voie présentant la valeur maximale ou d’une moyenne des deux voies de mesure. Il existe donc un risque de continuer à utiliser une mesure erronée ou une valeur dépendant de cette mesure erronée. Les systèmes de commande de l’ état de l’ art ne permettent que de détecter la panne et non de la localiser.
De l’ état de la technique antérieure, on connait les documents suivants.
Le document US20200201312 divulgue une technologie d’isolation et de détection de pannes sur les capteurs anémométriques aéronautiques (Pression totale, Pression statique, etc ... ). Pour réaliser cela, il est décrit d’utiliser une banque de filtres de KALMAN et de ses résidus (i.e. écarts entre la mesure estimée et la mesure réelle) couplés à une table de vérité pour détecter et isoler un capteur en panne ou pour le reconfigurer sur son modèle en cas de défaut.
Le document CN 1 101 18128 décrit un enseignement similaire mais basé sur une mise en forme particulière des résidus (WSSR : Weighted Sum of Squares of Residuals) pour l’isolation et la détection. Le document US2009043447 décrit également un enseignement similaire, mais basé sur des indicateurs différents (delta sur des moyennes des évolutions des états et/ou des résidus) pour détecter et isoler des pannes. De plus, dans le cas où le capteur en faute ne peut être isolé, une approche probabiliste (occurrence des pannes) est utilisée.
Ces différents documents de l’ état de l’ art permettent de détecter le défaut d’un capteur parmi un ensemble de capteurs mesurant des grandeurs physiques différentes. Par ailleurs, ces différents documents reposent sur différentes architectures de filtres de Kalman sous forme de « banques » : plusieurs filtres de Kalman différents sont utilisés avec les mêmes capteurs et l’interprétation des résidus (i.e. écarts entre les sorties du modèle et les mesures capteur) permet de détecter le capteur d’une grandeur physique en panne.
On connait également le document B. M. De Silva et al. divulguant un système de détermination de la défaillance d’un capteur basé sur un filtre de Kalman.
Le document décrit la détermination de valeurs estimées des mesures d’un capteur redondé, et la détermination d’une défaillance à travers l’ évolution d’une moyenne mobile de la matrice innovation. Le système comprend des étapes hors ligne de calibration d’un modèle et d’ entrainement d’un arbre de décision sur la base d’un ensemble d’ entrainement, et des étapes en ligne, appliquées à des mesures de capteurs. Au cours des étapes en ligne, on détermine des valeurs attendues par l ’arbre de décision en utilisant le système déterminé lors des étapes hors ligne, puis transmettre les valeurs attendues à l’ arbre de décision pour obtenir une prédiction concernant la défaillance d’un capteur de l’ ensemble de capteurs. Le document se limite ainsi à la détection de la défaillance d’un capteur, et n’ évoque pas le cas de voies de mesure d’un capteur redondé ou la commande d’un actionneur.
Le problème technique à résoudre est comment détecter une panne d’une des voies de mesure d’un capteur redondé et exclure la voie de mesure du capteur redondé en panne d’une commande par un observateur de type filtre de Kalman. Exposé de l’invention
Un objet de l’invention est un système de de commande d’un dispositif muni d’ au moins un équipement, le système de commande comprenant au moins un capteur apte à mesurer chacun une grandeur de fonctionnement du dispositif, et deux voies de mesure du capteur redondé pour chaque équipement, au moins un moyen de commande imbriqué configuré pour déterminer une commande à destination du au moins un équipement en fonction de la mesure d’ au moins une grandeur de fonctionnement du dispositif et d’une mesure sélectionnée pour l’ équipement commandé, le système de commande comprenant en outre un moyen de calcul configuré pour déterminer la mesure sélectionnée pour le au moins un équipement commandé, par un observateur de type filtre de Kalman, en fonction de la au moins une mesure de la grandeur de fonctionnement du dispositif et des mesures des voies de mesure du capteur redondé pour l’ équipement commandé, le moyen de calcul étant en outre configuré pour détecter une panne d’une des voies de mesure du capteur spécifique redondé de sorte à en exclure la voie de mesure.
Le dispositif peut comprendre au moins deux équipements, la mesure sélectionnée pour les au moins deux équipements étant déterminée par le même observateur à filtre de Kalman.
Le moyen de calcul peut comprendre :
• un observateur par filtre de Kalman déterminant une estimation d’un biais de la première voie de mesure et une estimation d’un biais de la deuxième voie de mesure en fonction de la au moins une mesure de la grandeur de fonctionnement du dispositif, de la première voie de mesure du capteur redondé et de la deuxième voie de mesure du même capteur redondé,
• un moyen de comparaison configuré pour émettre un signal de sélection en fonction des résultats de comparaison de chaque estimation de biais à un premier seuil prédéterminé, du résultat de la comparaison de la valeur absolue de la différence des deux voies de mesure à un deuxième seuil prédéterminé et des estimation de biais entre elles, et • un dispositif de sélection configuré pour transmettre la mesure sélectionnée égale à la mesure de la première voie de mesure du capteur redondé, à la mesure de la deuxième voie de mesure du capteur redondé ou à la moyenne des mesures des deux voies de mesure du capteur redondé en fonction d’un signal de sélection.
Le dispositif de sélection peut comprendre un moyen de calcul configuré pour réaliser la moyenne de la mesure de la première voie de mesure et la mesure de la deuxième voie de mesure, le dispositif de sélection comprenant également une porte logique recevant en entrée d’une part le signal de sélection et d’ autre part la mesure de la première voie de mesure, la mesure de la deuxième voie de mesure et la moyenne des mesures des voies de mesure, la porte logique étant configurée pour émettre la mesure sélectionnée égale à l ’une des valeurs reçues en entrée en fonction du signal de sélection.
