模型基渦軸發動機傳感器故障診斷研究

劉夢妮，王曦，2，楊超

（1.北京航空航天大學能源與動力工程學院，北京100191；2.先進航空發動機協同創新中心，北京100191；3.中航空天發動機研究院有限公司，北京101304）

模型基渦軸發動機傳感器故障診斷研究

劉夢妮1，王曦1，2，楊超3

（1.北京航空航天大學能源與動力工程學院，北京100191；2.先進航空發動機協同創新中心，北京100191；3.中航空天發動機研究院有限公司，北京101304）

基于干擾解耦思想，針對渦軸發動機工作中傳感器瞬時斷路硬故障模式，提出一種基于模型的渦軸發動機未知輸入觀測器傳感器硬故障診斷方法。通過對地面、高空工作的渦軸發動機不同傳感器故障的模擬，驗證了該故障診斷方法的有效性。結果表明，基于模型設計的未知輸入觀測器（UIO），能夠對系統輸入中的測量干擾未知輸入信號進行有效解耦，同時傳感器故障信息通過UIO計算獲得的輸出估計具有魯棒殘差性能。

航空發動機；未知輸入觀測器；傳感器；故障診斷；干擾解耦；殘差加權平方和；仿真

1　引言

渦軸發動機控制系統通過傳感器反饋發動機的重要工作參數，并計算出燃油指令，再由執行機構操縱供油裝置實現對發動機工作狀態的控制。渦軸發動機控制系統結構復雜，傳感器數目多且工作在高溫及強振動惡劣環境中，是系統中最不可靠的控制元件之一。因此，在發動機工作過程中，需要及時準確地診斷出傳感器的錯誤，并重構故障傳感器正確的信號。

早在上世紀70年代，國外就已開始研發用于發動機控制系統的解析余度技術。80年代中期，美國圍繞傳感器故障的檢測、隔離和重構（DIA）開展了一系列研究，其中較成功的有NASA劉易斯研究中心的ADIA計劃。該計劃全面總結了當時各種適用于航空發動機的傳感器故障檢測、隔離、重構算法，計劃取得的成果已在F100等發動機上得到成功驗證。NASA還主持了改進發動機控制可靠性的解析余度設計（ARTERI）計劃，該計劃的設計技術也已用于GE23A發動機。其采用的發動機部件跟蹤濾波器能隨時修正機載的發動機實時模型，使之與實際發動機相匹配而具有一定的魯棒性［1-2］。

在上述諸多基于解析余度的發動機故障診斷研究中，Kalman濾波器被廣泛使用，研究結果也證明了Kalman濾波器對處理發動機故障診斷問題的有效性［3-5］。但Kalman濾波過程中要求動態系統的噪聲符合高斯正態分布，而發動機模型偏差、非結構性模型不確定性和外界飛行環境變化等因素，可能會造成系統模型不滿足白噪聲干擾假設，因此Kalman濾波器的應用受到一定制約。近年來，基于動態系統模型的未知輸入觀測器（UIO）診斷理論研究發展很快［6］。雖然UIO在航空發動機故障診斷方面的應用剛剛開始［7-8］，但其具有的故障信息和測量干擾噪聲能夠解耦的重要特點，突破了Kalman濾波器受噪聲敏感而影響故障診斷效果的難點，在航空發動機故障診斷領域具有潛在的應用價值。

本文針對渦軸發動機控制系統傳感器硬故障，參考上述文獻中解析余度的思想，利用一類先進的、具有更好性能的濾波器——未知輸入觀測器，提出一種模型基傳感器故障診斷方法，并通過不同傳感器的故障模擬對該方法的有效性進行仿真驗證。

2　未知輸入觀測器設計

基于UIO的故障診斷方法是一種基于模型的故障診斷技術。在系統工作條件以及建模誤差變化等因素影響下，系統輸入存在不確定性。作為被診斷線性系統模型中的加性未知輸入，若能獲得這些未知輸入的分布矩陣，UIO則可將這一未知輸入信號從被估計系統狀態中解耦出來，由此生成的輸出估計殘差向量僅包含故障信息，這種殘差定義為魯棒殘差。

易知，發動機在穩態工作點附近的工作狀態模型可以用一個線性模型來表示，而考慮傳感器故障的發動機線性模型可表示為：

根據上述系統，未知輸入觀測器可設計為：

為保證動態系統能設計出如式（2）所示的全階未知輸入觀測器，UIO的存在定理如引理1所述［6-7］。

引理1式（2）所示觀測器是式（1）所示線性系統的UIO的充分必要條件是：

要使UIO觀測出的系統狀態和被診斷系統（式（1））中狀態向量的殘差與系統干擾項解耦，則該殘差動態應與E無關，且殘差動態方程自治漸進穩定。由此，UIO（式（2））有解條件為下述方程組有解，且系統矩陣F的特征值穩定。

