基于卡尔曼滤波器组的航空发动机传感器故障诊断

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

Aircraft Engine Sensor Fault Diagnosis Based 0n Kalman置iltersZHAO Wen-bo。YE Zhi-feng，WANG Ji-qiang(Colege of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)Abstract：Based on the nonlinear aero-engine model and according to the theory of Kalman filtering，this article designs an aero-engine fault tolerant control system on account of a bank of Kalman filters to realize the goal of single or multiple step or drift sensorfault detection.Using this method，the simulation experiment is done on certain aero-engine mode1.The simulation resus show thatthis method can be used to detect sensor fault fast and accurately and the validity of the method is identifiedKey words：aero-engine；kalman filter；sensor fault diagnosis；fault-tolerant伴随 FADEC(全权限数字电子控制)系统的深入发展，大量电子元件 、执行机构以及传感器等在航空发动机上的广泛应用对发动机可靠性提出更高的要求，特别是发动机传感器大多工作在高温、高压、强振动等恶劣的工作环境中，传感器故障的及时诊断在业界也越来越引起广泛重视。基于卡尔曼滤波器组的传感器故障诊断方法是-种相对比较成熟的诊断算法 ，且在 F100等发动机上已经成功验证。

本文以某型涡扇发动机为例，选取高压转子转速 Nh，低压转子转速 Ⅳ2，燃烧室出口温度 P4及出口压力 74等4个传感器为研究对象，探讨验证应用卡尔曼滤波器组进行传感器软故障、硬故障诊断的可行性，在前人应用此法进行传感器故障诊断的基础上，特别论证了在发动机供油动态的情形下，该方法依然能对传感器的突变及漂移故障进行有效检测。

1 卡尔曼滤波器组进行传感器故障诊断的原理传感器故障诊断的原理如图 1所示， 和 表示为发动机系统噪声以及测量噪声 ，用 U表示发动机的输入供油量 ，y表示发动机的输出量 Nh，Nl，P4，T4，每-个传感器对应-个卡尔曼滤波器 1。 (卡尔曼滤波器可以通过测量与被提取信号的相关量计算估计出所需要的信号，此被估计信号是由白噪声激励引发的)，该滤波器的输入信息为除该传感器外其余三个传感器的观测输出信号，如对应Nh传感器的滤波器的输入信息为 Nl，P4，T4三个传感器的观测输出信号。图 1中滤波器 FilterO的输入信息为所有传感器的观测输入信号～滤波器的输出信息进行处理，形成-组残差加权二乘方的统计量 WSSR。

WSSR (e)(∑) e， 1，2，3，4 (1)式中，卡尔曼滤波器的估计值与卡尔曼滤波器输入值之差e为残差，第 i个卡尔曼滤波器的残差为：ey -Y ，i1，2，3，4 (2)∑diag[ I] (3)其中 是传感器的标准偏差。

将 WSSR 与 WSSR0做差，得到：LR WSSRo-WSSR (4)这里，如果第i个传感器产生故障，那么第i个卡尔曼滤波器由于没有使用对应的故障传感器的观测信息 ，因此它的估计结果是正确的。而其他的卡尔曼滤波器由于使用了故障传感器的输出信号使得估计结果都偏离了实际情况，根据式(1)(2)(3)可知，除了产生故障的传感器所对应的 WSSR 值没有受到故障影响外 ，其余 WSSR值明显偏大，而根据公式(4)可知，故障传感器所对应的LR 也明显偏大。由此 ，在设定-个经验阈值 的情况下，低于阈值的 WSSR 也就是超出相应阈值的 LR。所对应的传感器即为故障传感器。阈值的选择-般由发动机实际的数据经验及传感器自身的噪声特性决定 J。该方法对单个及多个传感器故障都能够进行有效诊断。

在以往的做法中，习惯将传感器的故障区分为硬故障及软故障 ，硬故障通常指传感器观测信号瞬时发生较大阶跃或突变，软故障通常指测量值产生缓慢变化，对传感器软硬故障的诊断，以往习惯采用不同的诊断逻辑 ，实作者简介：赵文博(1985-)，男，吉林松原人，硕士研究生，主要从事航空发动机传感器故障诊断研究。

· 14· htp：/ZZHD.chinajourna1.net.cn E-mail：ZZHD###chainajourna1.net.ca《机械制造与 自动化》· 机械制造 · 赵文博，等 ·基于卡尔曼滤波器组的航空发动机传感器故障诊断际上软硬故障都可通过上述方法进行判别，只是对应的阈 值不同而已。

口 ：l n L-. WsSR0 。l ! 广I 上 l. I -- ， WSR .垄 至壁 运算 r、√ 判定2 最大 - 逻辑 WSR2 ，j .、 值 拈 --/LR3l：：兰：I -1 !： WSR3 .，j 、U r. 。