Le moyen de comparaison peut être configuré pour réaliser les étapes suivantes :
• lorsque la valeur absolue de la différence entre la mesure de la première voie de mesure et la mesure de la deuxième voie de mesure est inférieur à un deuxième seuil prédéterminé ou aucune des estimations de biais n’ est supérieure à un premier seuil prédéterminé, le signal de sélection émis indique au dispositif de sélection de transmettre une mesure sélectionnée égale à la moyenne des mesures des voies de mesure du capteur redondé,
• lorsque la valeur absolue de la différence entre la mesure de la première voie de mesure et la mesure de la deuxième voie de mesure est supérieure à un deuxième seuil prédéterminé et que l’ estimation du biais de la première voie de mesure n’ est pas supérieure à un premier seuil, et que l’ estimation du biais de la deuxième voie de mesure est supérieure au premier seuil, le signal de sélection émis indique au dispositif de sélection de transmettre une mesure sélectionnée égale à la mesure de la première voie de mesure du capteur redondé,
• lorsque la valeur absolue de la différence entre la mesure de la première voie de mesure et la mesure de la deuxième voie de mesure est supérieure à un deuxième seuil prédéterminé et que l’ estimation du biais de la première voie de mesure est supérieure au premier seuil, et que l’ estimation du biais de la deuxième voie de mesure n’ est pas supérieure au premier seuil, le signal de sélection émis indique au dispositif de sélection de transmettre une mesure sélectionnée égale à la mesure de la deuxième voie de mesure du capteur redondé,
• lorsque la valeur absolue de la différence entre la mesure de la première voie de mesure et la mesure de la deuxième voie de mesure est supérieure à un deuxième seuil prédéterminé et que l’ estimation du biais de la première voie de mesure est supérieure au premier seuil, lorsque l’ estimation du biais de la deuxième voie de mesure est supérieure au premier seuil, et lorsque l’ estimation du biais de la première voie de mesure n’ est pas supérieure à l’estimation du biais de la deuxième voie de mesure, le signal de sélection émis indique au dispositif de sélection de transmettre une mesure sélectionnée égale à la mesure de la première voie de mesure du capteur redondé,
• lorsque la valeur absolue de la différence entre la mesure de la première voie de mesure et la mesure de la deuxième voie de mesure est supérieure à un deuxième seuil prédéterminé et que l’ estimation du biais de la première voie de mesure est supérieure au premier seuil, lorsque l’ estimation du biais de la deuxième voie de mesure est supérieure au premier seuil, et lorsque l’ estimation du biais de la première voie de mesure est supérieure à l’estimation du biais de la deuxième voie de mesure, le signal de sélection émis indique au dispositif de sélection de transmettre une mesure sélectionnée égale à la mesure de la deuxième voie de mesure du capteur redondé. Le moyen de comparaison peut être configuré pour réaliser les étapes suivantes : on mémorise les estimations des biais au moment où il est déterminé que la différence en valeur absolue entre la mesure de la première voie de mesure et la mesure de la deuxième voie de mesure est supérieure à un seuil prédéterminé et on émet un signal de sélection indiquant au dispositif de sélection de transmettre une mesure sélectionnée égale à la mesure de la voie de mesure du capteur redondé pour laquelle la valeur absolue de son estimation du biais est la plus faible.
Le moyen de comparaison peut être configuré pour réaliser les étapes suivantes : on mémorise sur une fenêtre glissante les estimations des biais au cours du temps, lorsqu’un nombre prédéfini de valeurs sont mémorisées, on détermine la variance ou l’ écart-type des estimations du biais de la première voie de mesure et on détermine la variance ou l’ écart-type des estimations du biais de la deuxième voie de mesure, on compare les variances ou les écart-types obtenus et on émet un signal de sélection indiquant au dispositif de sélection de transmettre une mesure sélectionnée égale à la mesure de la voie de mesure du capteur redondé pour laquelle la variance ou l’ écart-type de l’ estimation de biais associée prend la valeur la plus faible.
Le moyen de comparaison peut être configuré pour réaliser les étapes suivantes : on mémorise les estimations de biais au cours du temps, lorsqu’un nombre prédéfini de valeurs sont mémorisées, on détermine le gradient des estimations du biais de la première voie de mesure et on détermine le gradient des estimation du biais de la deuxième voie de mesure, on compare les gradients obtenus et on émet un signal de sélection indiquant au dispositif de sélection (5c) de transmettre une mesure sélectionnée égale à la voie de mesure du capteur redondé pour laquelle le gradient des estimations du biais associé est le plus faible.
L ’ équipement commandé peut être un actionneur, le système comprenant alors un observateur par filtre de Kalman déterminant une estimation du biais de la première voie de mesure et une estimation du biais de la deuxième voie de mesure en fonction de la au moins une mesure de la grandeur de fonctionnement du dispositif, de la mesure de la première voie de mesure du capteur redondé et de la mesure de la deuxième voie de mesure du capteur redondé, un dispositif de détection comprenant :
• un premier soustracteur déterminant la différence entre la mesure de la première voie de mesure du capteur redondé et la mesure de la deuxième voie de mesure du capteur redondé,
• un premier moyen de comparaison déterminant si la différence entre la mesure de la première voie de mesure du capteur redondé et la mesure de la deuxième voie de mesure du capteur redondé est inférieure à un deuxième seuil, si tel est le cas le premier moyen de comparaison émet un premier signal à destination d’une porte logique,
• un deuxième moyen de comparaison déterminant si l’ estimation du biais de la première voie de mesure est supérieure à un troisième seuil, si tel est le cas le deuxième moyen de comparaison émet un premier signal à destination de la porte logique,
• un troisième moyen de comparaison déterminant si l’ estimation du biais de la deuxième voie de mesure est supérieure au troisième seuil, si tel est le cas le troisième moyen de comparaison émet un premier signal à destination de la porte logique,
• un deuxième soustracteur déterminant la différence entre l’ estimation du biais de la première voie de mesure et l’ estimation du biais de la deuxième voie de mesure,
• un quatrième moyen de comparaison déterminant si la différence entre l’ estimation du biais de la première voie de mesure et l ’estimation du biais de la deuxième voie de mesure est supérieure à un quatrième seuil, avec une hystérésis tenant compte de la précision des deux voies de mesure du capteur redondé, si tel est le cas le quatrième moyen de comparaison émet un premier signal à destination de la porte logique, • la porte logique transmettant un premier signal lorsque toutes ses entrées reçoivent un premier signal, la porte logique transmettant un deuxième signal lorsque toutes ses entrées ne reçoivent pas le premier signal, ce qui permet de détecter la panne d’ actionnement.
