[發明專利]一種基于工況識別和谷本距離的變工況下航空發動機整機健康評估方法

有效

• 申請號: 201610550124.6
• 申請日: 2016-07-13
• 公開（公告）號: CN106094570B
• 公開（公告）日: 2017-11-28
• 發明（設計）人: 劉紅梅;李連峰;呂琛;馬劍
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司11251
• 代理人: 楊學明,顧煒

技術領域

本發明涉及航空發動機健康管理的技術領域，具體涉及一種基于工況識別和谷本距離的變工況下航空發動機整機健康評估方法。

背景技術

航空發動機對飛機來說至關重要，其性能的好壞直接決定飛機的飛行安全。由于航空發動機造價昂貴，當發動機出現問題時，航空公司并不是頻繁地更換發動機，而是通過維護和維修來解決問題。從20世紀80年代開始，全球航空事業迅速發展，但隨之而來的飛行安全問題也越來越突出。統計資料表明，在所有飛機飛行事故中，航空發動機故障引發的事故約占60％左右。因此，如何有效地預防航空發動機故障成為保障飛行安全的重中之重。

航空發動機構造非常復雜，工作環境也極端惡劣，在不經過檢修的情況下很容易出現故障。但維修航空發動機的費用很高，出于成本預算方面的考慮，航空公司不可能在每個航班起飛前都要對其進行全面檢修，常常采取“視情維修”的策略。“視情維修”也稱“基于狀態的維修”，就是對航空發動機現階段的健康狀態進行評判，若其健康狀態良好，則不對其進行維修；若評估的發動機健康狀態較差，則立即對其進行檢修。實際中常以航空發動機的性能參數，如發動機排氣溫度、燃油流量、渦輪轉速等為依據對航空發動機的健康狀態進行評估。當所監控的性能參數發生異常時，工程人員即可判定該發動機是有問題的。因此，監測航空發動機的性能參數，評估其健康狀態對指導“視情維修”至關重要。絕大多數航空發動機的故障是通過時間的積累而日益暴露出來的，可以通過研究性能參數的變化規律，評價系統當前的健康狀態。當健康度低于預警值時，可以判斷航空發動機在不久的未來以很大可能會發生故障，應迅速對其采取維護維修措施。從以上陳述可知，航空發動機健康評估對輔助“視情維修”具有重要的意義。

然而，航空發動機工作在復雜多變的工況環境下，變化的工況掩蓋了性能參數真實的退化規律，由于工況變動的干擾，單純的性能參數并不能反映系統的健康狀態。

發明內容

本發明的目的在于：為了克服現有技術的上述缺陷，本發明提出一種基于工況識別和谷本距離的變工況下航空發動機整機健康評估方法，首先識別出當前狀態的工況，然后選擇特定工況下的評估模型進行健康狀態的評估，可以免受工況干擾，給出發動機真實的健康狀態。

本發明采用的技術方案為：一種基于工況識別和谷本距離的變工況下航空發動機整機健康評估方法，包含如下步驟：

第一步，識別發動機的運行工況。首先使用訓練集數據的所有工況參數進行聚類分析，得到各工況的聚類中心和聚類半徑；然后計算各狀態工況參數與各聚類中心的距離，辨識系統所處的工況；

第二步，基于谷本距離測度進行單工況健康評估。首先，得到航空發動機正常運行狀態的正常狀態空間；然后，計算當前狀態與正常狀態之間的谷本距離；最后，將距離轉化為健康指數，量化系統的健康狀態。

第三步，整合不同健康評估模型評估結果。將不同工況下的健康評估結果按原始的時間順序整合為新的時間序列，得到系統健康指數序列。

本發明與現有技術相比的優點在于：

(1)、在工況辨識的基礎上，使用多個評估模型分別評估不同工況下的系統狀態，評估結果不受工況干擾，更為準確客觀；

(2)、谷本距離既可以表征兩個向量間的長度差異，也能表征它們的夾角差異，與歐氏距離和夾角余弦相比，其對兩向量差異的度量更加全面。

附圖說明

圖1為航空發動機整機健康評估流程示意圖；

圖2為K均值聚類流程圖；

圖3為工況識別流程圖；

圖4為基于谷本距離的健康評估原理圖；

圖5為渦輪風扇發動機仿真模型結構圖；

圖6為訓練集1#發動機傳感器監測數據示意圖；

圖7為訓練集2#發動機傳感器監測數據示意圖；

圖8為工況聚類結果圖；

圖9為發動機實時工況示意圖，其中，圖9(a)為訓練集1#發動機，圖9(b)為訓練集2#發動機；

圖10為健康評估結果示意圖，其中，圖10(a)為訓練集1#發動機，圖10(b)為訓練集2#發動機。

具體實施方式

下面結合附圖以及具體實施方式進一步說明本發明。

本發明一種基于工況識別和谷本距離的變工況下航空發動機整機健康評估方法，具體步驟如下：

1.基于K均值聚類的工況識別