WSSR4 . 三R4 第 传j厂 、 -] 盯 广。 U 生故图 1 应用卡尔曼滤波器组进行传感器故障诊断原理2 供油动态时传感器的故障诊断以上给出的是发动机在稳态即发动机转速稳定的情况下，应用卡尔曼滤波器组对发动机传感器进行故障诊断。在供油 wfb变化中，转速发生变化 ，此时，传感器也可能发生故障，因此，在供油变化过程中，确保发动机在传感器发生故障的情况下的正常运行尤为重要。

根据发动机部件级非线性模型拟合出发动机线性模型 J，预存对应每个高压转速 的发动机线性模型以及卡尔曼滤波器。这样在燃油 wfb变化 的过程 中，发动机传感器的故障诊断流程如图2所示。故障诊断核心部分仍然同上，只是根据 n 变化完成诊断模式的切换。在妒 变化中，根据不断变化的 n：就近判定发动机线性模型以及相应的卡尔曼滤波器，进而根据实时的滤波残差统计量 WSSR值来判定传感器的故障发生情况。在本文中，高压压气机相对转速在 85%～100%之间时，每-个对应相对转速的整数点 自动完成-次模型切换 ，当实际转速落于两整数转速点之间时，就近选取线性模型与卡尔曼滤波器。

发动机l ，/根据1"/：切换发动机线性模型n：85，86，871 O0i根据 ：切换卡尔曼滤波器l实时处理滤小残差 ，得出WSSR值l进行故障判别图 2 燃油动态变化过程中传感器故障诊断流程图3 仿真试验为验证上述理论，进行如下仿真试验。图3给出的是在某稳态点高压转速传感器发生 1%硬故障的诊断效果，Machine Building留Automation，Jun 2013，42(3)：1417，53观测值输出红虚线代表设定的阈值图3a。由图可知，只有 WSSR。小于阈值，可以判断是高压转速传感器发生故障。

0.O350.0300.0250.020路 0·015O.OlO0.005O.OO0 2 4 6 8 10 12 14 I6 18 20 22t/s(b)0 2 4 6 8 l0 12 14 16 18 20 22t/sc)· 15·脚 啪 Ⅲ ㈣ ∞ O 仉- ∽∞5 0 5 O 5 O 5 3 3 2 2 l 1 O O O O O O 0 O 0O O O 0 O 0 O O ∞∞· 机械制造 · 高增法 ·25 kg钼线材两辊连轧工艺研究理其产品的组织照片出现了纤维组织 ，但这些组织的晶粒度、晶粒均匀度及纤维组织的发育程度与本工艺产品的组织是无法相比的。显而易见，本工艺的产品晶粒组织，对于后续拉丝工序极为有利。

5)研制成品散卷控制冷却系统并投试成功，有效地控制成品的冷却速度，使产品稳定地具有良好的组织，切实地赋予产品优良的综合性能，另外，减少了成品的氧化损失，提高了后续拉丝工序的钼丝收得率。

6)采取这些关键技术，使得产品的表面及内在品质得到全面的提高。

2 创新点及工艺优势本课题的目的本是为创新产品而研究新工艺，经辅势学技术信息研究所进行国内外查新，可以看出本项 目主要的创新点如下 ：1)两辊连轧工艺，终轧速度达 23 m/s；2)坯料为直径达 70 mm的钼锭，单根重达 25 kg；3)轧制出圆断面产品直径为 5.5 mm；4)轧后直接成圈，并采用散卷控制冷却；5)散卷收集成圆盘条直接用于拉丝；6)大压缩率轧制，-火加工总延伸率达 160。

本工艺生产的大盘重钼线材减少了拉丝工序穿模次数，大幅度提高拉丝工序的效率；减少了拉丝工序穿模丝头的损耗；消除了大盘重钼丝的焊点，不存在焊点热区对大盘重的钼丝品质均匀性的影响，提高了钼丝使用厂家的产品品质稳定性。大盘重钼丝还可减少钼丝头尾的损耗，降低钼丝产品的制造成本。显然，本工艺生产的大盘重钼线材具有明显的品质、价格竞争优势及显著的社会、经济效益。该产品问世后，各使用厂家竞相使用无焊点大盘重钼丝。

3 结论本工艺经受了厦门虹鹭钨钼工业有限公司生产实践的考验，与其他工艺相比，产品的外表及内在的综合品质大幅度提高，生产成本显著降低，企业及社会经济效益显著。

本工艺降低了生产运行噪声，改善了工人的劳动条件，实现了机械化、半自动化生产，减轻了工人的劳动强度。生产人员仅需传统工艺的1/10，大大降低了人工成本。

本工艺产品使后续拉丝工序提高了效率，减少了消耗 ，提升了铝丝品质。

2003年 12月本工艺通过 了辅势技厅组织的成果鉴定 ，认为工艺技术首创，为国际领先水平。产品品质优良，可直接拉制钼丝。应用价值极高，有望淘汰原有的粗钼丝加工设备及生产工艺，推广前景无限广阔。

由于本工艺在经济建设、国防装备及科技进步方面具有独特的重要作用 ，2004年，无焊接单根重 25 kg，d5.5钼轧制圆盘条”被评为《国家重点新产品》，本项目获辅势学技术奖-等奖。