Le dispositif peut être un moteur d’ aéronef et les voies de mesure du capteur redondé mesurent la position des vérins de géométrie variable, la position de la valve de dosage carburant, les calages variables des stators du compresseur haute pression du moteur, la mesure de la température en entrée du compresseur haute pression du moteur, ou la mesure de pression statique en entrée de la chambre de combustion du moteur.
Un autre obj et de l’invention est un procédé de commande d’un dispositif muni d’ au moins un équipement, d’ au moins un capteur apte à mesurer une grandeur de fonctionnement du dispositif, et de voies de mesure du capteur redondé pour chaque équipement, le procédé de commande comprenant les étapes suivantes :
• on détermine une commande à destination d’au moins un équipement en fonction de la au moins une mesure de la grandeur de fonctionnement du dispositif et d’une mesure sélectionnée pour l’ équipement commandé, puis
• on détermine la mesure sélectionnée pour le au moins un équipement commandé, par un observateur à filtre de Kalman, en fonction de la au moins une mesure de la grandeur de fonctionnement du dispositif et des mesure des voies de mesures du capteur redondé pour l ’ équipement commandé.
Un autre objet de l’invention est un aéronef muni d’un système de commande ou comprenant un procédé de commande tels que décrits ci-dessus.
Brève description des dessins
D ’ autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’ exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- La figure 1 illustre les principaux éléments d’un système de commande basé sur un filtre de Kalman,
- La figure 2 illustre les principaux éléments du moyen de calcul configuré pour déterminer les estimations de biais dans le système de commande selon l’invention, et
- La figure 3 illustre un dispositif de sélection alternatif appliqué à la détection de pannes d’ actionnement dans le système de commande selon l’invention.
Description détaillée
Le système de commande selon l’invention repose sur l’utilisation d’un même filtre de Kalman (mais alimenté par des voies de mesures différentes) pour détecter et localiser une panne simple d’un capteur redondé afin d’ accommoder l’acquisition sur la voie saine au lieu de choisir arbitrairement une voie et potentiellement sélectionner la mauvaise voie. Dans une application à un aéronef, et à la commande du moteur d’un aéronef, il est alors possible d’ éviter un évènement moteur, tel qu’une perte de commande de poussée LOTC (acronyme « Loss of Thrust Control »).
La figure 1 illustre les principaux éléments d’un système de commande basé sur un observateur de type filtre de Kalman.
Un dispositif 1 , tel qu’un moteur pour un aéronef, est commandé par un moyen de commande 2a, 2b en fonction de la différence entre une consigne CS d’un paramètre de fonctionnement du dispositif 1 (par exemple, la vitesse de rotation dans le cas d’un moteur) et une mesure Y par un capteur 3 du paramètre de fonctionnement du dispositif 1 correspondant à la consigne CS .
La différence entre la consigne CS et la mesure Y est déterminée par l’intermédiaire d’un soustracteur 4.
Le premier moyen de commande 2a peut être un moyen de commande en boucle ouverte ou en boucle fermée et permet de déterminer la commande uc. Le deuxième moyen de commande 2b est un moyen de commande en boucle fermée.
Plus précisément, le premier moyen de commande 2a permet de déterminer une consigne de commande uc en fonction de la différence entre la consigne CS et la mesure Y lorsque le premier moyen de commande 2a est un moyen de commande en boucle fermée. Le premier moyen de commande 2a permet de déterminer une consigne de commande uc en fonction de la mesure Y lorsque le premier moyen de commande 2a est un moyen de commande en boucle ouverte. Cette consigne de commande uc est reçue par un deuxième moyen de commande 2b afin de déterminer une commande u d’ au moins un dispositif l i en tenant compte d’une mesure sélectionnée us reçue d’un moyen de calcul 5 comprenant un observateur basé sur un filtre de Kalman 5a.
On comprendra que l’utilisation de deux moyens de commande 2a, 2b permet de commander plusieurs équipements l i distincts agissant sur les dispositifs en fonction de la mesure Y et/ou de la consigne CS suivant la structure du premier moyen de commande 2a. Dans le cas d’un moteur aéronautique commandé ainsi, les équipements l i commandés peuvent être le doseur de carburant ou les aubes à géométrie variable dudit moteur. Ces équipements contribuent au fonctionnement du moteur, et à la réalisation de la commande, par exemple la vitesse de rotation du moteur. On comprend ainsi que pour réaliser la consigne CS au travers de la mesure Y, la commande u est de type vecteur, et comprend une mesure sélectionnée à destination de chaque équipement l i du dispositif 1. Il est à noter que les grandeurs uc, us, CS, Y, UL et ux peuvent être des vecteurs.
Afin de s ’ assurer que chaque équipement l i réalise la commande déterminée par le deuxième moyen de commande 2b, des voies de mesures 3ia,3ib spécifiques à chaque équipement l i sont employées. Chaque paire de voies de mesures 3ia,3ib est issue de la redondance d’un capteur de mesure et de sa chaine d’acquisition. Ils mesurent ainsi la même grandeur de sorte que la mesure soit toujours disponible même en cas de défaillance d’une de voies de mesures 3ia,3ib d’un capteur spécifique redondé. Les mesures de la première voie de mesure 3ia de plusieurs capteurs (avec i variant 1 à j) peuvent être concaténées dans le vecteur UL . Les mesures de la deuxième voie de mesure 3ib de plusieurs capteurs peuvent être concaténées dans le vecteur ux. Sur la figure 1 , un seul équipement l i est illustré dans un but de lisibilité. On comprendra qu’un moteur pour aéronef est généralement muni de multiples équipements l i, munis chacun d’une paire de capteurs spécifiques redondés 3ia, 3ib.