上式表明，若構造的UIO有解，則輸出的估計殘差向量與未知輸入干擾向量無關。當未知輸入被定義為發動機不同工況下系統狀態與標稱線性模型（即式（1）中均為0）情況間的差異時，可得到不同的干擾分布矩陣。依據不同的干擾分布矩陣設計出的不同UIO參數，可根據表征發動機工作狀態的變量（本文選取燃氣發生器換算轉速）進行調度，使得用于故障診斷的觀測器殘差具有很強的魯棒性，即狀態估計性能不會隨發動機工作狀態的變化而變差。因此，無論是在地面還是高空工作狀態下，當系統未發生傳感器故障時，輸出估計殘差向量的范數值都很小；反之，則輸出估計殘差向量的范數值將很大。根據這一特性，建立傳感器故障檢測判據。

定義傳感器故障檢測信號為：

2.吃雜 在飲食上，不管自己是否喜歡，各種各類食物都適當吃一些，只有如此，才不致于偏食，才能真正做到科學合理的多品種配餐，使各種營養物質達到平衡協調。根據中醫學理論，五味（酸、甜、甘、咸、辛）的偏嗜，會破壞人體的協調統一，導致疾病。什么都吃，也就是吃雜，對身體健康是有益的。

式中：ε為故障報警閾值。

因此，對傳感器故障時的診斷問題可歸結為未知輸入觀測器的設計問題，當滿足引理1 UIO有解的充分必要條件時，可按下述步驟設計出UIO。

步驟2：計算H、T及A1。， T=1-HC，A1=TA。

步驟4：能觀標準型分解，構造變換矩陣P。從W0（W0為的能觀矩陣）中選擇個不相關的獨立行向量，與其他n-n1個行向量構成非奇異值矩陣：。

步驟7：選擇n1個期望的特征值，用極點配置方法將其分配給。

步驟9：計算矩陣F與K。F=A1-K1C，K=K1+K2=K1+FH。

步驟10：結束。

3　基于UIO的渦軸發動機傳感器故障診斷

帶有傳感器故障診斷功能（FDIA）的渦軸發動機控制系統結構如圖1所示。渦軸發動機傳感器故障診斷結構如圖2所示，包括最優未知輸入觀測器組（m個）、故障檢測單元及故障隔離和重構單元。每個被檢測傳感器的觀測器的輸入，包含控制器的輸出信號和除去該路被檢測傳感器外的其他所有傳感器測量信號。將觀測器組獲得的輸出估計殘差加權平方和（WSSR）作為故障指示信號，故障檢測模塊根據WSSR的結果獲得故障信息。對于傳感器斷路硬故障，以傳感器測量值偏離正常值65%時狀態估計的WSSR作為故障檢測的設計閾值，文中定義WSSR=‖r（t）‖2。

圖1　渦軸發動機控制系統傳感器故障診斷結構Fig.1 Structure of sensor fault diagnosis for turboshaft engine control system

圖2　基于UIO傳感器故障診斷系統結構Fig.2 Structure of UIO-based sensor fault diagnosis system

若傳感器無故障發生，控制系統采用傳感器的測量值控制發動機正常運行。當單路傳感器發生硬故障時，故障檢測模塊的WSSR將超出閾值，再根據傳感器故障檢測邏輯決策表定位故障傳感器，并進行隔離和重構，由重構信號代替故障傳感器信號反饋給控制系統，以保證控制系統在傳感器故障狀態下仍能正常工作，使發動機安全可靠運行。

4　渦軸發動機傳感器故障診斷仿真驗證

渦軸發動機狀態變量、輸入變量與輸出變量分別為：

式中：NG為燃氣發生器轉子轉速，NP為動力渦輪轉子轉速，p3為壓氣機出口總壓，p41為燃氣發生器渦輪入口氣體總壓，p45為動力渦輪入口氣體總壓，Wf為發動機供油量，XPCP為直升機總距桿位置（用占最大位置角度的百分比表示），QPT為發動機輸出扭矩，T45為動力渦輪入口總溫，ps3為壓氣機出口靜壓。

定義故障指示信號Error signal，0代表無傳感器故障，1代表QPT傳感器故障，2代表NP傳感器故障，3代表NG傳感器故障，4代表T45傳感器故障，5代表ps3傳感器故障。

針對單路傳感器硬故障模式，采取故障時隔離、重構，非故障時恢復的原則，采用大偏離線性變參數調度模型重構故障傳感器信號。在海平面標準大氣（ISA）條件下，直升機總距桿位置為95%，保持動力渦輪轉速為額定轉速不變，圖3～圖7給出了上述5路傳感器在20 s時刻分別發生斷路故障的仿真曲線。各圖中，上子圖為診斷系統的故障指示信號，下子圖為故障傳感器回路給控制系統的反饋信號。可見，任意一路傳感器發生故障后，故障診斷系統都能及時診斷出是哪路傳感器故障；經定位、隔離、重構后，控制系統能采用重構信號代替故障傳感器繼續正常工作。

