航空發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)研究

郭迎清，李睿，薛薇

（西北工業(yè)大學(xué)動力與能源學(xué)院，西安710072）

1 引言

航空發(fā)動機(jī)是飛機(jī)的重要部件，一旦發(fā)生事故，將會造成巨大損失。因此，提高航空發(fā)動機(jī)的可靠性有著重要意義。隨著航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，其維護(hù)和保障費(fèi)用日益增多，經(jīng)濟(jì)可承受性成為不可回避的問題[1]。在提高發(fā)動機(jī)可靠性的前提下，減少發(fā)動機(jī)的維護(hù)和保障費(fèi)用成為重要研究方向[2]。

傳統(tǒng)的維修方式以定期維護(hù)為主，但這種方式?jīng)]有考慮到發(fā)動機(jī)的個體健康狀況不同。部分發(fā)動機(jī)在較好的健康狀況下就被維修，而部分發(fā)動機(jī)因為在維修前出現(xiàn)故障但未得到及時處理，使其可靠性不能得到較好保障，同時維護(hù)費(fèi)用無法有效降低[3]。解決這一問題的1種有效辦法就是根據(jù)發(fā)動機(jī)的健康狀況信息進(jìn)行維護(hù)和故障的預(yù)測，以實現(xiàn)由定期維修向視情維修的轉(zhuǎn)變[4]。視情維修要求推進(jìn)系統(tǒng)具有對故障進(jìn)行預(yù)測并對自身的健康狀態(tài)進(jìn)行管理的能力。實現(xiàn)發(fā)動機(jī)健康狀況自動監(jiān)控、故障預(yù)測診斷、使用壽命延長、安全工作保證和維護(hù)成本減少是研制新一代航空發(fā)動機(jī)的重要內(nèi)容[5]。發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)是開展視情維修的關(guān)鍵，也是發(fā)動機(jī)健康管理系統(tǒng)的重要組成部分。

本文借鑒國外發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的研究經(jīng)驗，對發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)功能、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行研究，并設(shè)計了狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中的機(jī)載狀態(tài)監(jiān)控原理樣機(jī)。

2 國外發(fā)展情況

在最近幾年，發(fā)動機(jī)健康管理研究主要包括4方面：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、發(fā)動機(jī)健康管理的功能、部件故障的診斷和預(yù)測算法[2]。Dr.Michael J.Roemer提出了包含數(shù)據(jù)管理模塊、健康參數(shù)模塊、診斷模塊、壽命模塊的發(fā)動機(jī)健康監(jiān)控系統(tǒng)[6]，實現(xiàn)了先進(jìn)故障診斷算法、性能估計、傳感器有效性驗證、虛擬傳感器、短/長期監(jiān)控和部件實時壽命算法等功能。其中，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的先進(jìn)故障模型技術(shù)和基于模糊邏輯專家系統(tǒng)的決策分析技術(shù)表現(xiàn)出了較好的性能。SqnLdr Andrew Alcock和Duncan Shepherd利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型處理包括燃油碎屑、氣路分析等數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)動機(jī)狀態(tài)的預(yù)測和診斷[7]。Litt,Jonathan等描述了應(yīng)用航空發(fā)動機(jī)健康管理數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘所取得的成績和實現(xiàn)的過程，證明數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)可以用于增加推進(jìn)系統(tǒng)的安全性，降低推進(jìn)系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用[8]。Donald L.Simon等已經(jīng)將其所研發(fā)的發(fā)動機(jī)健康管理系統(tǒng)裝載到C-17與T-1飛機(jī)上進(jìn)行了機(jī)載測試，為發(fā)動機(jī)健康管理系統(tǒng)的工程化應(yīng)用奠定了良好而堅實的基礎(chǔ)[9]。

下面將以Trent900發(fā)動機(jī)為例，概括說明這一具有代表性的發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。Trent900發(fā)動機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要根據(jù)以下2個原則進(jìn)行設(shè)計[10]：

通過預(yù)測，避免部分故障的發(fā)生，以降低使用中的經(jīng)濟(jì)損失；

獲得充分的歷史數(shù)據(jù)，分析這些數(shù)據(jù)，獲得特征信息，根據(jù)這些信息改變維修計劃。這樣就為實現(xiàn)視情維修打下了基礎(chǔ)。