Néanmoins, cette redondance pose alors le problème de la détermination des voies de mesures 3ia,3ib à prendre en compte dans le calcul de la mesure sélectionnée us à transmettre au deuxième moyen de commande 2b .
En effet, les cas simples comme l’ absence d’un signal ou des signaux identiques peuvent être traités avec des opérateurs logiques. Néanmoins, les cas plus complexes comme une dérive ou biais d’une voie de mesure d’un capteur ne peuvent être traités ainsi.
Le moyen de calcul 5 reçoit en entrée les mesures UL,UX des voies de mesure 3ia,3ib du capteur redondé et une ou des mesures Y du capteur 3. Il émet en sortie le signal de mesure sélectionnée us à destination du deuxième moyen de commande 2b. Le moyen de calcul 5 comprend un observateur basé sur un filtre de Kalman, permettant de déterminer la mesure sélectionnée us en fonction des signaux des capteurs UL,UX,Y . L’observateur est bâti à partir d’un modèle représentatif du dispositif 1 observé et du au moins un équipement l i et permet d’isoler une voie de mesure défaillante provenant d’une des voies de mesures 3ia,3ib de capteur redondé mesurant chaque équipement l i.
La mesure sélectionnée us est obtenue en ajoutant des biais additifs sur les entrées UL, ux. Le filtre de Kalman permet alors, en faisant varier en temps réel les biais additifs sur chacune des entrées du modèle, de faire converger les sorties du modèle avec les mesures moteur Y. La convergence permet d’obtenir un résidu nul. Les biais obtenus représentent alors directement l ’écart entre la mesure réelle de l’ équipement commandé (déterminée par observation via son effet sur le dispositif) et la mesure choisie UL, UX issue d’une des voies de mesure 3ia,3ib du capteur.
Le réglage de la performance du filtre (gains) est réalisé de manière optimale à travers la résolution d’un problème standard (par exemple, équation algébrique de RICCATI).
Plus précisément, le moyen de calcul 5 réalise l’ estimation des biais associée à chaque voie de mesure 3ia ou 3ib du capteur redondé.
Lorsque l’ estimation de biais associée à une voie de mesure 3ia ou 3ib du capteur redondé dépasse un premier seuil maximum prédéfini, la voie de mesure 3ia ou 3ib du capteur redondé est déclarée en panne. L’observateur emploie alors les mesures fournies par l’ autre voie de mesure 3ia ou 3ib du capteur redondé. Cet arbitrage peut être fait sous la forme d’une table de vérité.
La figure 2 illustre les principaux éléments du moyen de calcul 5.
Le moyen de calcul 5 comprend un observateur par filtre de Kalman référencé 5a, un moyen de comparaison 5b, et un dispositif de sélection référencé 5c.
L ’observateur 5a permet de déterminer, en tenant compte d’une ou plusieurs mesures Y, une estimation du biais de la première voie de mesure ûi correspondant à la mesure ui de la première voie de mesure 3ia du capteur redondé et une estimation du biais de la deuxième voie de mesure ûx correspondant à la mesure ux de la deuxième voie de mesure 3ib du capteur redondé.
Le moyen de comparaison 5b est configuré pour déterminer un signal de sélection, noté sel, en fonction de la comparaison de l’ estimation du biais de la première voie de mesure ûi à un premier seuil a, de l’estimation du biais de la deuxième voie de mesure ûx à un premier seuil a, et de l’estimation du biais de la première voie de mesure ûi à l’ estimation du biais de la deuxième voie de mesure ûx. Les signaux booléens associés à ces comparaisons sont transmis à une table de vérité prédéterminée de sorte à déterminer le signal de sélection sel de la valeur à transmettre comme mesure sélectionnée us. Par exemple, si la valeur 1 est attribuée à une comparaison vérifiée, et la valeur 0 est attribuée à une comparaison qui n’ est pas vérifiée, alors la table de vérité comprend les valeurs illustrées par la table [Table 1 ] ,
[Table 1 ]
Figure imgf000015_0001
Les trois premières colonnes correspondent aux entrées de la table, la dernière colonne correspondant au signal de sélection déterminé par la table.
Ainsi lorsqu’ aucune des estimations des biais n’est supérieure au premier seuil prédéterminé a, la valeur sélectionnée est la moyenne des mesures des voies de mesure (3ia,3ib) (ui+ux)/2.
Lorsque l ’estimation du biais de la première voie de mesure ûi n’ est pas supérieure au premier seuil a, et que l’ estimation du biais de la deuxième voie de mesure ûx est supérieure au premier seuil a, la valeur sélectionnée est la mesure de la première voie de mesure ui.
Lorsque l ’estimation du biais de la première voie de mesure ûi est supérieure au premier seuil a, et que l’ estimation du biais de la deuxième voie de mesure ûx n’ est pas supérieure au premier seuil a, la valeur sélectionnée est la mesure ux de la deuxième voie de mesure.
Lorsque l ’estimation du biais de la première voie de mesure ûi est supérieure au premier seuil a, lorsque l’estimation du biais de la deuxième voie de mesure ûx est supérieure au premier seuil a, et lorsque l’ estimation du biais de la première voie de mesure ûi n’ est pas supérieure à l’ estimation du biais de la deuxième voie de mesure ûx, la valeur sélectionnée est la première mesure de la première voie de mesure ui.