圖3　標準大氣條件下發動機輸出扭矩傳感器故障診斷仿真Fig.3 Simulation ofQPTsensor fault diagnosis on ISA

圖4　標準大氣條件下動力渦輪轉子轉速傳感器故障診斷仿真Fig.4 Simulation ofNPsensor fault diagnosis on ISA

圖5　標準大氣條件下燃氣發生器轉子轉速傳感器故障診斷仿真Fig.5 Simulation ofNGsensor fault diagnosis on ISA

圖6　標準大氣條件下動力渦輪入口總溫傳感器故障診斷仿真Fig.6 Simulation ofT45sensor fault diagnosis on ISA

圖7　標準大氣條件下壓氣機出口靜壓傳感器故障診斷仿真驗證Fig.7 Simulation ofps3sensor fault diagnosis on ISA

在非標準大氣、飛行高度6 km條件下，直升機總距桿位置為80%，保持動力渦輪轉速為額定轉速不變，圖8～圖12給出了上述5路傳感器在20 s時刻分別發生斷路故障的仿真曲線。此時，用表征發動機工作狀態的燃氣發生器換算轉速得到該工況下的干擾分布矩陣，從而計算得到合適的UIO參數。從圖中可知，任意一路傳感器在高空發生故障后，故障診斷系統也都能及時診斷出是哪路傳感器故障；經定位、隔離、重構后，控制系統也能采用重構信號代替故障傳感器繼續正常工作。

圖8　高空6 km條件下發動機輸出扭矩傳感器故障診斷仿真Fig.8 Simulation ofQPTsensor fault diagnosis on 6 km

圖9　高空6 km條件下動力渦輪轉子轉速傳感器故障診斷仿真Fig.9 Simulation ofNPsensor fault diagnosis on 6 km

圖10　高空6 km條件下燃氣發生器轉子轉速傳感器故障診斷仿真Fig.10 Simulation ofNGsensor fault diagnosis on 6 km

圖11　高空6 km條件下動力渦輪入口總溫傳感器故障診斷仿真Fig.11 Simulation ofT45sensor fault diagnosis on 6 km

圖12　高空6 km條件下壓氣機出口靜壓傳感器故障診斷仿真Fig.12 Simulation ofps3sensor fault diagnosis on 6 km

5　結論

本文針對渦軸發動機工作過程中傳感器瞬時斷路硬故障，利用解析余度的思想，提出一種基于模型的未知輸入觀測器的傳感器故障診斷的設計方法，并通過地面、高空工作的渦軸發動機不同傳感器故障模擬，仿真驗證了該方法能有效診斷傳感器的瞬時斷路故障，診斷結果具有一定的魯棒性。實驗結果表明，當傳感器發生某路故障時，通過基于模型設計的未知輸入觀測器，能夠對系統輸入中的測量干擾未知輸入信號進行有效解耦，將傳感器故障信息通過UIO計算獲得輸出估計魯棒殘差，及時診斷傳感器故障；經定位、隔離、重構后，控制系統可采用重構信號代替故障傳感器繼續正常工作，提高了控制系統的工作可靠性。

［1］Swan J A，Vizzini R W.Analytical redundancy design for improved engine control reliability-final review［R］.AIAA 88-3176，1988.

［2］Garg S.NASA Glenn Research in controls and diagnostics for intelligent aerospace propulsion systems［R］.AIAA 2005-6906，2005.

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［5］Kobayashi T，Simon D L.Application of a bank of Kalman filters for aircraft engine fault diagnostics［R］.ASME GT2003-38550，2003.

［6］Chen J，Patton R J.Robust model-based fault diagnosis for dynamic systems［M］.USA：Kluwer Academic Publishers，1999.

［7］何皚.基于LMI的航空發動機智能容錯控制技術研究［D］.北京：北京航空航天大學，2012.

［8］楊超.渦軸發動機控制系統及故障診斷研究［D］.北京：北京航空航天大學，2014.

Model-based sensor fault diagnosis for turboshaft engine

LIU Meng-ni1，WANG Xi1，2，YANG Chao3
（1.School of Energy and Power Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China；2.Collaborative Innovation Center for Advanced Aero-Engine，Beijing 100191，China；3.China Aviation Engine Establishment，Beijing 101304，China）

Focus on the sensor instant open circuit hard fault mode of operating states for turboshaft engine, the fault diagnosis method based on model unknown input observer（UIO）and disturbance input decoupling was proposed.Through the simulation of different sensor faults occur in ground and altitude operating conditions for turboshaft engine,the effectiveness of detection process algorithm was verified.Moreover,the results show that the designed unknown input observer based on model can be decoupling with unknown disturbance input signals into systems；in addition,the sensor fault information of the output evaluation obtained from calculation on established unknown input observer will possess robust residual performance.

aero-engine；unknown input observer；sensor；fault diagnosis；disturbance decoupling；weighted sum-squared residual；simulation

V233.7

A

1672-2620（2016）03-0025-05

2015-09-14；

2016-01-16

劉夢妮（1991-），女，湖南常德人，碩士研究生，主要從事為航空發動機控制研究。