Trent900發(fā)動機(jī)健康監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程如圖1所示。發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的重要性不同，有2種傳輸方式，分別為飛行中傳輸和降落后傳輸。地面部分利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，生成發(fā)動機(jī)維護(hù)報告。根據(jù)此報告修改發(fā)動機(jī)的維修計劃，更改機(jī)載狀態(tài)監(jiān)控器中的機(jī)載模型。更新后的機(jī)載狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)控制器協(xié)調(diào)工作，在飛行中實時監(jiān)控發(fā)動機(jī)的運(yùn)行狀況，并將監(jiān)控的結(jié)果傳遞給飛機(jī)系統(tǒng)。

Trent900發(fā)動機(jī)的機(jī)載監(jiān)控系統(tǒng)是發(fā)動機(jī)控制與監(jiān)控系統(tǒng)中的子系統(tǒng)，它的主要輸入?yún)?shù)、功能、輸出信號見表1。

表1 Trent900發(fā)動機(jī)機(jī)載監(jiān)控系統(tǒng)主要功能及輸入輸出參數(shù)

Trent900發(fā)動機(jī)機(jī)載健康監(jiān)控系統(tǒng)是發(fā)動機(jī)控制與監(jiān)控系統(tǒng)中的1個子系統(tǒng)。這一系統(tǒng)是針對每臺發(fā)動機(jī)進(jìn)行獨(dú)立配置的，以便減少發(fā)動機(jī)的個體差異對故障診斷的影響，以達(dá)到減少故障誤報率的目的。其利用特征分析的方法，進(jìn)行故障的地面預(yù)測。各地面站之間利用網(wǎng)絡(luò)通訊方式，傳遞相關(guān)數(shù)據(jù)。Trent900發(fā)動機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的功能如圖2所示。

Trent900發(fā)動機(jī)健康監(jiān)控系統(tǒng)并未實現(xiàn)過多復(fù)雜的功能，但已經(jīng)構(gòu)建了較良好的架構(gòu)，特別是對于飛行數(shù)據(jù)的地面處理。其采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將每次的飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行了最大程度的利用。實際運(yùn)行效果顯示，此結(jié)構(gòu)可較好的進(jìn)行發(fā)動機(jī)的狀態(tài)監(jiān)控。

3 狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

3.1 功能需求

發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)下述全部或部分功能。

（1）在線運(yùn)行故障診斷算法。當(dāng)檢測出故障時，提示飛行員故障的類型及程度，與控制器通訊，改變控制方法，避免造成飛行事故。

（2）提供飛行中或地面上發(fā)生的事件。存儲相關(guān)數(shù)據(jù)供飛行后對事件進(jìn)行分析[11]。

（3）提供累計信息，如發(fā)動機(jī)的啟動次數(shù)、工作時間、循環(huán)次數(shù)等，利用測量參數(shù)確定發(fā)動機(jī)所處工作狀態(tài)的工作時間，評定發(fā)動機(jī)的使用程度。

（4）支持發(fā)動機(jī)的管理和后勤決策，向訂購、設(shè)計制造部門反饋信息，改進(jìn)產(chǎn)品的使用及維修以及產(chǎn)品的設(shè)計與制造[12]。

3.2 狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

由于機(jī)載CPU的運(yùn)行速度等原因，機(jī)載CPU無法實現(xiàn)發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的全部功能，所以將狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)分為機(jī)載和地面2部分。這種結(jié)構(gòu)是現(xiàn)在被公認(rèn)的合理結(jié)構(gòu)[2]。

設(shè)計發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2.1 機(jī)載部分

發(fā)動機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器、控制器為原推進(jìn)系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上引入狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。機(jī)載狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)由采集單元、處理單元、存儲單元等部分組成。采集單元除了要采集傳統(tǒng)的用于發(fā)動機(jī)控制的狀態(tài)量外，還在采集狀態(tài)監(jiān)控需要的擴(kuò)展參數(shù)，這些參數(shù)主要分為以下幾類：