Lorsque l ’estimation du biais de la première voie de mesure ûi est supérieure au premier seuil a, lorsque l’ estimations du biais de la deuxième voie de mesure ûx est supérieure au premier seuil a, et lorsque l’ estimation du biais de la première voie de mesure ûi est supérieure à l’ estimation du biais de la deuxième voie de mesure ûx, la valeur sélectionnée est la deuxième mesure ux de la deuxième voie de mesure.
En fonction du résultant des comparaison, le signal de sélection sel est alors transmis au dispositif de sélection 5c recevant également en entrée la mesure ui de la première voie de mesure (3ia) et la mesure Ux de la deuxième voie de mesure (3ib).
Le dispositif de sélection 5c comprend un moyen de calcul 5d configuré pour réaliser la moyenne de la mesure ui de la première voie de mesure (3ia) et de la mesure ux de la deuxième voie de mesure (3ib).
Le dispositif de sélection 5c comprend également une porte logique 5e recevant en entrée d’une part le signal de sélection sel et d’autre part la mesure ui de la première voie de mesure (3ia), la mesure Ux de la deuxième voie de mesure (3 ib) et la moyenne de la mesure ui de la première voie de mesure (3ia) et de la mesure ux de la deuxième voie de mesure (3ib).
En fonction du signal de sélection sel reçu et la comparaison de la valeur absolue de la différence entre la mesure ui de la première voie de mesure (3ia) et la mesure ux de la deuxième voie de mesure (3ib) par rapport à un deuxième seuil prédéfini P, le dispositif de sélection 5c transmet la mesure ui de la première voie de mesure (3ia), la mesure ux de la deuxième voie de mesure (3ib) ou la moyenne de la mesure ui de la première voie de mesure (3ia) et de la mesure ux de la deuxième voie de mesure (3ib) sous forme du signal de mesure sélectionnée us.
La [Table 2] suivante illustre la table de vérité résultant des actions du moyen de comparaison 5b et du dispositif de sélection 5c. [Table 2]
Figure imgf000017_0001
Le système de commande a été décrit en rapport avec une seule grandeur mesurée par deux voies de mesure spécifiques 3ia,3ib d’un capteur redondé. Néanmoins, le système de commande peut être étendu à au moins deux grandeurs mesurées chacune par deux voies de mesure spécifiques de capteurs redondés. Dans ce cas, un même observateur 5a à filtre de Kalman est employé afin de déterminer l’ estimation du biais des voies de mesure pour chaque grandeur prise en charge.
Pour chaque grandeur, on dispose alors de deux estimations de biais, d’un moyen de comparaison avec sa propre table de vérité et avec son propre seuil de comparaison, ainsi d’un moyen de sélection.
Le système de commande permet :
• d’isoler, pour chaque capteur redondé, la voie en panne de la voie saine et de pouvoir ainsi se reconfigurer,
• d’utiliser le même filtre de Kalman alimentée par des voies de mesures différente. Ainsi, contrairement à l’ état de l’ art qui utilise une banque de filtres de Kalman différents, cela permet d’optimiser le système de commande (réduction de l’impact sur la mémoire ou la charge CPU)
• d’obtenir une estimation du biais dépendant directement des mesures et facilement interprétable par la suite (contrairement aux résidus utilisés dans l’ état de l’art)
Appliqué à un aéronef, et notamment à la commande d’un moteur d’un aéronef, le système de commande permet d’ être robuste à la panne pendant le vol et de fournir un diagnostic pour remplacement en fin de mission.
Dans un premier mode de réalisation alternatif, le système de commande selon l’invention permet de prendre en compte la précision du modèle embarqué dans le filtre de Kalman pour la distinguer des effets de dérives des voies de mesure 3ia, 3ib du capteur redondé.
Le modèle embarqué dans le Filtre de Kalman possède une certaine précision qui impacte directement les performances d’ estimation des biais. En effet, si le modèle embarqué n’ est pas parfait, l’ estimation du biais par le filtre de Kalman peut être décomposée de la façon suivante :
Û — U + £mdi
Avec :
• û - Biais estimée par le Filtre de Kalman iais réel vu par le système physique
Figure imgf000018_0001
Erreur de modélisation
Contrairement au mode de réalisation précédant dans lequel l’ estimation du biais est comparée « en absolu » à un premier seuil, ce mode de réalisation alternatif comprend une comparaison « en relatif » de la valeur absolue de l’ estimation des biais local (|ûL |) et cross ( |ûx|).
Ce mode de réalisation alternatif repose sur le constat que l’ erreur de modélisation varie peu dans le temps. Il peut s’ agir, par exemple, du vieillissement du dispositif 1 . Cette erreur de modélisation est aussi identique dans l’estimation de biais correspondant aux voies de mesure 3ia,3ib du capteur redondé car ces estimations de biais sont estimées à partir du même Filtre de Kalman (et donc avec le même modèle embarqué).
En effet, dans l’ exemple où les perturbations |ûL| et |ûx| sont
Figure imgf000018_0002
Avec :
• ûL~ Estimation du biais par le Filtre de Kalman à partir des mesures de la voie locale • ûx- Estimation du biais par le Filtre de Kalman à partir des mesures de la voie cross
• uL ~ Biais réel vu sur la mesure de la voie locale
• ux~ Biais réel vu sur la mesure de la voie cross
Figure imgf000019_0001
m _ m _ Erreur de modélisation (identique)
Par conséquent, le signe de la comparaison |ûL| — |ûx| détermine quelle mesure est la plus éloignée de la grandeur physique réelle et donc quelle mesure a dérivé malgré l’ erreur de modélisation. Le signal de sélection émis permet d’ écarter la valeur provenant du capteur ayant trop dérivé.
Dans ce mode de réalisation, on mémorise les estimations de biais au moment où il est déterminé que la différence en valeur absolue entre la première voie de mesure ul et la deuxième voie de mesure u est supérieure au seuil P, afin de disposer d’une référence. On détermine alors le signe de la comparaison |ûL | — |ûx|.
Si le signe est positif, un signal de sélection est émis permettant de choisi la deuxième mesure ux comme mesure sélectionnée us.
Si le signe est négatif, un signal de sélection est émis permettant de choisi la première mesure UL comme mesure sélectionnée us.
Dans un deuxième mode de réalisation alternatif, le système de commande selon l’invention permet de comparer l’ évolution de la variance ou de l’ écart-type des deux biais pour éviter que des effets de dispersion ne masquent la défaillance des capteurs spécifiques.
Comme présenté ci-dessus, les estimations des biais comprennent une erreur de modélisation commune. A l’imprécision près des mesures des capteurs spécifiques redondés 3ia,3ib, l’ évolution de la variance (ou écart-type) des deux estimations de biais est donc quasi- identique. Par conséquent, si l’ évolution de la variance (ou écart-type) d’une des deux estimations de biais est bien plus rapide que celle de l’ autre estimation de biais, c ’ est que la mesure associée à cette estimation de biais subit une dérive. La voie de mesure correspondant est donc en panne.
Ce mode de réalisation permet notamment de couvrir le cas où la panne a un effet sur la mesure compensant l’ erreur de modélisation et rendant potentiellement plus difficile la localisation de la panne avec le premier mode de réalisation alternatif.
Pour réaliser cela, on mémorise sur une fenêtre glissante les estimations de biais ûL, ûx à chaque itération de l’observateur par filtre de Kalman. Lorsqu’un nombre prédéfini de valeurs sont mémorisées, on détermine la variance ou l’ écart-type des estimations du biais de la première voie de mesure ûL et on détermine la variance ou l’ écart-type des estimations du biais de la deuxième voie de mesure ûx.
On compare les variances ou les écart-types obtenus et on émet un signal de sélection désignant la voie de mesure du capteur redondé pour laquelle la variance ou l’ écart-type de l’estimation du biais associée prend la valeur la plus faible.
Dans un troisième mode de réalisation alternatif, le système de commande selon l’invention permet de comparer l’ évolution du gradient des deux estimations de biais pour tenir compte des dérives du système.
Comme pour le deuxième mode de réalisation alternatif, on mémorise les estimations de biais ûL, ûx à chaque itération de l’observateur par filtre de Kalman. Lorsqu’un nombre prédéfini de valeurs sont mémorisées, on détermine le gradient des estimations du biais de la première voie de mesure ûL et on détermine le gradient des estimations du biais de la deuxième voie de mesure ûx.
On compare les gradients ainsi obtenus et on émet un signal de sélection désignant la voie de mesure du capteur redondé pour laquelle le gradient de l’ estimation de biais associée est le plus faible.
Il est également possible de configurer le système de commande selon l’invention pour détecter les pannes d’ actionnement. Dans le cas d’un moteur aéronautique, on peut citer les pannes d’ actionnement d’un doseur carburant. Pour réaliser cela, on peut réutiliser les sorties du dispositif 5a de type observateur à filtre de Kalman en entrée du dispositif de détection 6, illustré par la figure 3.
Le dispositif de détection 6 comprend un premier soustracteur 6a déterminant la différence entre la mesure de la première voie de mesure 3ia du capteur redondé et la mesure de la deuxième voie de mesure 3ib du même capteur redondé.
Un premier moyen de comparaison 6b détermine si la différence entre la mesure de la première voie de mesure 3ia du capteur redondé et la mesure de la deuxième voie de mesure 3ib du même capteur redondé est inférieure à un deuxième seuil S2. Si tel est le cas, le premier moyen de comparaison émet alors un premier signal à destination de la porte logique 6g.
Un deuxième moyen de comparaison 6c détermine si l’ estimation du biais de la première voie de mesure ûL est supérieure à un troisième seuil S3. Si tel est le cas, le deuxième moyen de comparaison 6c émet un premier signal à destination de la porte logique 6g.
Un troisième moyen de comparaison 6d détermine si l’ estimation du biais de la deuxième voie de mesure ûx est supérieure au troisième seuil S3. Si tel est le cas, le troisième moyen de comparaison 6d émet un premier signal à destination de la porte logique 6g.
Un deuxième soustracteur 6e détermine la différence entre l’ estimation du biais de la première voie de mesure ûL et l’ estimation du biais de la deuxième voie de mesure ûx.
Un quatrième moyen de comparaison 6f détermine si la différence entre l’ estimation du biais de la première voie de mesure ûL et l’ estimation du biais de la deuxième voie de mesure ûx est inférieure à un quatrième seuil S4, avec une hystérésis tenant compte de la précision des deux voies de mesure du capteur redondé. En effet, en cas de panne de l’ actionneur, l’ estimation des deux biais est censée être quasi-identique à l ’erreur de mesure des voies de mesure du capteur redondé près. La présence de l’hystérésis permet de tenir compte de cela. Si tel est le cas, le quatrième moyen de comparaison 6f émet un premier signal à destination de la porte logique 6g. La porte logique 6g transmet un signal lorsque toutes ses entrées reçoivent un premier signal, et pas de signal sinon, ce qui permet de détecter la panne d’ actionnement. Le système de commande selon l’invention peut être configuré pour être appliqué aux capteurs spécifiques redondés mesurant la position des vérins de géométrie variable LVDT (acronyme anglophone pour « Linear Variable Differential Transforme ») comprenant notamment une valve de dosage carburant FMV (acronyme anglophone pour « Fuel Metering Valve » et calages variables des stators du compresseur haute pression VSV (acronyme anglophone pour « Variable Stator Valve »). Il peut également être appliqué à la mesure de la température en entrée du compresseur haute pression, ou à la mesure de pression statique en entrée de la chambre de combustion d’un moteur pour aéronef.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de commande d’un dispositif ( 1 ) muni d’ au moins un équipement (l i), le système de commande comprenant au moins un capteur (3) apte à mesurer chacun une grandeur de fonctionnement du dispositif, et deux voies de mesure (3ia,3ib) du capteur redondé pour chaque équipement ( l i), au moins un moyen de commande imbriquée (2a, 2b) configuré pour déterminer une commande à destination du au moins un équipement ( l i) en fonction de la mesure d’au moins une grandeur de fonctionnement du dispositif ( 1 ) et d’une mesure sélectionnée pour l’équipement ( l i) commandé, le système de commande comprenant en outre un moyen de calcul (5) configuré pour déterminer la mesure sélectionnée pour le au moins un équipement (l i) commandé, par un observateur à base de filtre de Kalman, en fonction de la au moins une mesure de la grandeur de fonctionnement du dispositif ( 1 ) et des mesures des voies de mesure (3ia,3ib) du capteur redondé pour l’équipement commandé ( l i), le moyen de calcul (5) étant en outre configuré pour détecter une panne d’une des voies de mesure (3ia,3ib) du capteur redondé par application d’un observateur à base de filtre de Kalman, en fonction de la au moins une mesure de la grandeur de fonctionnement du dispositif ( 1 ) et des mesures des voies de mesure (3ia,3ib) du capteur redondé pour l’ équipement commandé (l i), de sorte à en exclure la voie de mesure.