（1）表征發(fā)動機(jī)當(dāng)前工作狀態(tài)的狀態(tài)量，如：各主要截面參數(shù)。

（2）控制器輸出的控制量。

（3）飛行員的控制指令。

處理單元根據(jù)采集單元傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理。處理單元若檢測到故障，則將故障信息傳遞給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)根據(jù)故障的類型及程度，采取相應(yīng)的控制方法，同時在駕駛艙顯示報警信號。報警信號可根據(jù)故障的程度不同以聲音或指示燈等方式發(fā)出，并可以由飛行員手動確認(rèn)加以消除。

數(shù)據(jù)存儲單元負(fù)責(zé)記錄采集單元所采集的數(shù)據(jù)和處理單元的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，以便傳輸給地面部分進(jìn)行后期復(fù)雜的分析。對于需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，由于不同數(shù)據(jù)的重要性不同，部分?jǐn)?shù)據(jù)通過飛機(jī)系統(tǒng)在飛行中直接傳送回地面，部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲在機(jī)載狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中，當(dāng)飛行結(jié)束后導(dǎo)入地面設(shè)備。

3.2.2 地面部分

由于地面部分比機(jī)載部分有硬件處理速度上的優(yōu)勢，所以地面部分具有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)管理和分析能力，可實現(xiàn)更復(fù)雜的功能[2]。在飛機(jī)降落后，將機(jī)載部分的飛行數(shù)據(jù)導(dǎo)入到便攜式外場設(shè)備，在地面進(jìn)行較復(fù)雜分析。地面部分的主要功能包括數(shù)據(jù)有效性檢查，數(shù)據(jù)濾波，各功能模塊中的趨勢分析和故障診斷算法，使用壽命的各種指標(biāo)算法，用戶報告生成軟件，數(shù)據(jù)庫管理。最后將不同發(fā)動機(jī)的便攜式外場設(shè)備中的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，結(jié)合發(fā)動機(jī)的原始試車數(shù)據(jù)，為后續(xù)的健康管理工作提供基本的數(shù)據(jù)支持。

3.3 監(jiān)控參數(shù)與監(jiān)控事件的選擇

發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)，是通過表征發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)的各種事件來體現(xiàn)的。這些事件被稱為監(jiān)控事件[11]。為了保證監(jiān)控事件可以很好地反映發(fā)動機(jī)的健康狀態(tài)，至少需要監(jiān)控以下2類事件。

監(jiān)控參數(shù)過高或過低等表征發(fā)動機(jī)非正常工作狀態(tài)的事件。

加力接通、武器發(fā)射等表征發(fā)動機(jī)工作模式改變的事件。

選擇以上監(jiān)控事件的原因是：監(jiān)控參數(shù)正常可反應(yīng)發(fā)動機(jī)健康狀況良好。當(dāng)發(fā)動機(jī)出現(xiàn)加力接通、武器發(fā)射等工作模式時，監(jiān)控參數(shù)會出現(xiàn)較明顯的改變，而這些改變不能說明發(fā)動機(jī)處于非正常工作狀態(tài)。本文選擇的主要監(jiān)控事件見表2，這些事件可以根據(jù)實際需求及條件進(jìn)行擴(kuò)充。

監(jiān)控事件是通過監(jiān)控參數(shù)來反映的，監(jiān)控參數(shù)主要包括直接測量參數(shù)與間接測量參數(shù)，一些組合參數(shù)也可以反映發(fā)動機(jī)的健康情況[13,14]。對于監(jiān)控參數(shù)的選擇，可以根據(jù)實際需要進(jìn)行改變。

表2 發(fā)動機(jī)的監(jiān)控事件

4 機(jī)載狀態(tài)監(jiān)控原理樣機(jī)的實現(xiàn)

在完成了機(jī)載狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計后，本文實現(xiàn)了機(jī)載狀態(tài)監(jiān)控原理樣機(jī)。為了提高機(jī)載狀態(tài)監(jiān)控原理樣機(jī)開發(fā)速度，采用宿主機(jī)/目標(biāo)機(jī)模式，并結(jié)合代碼自動生成技術(shù)[15]達(dá)到了提高代碼的可靠性以及開發(fā)速度的目的。