2. Système de commande selon la revendication 1 , dans lequel le dispositif ( 1 ) comprend au moins deux équipements ( l i), la mesure sélectionnée pour les au moins deux équipements étant déterminés par le même observateur à base filtre de Kalman.
3. Système de commande selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel le moyen de calcul (5) comprend :
• un observateur de type filtre de Kalman (5a) déterminant une estimation d’un biais de la première voie de mesure et une estimation d’un biais de la deuxième voie de mesure en fonction de la au moins une mesure de la grandeur de fonctionnement du dispositif, de la mesure de la première voie de mesure du capteur redondé et de la mesure de la deuxième voie de mesure du capteur redondé,
• un moyen de comparaison (5b) configuré pour émettre un signal de sélection en fonction des résultats de comparaison de chaque estimation de biais à un premier seuil prédéterminé, du résultat de la comparaison de la valeur absolue de la différence des deux voies de mesure à un deuxième seuil prédéterminé et des estimation de biais entre elles, et
• un dispositif de sélection (5c) configuré pour transmettre la mesure sélectionnée égale à la mesure de la première voie de mesure, à la mesure de la deuxième voie de mesure ou à la moyenne des mesures de la première voie de mesure et de la deuxième voie de mesure en fonction d’un signal de sélection.
4. Système de commande selon la revendication 3 , dans lequel le dispositif de sélection (5c) comprend un moyen de calcul (5 d) configuré pour réaliser la moyenne de la mesure de la première voie de mesure et de la mesure de la deuxième voie de mesure, le dispositif de sélection (5c) comprenant également une porte logique (5e) recevant en entrée d’une part le signal de sélection et d’ autre part la mesure de la première voie de mesure, la mesure de la deuxième voie de mesure et la moyenne de la mesure de la première voie de mesure et de la mesure de la première voie de mesure, la porte logique (5e) étant configurée pour émettre la mesure sélectionnée égale à l’une des valeurs reçues en entrée en fonction du signal de sélection.
5. Système selon l’une quelconque des revendications 3 ou 4, dans lequel le moyen de comparaison (5b) est configuré pour réaliser les étapes suivantes :
• lorsque la valeur absolue de la différence entre la mesure de la première voie de mesure et la mesure de la deuxième voie de mesure est inférieur à un deuxième seuil prédéterminé ou aucune des estimations de biais n’ est supérieure à un premier seuil prédéterminé, le signal de sélection émis indique au dispositif de sélection (5c) de transmettre une mesure sélectionnée égale à la moyenne des mesures des voies de mesure (3 ia, 3 ib) ,
• lorsque la valeur absolue de la différence entre la mesure de la première voie de mesure et la mesure de la deuxième voie de mesure est supérieure à un deuxième seuil prédéterminé et que l’ estimation du biais de la première voie de mesure n’ est pas supérieure à un premier seuil, et que l’ estimation du biais de la deuxième voie de mesure est supérieure au premier seuil, le signal de sélection émis indique au dispositif de sélection (5 c) de transmettre une mesure sélectionnée égale à la mesure de la première voie de mesure (3ia),
• lorsque la valeur absolue de la différence entre la mesure de la première voie de mesure et la mesure de la deuxième voie de mesure est supérieure à un deuxième seuil prédéterminé et que l’ estimation du biais de la première voie de mesure est supérieure au premier seuil, et que l’ estimation du biais de la deuxième voie de mesure n’ est pas supérieure au premier seuil, le signal de sélection émis indique au dispositif de sélection (5c) de transmettre une mesure sélectionnée égale à la mesure de la deuxième voie de mesure (3ib),
• lorsque la valeur absolue de la différence entre la mesure de la première voie de mesure et la mesure de la deuxième voie de mesure est supérieure à un deuxième seuil prédéterminé et que l’ estimation du biais de la première voie de mesure est supérieure au premier seuil, lorsque l’ estimation du biais de la deuxième voie de mesure est supérieure au premier seuil, et lorsque l’ estimation du biais de la première voie de mesure n’ est pas supérieure à l’ estimation du biais de la deuxième voie de mesure, le signal de sélection émis indique au dispositif de sélection (5c) de transmettre une mesure sélectionnée égale à la mesure de la première voie de mesure (3ia), • lorsque la valeur absolue de la différence entre la mesure de la première voie de mesure et la mesure de la deuxième voie de mesure est supérieure à un deuxième seuil prédéterminé et que l’ estimation du biais de la première voie de mesure est supérieure au premier seuil, lorsque la l’ estimation du biais de la deuxième voie de mesure est supérieure au premier seuil, et lorsque l’ estimation du biais de la première voie de mesure est supérieure à l’estimation du biais de la deuxième voie de mesure, le signal de sélection émis indique au dispositif de sélection (5 c) de transmettre une mesure sélectionnée égale à la mesure de la deuxième voie de mesure (3ib).
6. Système de commande selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moyen de comparaison (5b) est configuré pour réaliser les étapes suivantes : on mémorise les estimations des biais au moment où il est déterminé que la différence en valeur absolue entre la mesure de la première voie de mesure et la mesure de la deuxième voie de mesure est supérieure à un seuil prédéterminé et on émet un signal de sélection indiquant au dispositif de sélection (5c) de transmettre une mesure sélectionnée égale à la mesure de la voie de mesure du capteur redondé pour laquelle la valeur absolue de son estimation du biais est la plus faible.
7. Système de commande selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moyen de comparaison (5b) est configuré pour réaliser les étapes suivantes : on mémorise sur une fenêtre glissante les estimations des biais au cours du temps, lorsqu’un nombre prédéfini de valeurs sont mémorisées, on détermine la variance ou l’ écart-type des estimations du biais de la première voie de mesure et on détermine la variance ou l’ écart-type des estimation du biais de la deuxième voie de mesure, on compare les variances ou les écart-types obtenus et on émet un signal de sélection indiquant au dispositif de sélection (5c) de transmettre une mesure sélectionnée égale à la mesure de la voie de mesure du capteur redondé pour laquelle la variance ou l’ écart-type de l’ estimation du biais associée prend la valeur la plus faible.
8. Système de commande selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moyen de comparaison (5b) est configuré pour réaliser les étapes suivantes : on mémorise les estimations du biais au cours du temps, lorsqu’un nombre prédéfini de valeurs sont mémorisées, on détermine le gradient des estimations du biais de la première voie de mesure et on détermine le gradient des estimations du biais de la deuxième voie de mesure, on compare les gradients obtenus et on émet un signal de sélection indiquant au dispositif de sélection (5c) de transmettre une mesure sélectionnée égale à la mesure de la voie de mesure du capteur redondé pour laquelle le gradient de l’ estimation du biais associé est le plus faible.
9. Système de commande selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel l’ équipement ( l i) commandé est un actionneur, le système comprend un observateur par filtre de Kalman (5a) déterminant une estimation d’un biais de la première voie de mesure et une estimation d’un biais de la deuxième voie de mesure en fonction de la au moins une mesure de la grandeur de fonctionnement du dispositif, de la mesure de la première voie de mesure du capteur redondé et de la mesure de la deuxième voie de mesure du capteur redondé, un dispositif de détection (6) comprenant :
• un premier soustracteur (6a) déterminant la différence entre la première voie de mesure (3ia) du capteur redondé et la deuxième voie de mesure (3ib)du capteur redondé,
• un premier moyen de comparaison (6b) déterminant si la différence entre la mesure de la première voie de mesure (3ia) du capteur redondé et la mesure de la deuxième voie de mesure (3ib) du capteur redondé est inférieure à un deuxième seuil, si tel est le cas le premier moyen de comparaison émet un premier signal à destination d’une porte logique (6g),
• un deuxième moyen de comparaison (6c) déterminant si l’ estimation du biais de la première voie de mesure est supérieure à un troisième seuil, si tel est le cas le deuxième moyen de comparaison (6c) émet un premier signal à destination de la porte logique (6g), • un troisième moyen de comparaison (6d) déterminant si l’ estimation du biais de la deuxième voie de mesure est supérieure au troisième seuil, si tel est le cas le troisième moyen de comparaison (6d) émet un premier signal à destination de la porte logique (6g),
• un deuxième soustracteur (6e) déterminant la différence entre l’ estimation du biais de la première voie de mesure et l’ estimation du biais de la deuxième voie de mesure,
• un quatrième moyen de comparaison (6f) déterminant si la différence entre l’ estimation du biais de la première voie de mesure et l ’estimation du biais de la deuxième voie de mesure est inférieure à un quatrième seuil, par une hystérésis tenant compte de la précision des voies de mesure du capteur redondé, si tel est le cas le quatrième moyen de comparaison (6f) émet un premier signal à destination de la porte logique (6g),
• la porte logique (6g) transmettant un signal lorsque toutes ses entrées reçoivent un premier signal, la porte logique (6g) ne transmettant pas de signal lorsque au moins une de ses entrées ne reçoivent pas le premier signal, ce qui permet de détecter une panne de l’ actionneur.
10. Système de commande selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif ( 1 ) est un moteur d’ aéronef et les voies de mesure (3ia,3ib) du capteur redondé mesurent la position des vérins de géométrie variable, la position de la valve de dosage carburant, les calages variables des stators du compresseur haute pression du moteur, la mesure de la température en entrée du compresseur haute pression du moteur, ou la mesure de pression statique en entrée de la chambre de combustion du moteur.
1 1 . Procédé de commande d’un dispositif ( 1 ) muni d’ au moins un équipement ( l i), d’ au moins un capteur (3) apte à mesurer une grandeur de fonctionnement du dispositif ( 1 ), et de voies de mesure (3ia,3ib) du capteur redondé pour chaque équipement ( l i), le procédé de commande comprenant les étapes suivantes : • on détermine une commande à destination d’au moins un équipement (li) en fonction de la au moins une mesure de la grandeur de fonctionnement du dispositif (1) et d’une mesure sélectionnée pour l’équipement (li) commandé, puis « on détermine la mesure sélectionnée pour le au moins un équipement (li) commandé, par un observateur à filtre de Kalman, en fonction de la au moins une mesure de la grandeur de fonctionnement du dispositif (1) et des mesures des de voies de mesure (3ia,3ib) du capteur redondé pour l’équipement commandé (li).
12. Aéronef muni d’un système de commande selon l’une quelconque des revendications 1 à 10 ou comprenant un procédé de commande selon la revendication 11.
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