4.1 機(jī)載狀態(tài)監(jiān)控原理樣機(jī)功能

機(jī)載狀態(tài)監(jiān)控原理樣機(jī)主要實現(xiàn)功能如圖4所示。

機(jī)載狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，除了要監(jiān)控發(fā)動機(jī)重要截面參數(shù)是否超過門限外，還要引入健康管理系統(tǒng)的一些功能，如性能分析，壽命預(yù)測，故障診斷的算法。當(dāng)然，由于考慮到機(jī)載CPU的運(yùn)行速度，算法不能過于復(fù)雜。

狀態(tài)改變的監(jiān)控主要包括監(jiān)控發(fā)動機(jī)是否打開加力，是否進(jìn)入作戰(zhàn)狀態(tài)等，故障診斷部分包括：控制系統(tǒng)、氣路、滑油、振動的診斷。這些是機(jī)載狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的核心功能。當(dāng)檢測出異常時采取相應(yīng)的措施。機(jī)載模型是為一些基于模型的算法提供基本的支持。性能分析、壽命預(yù)測等算法要根據(jù)實際情況進(jìn)行算法速度的評估。數(shù)據(jù)管理功能主要包括數(shù)據(jù)的飛行中傳輸與存儲數(shù)據(jù)在降落后傳輸給地面2部分。與其它設(shè)備的通訊主要為與飛機(jī)系統(tǒng)及發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的通訊。

4.2 機(jī)載狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)原理樣機(jī)實現(xiàn)

由于機(jī)載狀態(tài)監(jiān)控原理樣機(jī)要實現(xiàn)一些較傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)更為復(fù)雜的算法。為了提高算法，轉(zhuǎn)化了可執(zhí)行于硬件上程序的可靠性和速度。本文利用自動代碼生成技術(shù)實現(xiàn)機(jī)載狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)原理樣機(jī)，同時，為了保證顯示的直觀，人機(jī)界面的友好，利用虛擬儀器語言調(diào)用API函數(shù)方式完成了人機(jī)界面的編寫。機(jī)載狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)及其仿真平臺的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)仿真平臺由主工作站、發(fā)動機(jī)模型、狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)3部分組成，發(fā)動機(jī)模型與狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)組成硬件實時仿真回路。主工作站利用Matlab中的自動下載代碼功能，完成由Simulink模型到可執(zhí)行于硬件的程序的編譯、下載，并以TCP/IP方式將可執(zhí)行程序下載到實時回路中進(jìn)行硬件在回路中的仿真。

用戶可以通過主工作站在發(fā)動機(jī)模型端實時加入典型故障，改變發(fā)動機(jī)的蛻化程度。利用LabWindwos/CVI結(jié)合xPC系統(tǒng)API函數(shù)開發(fā)的界面，可以保證程序的結(jié)果在主工作站實時顯示。其中包括發(fā)動機(jī)及傳感器故障的類型及等級，發(fā)動機(jī)性能蛻化的估計，主要部件壽命的預(yù)測等。

在實驗結(jié)束后，實驗結(jié)果可以轉(zhuǎn)化為Matlab支持的數(shù)據(jù)，也可以將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Access數(shù)據(jù)庫中。發(fā)動機(jī)模型部分界面如圖6所示，狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖7所示。

4.3 部分功能的驗證

在前文搭建的仿真平臺上驗證傳感器故障診斷算法以及對發(fā)動機(jī)部件性能衰減的估計結(jié)果。低壓轉(zhuǎn)子傳感器軟故障的算法仿真結(jié)果如圖8所示，是基于1組卡爾曼濾波器的傳感器軟故障診斷及隔離算法[13]。以風(fēng)扇效率衰減2%為例，對發(fā)動機(jī)重要部件性能衰減的估計情況如圖9所示[14]。

由實驗結(jié)果可以看出，2種算法與軟件仿真結(jié)果一致，本文設(shè)計的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)可較好的實現(xiàn)發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的重要功能。

5 結(jié)論

本文借鑒國外典型的發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，闡述了發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并利用代碼自動生成技術(shù)，實現(xiàn)了機(jī)載發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)原理樣機(jī)的重要功能。實驗結(jié)果顯示，原理樣機(jī)可較好的實現(xiàn)機(jī)載狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能，對發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的研究有一定的意義。

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