[發明專利]航空電動燃油泵流量控制系統傳感器故障魯棒容錯方法

有效

• 申請號: 201711031013.5
• 申請日: 2017-10-30
• 公開（公告）號: CN107942653B
• 公開（公告）日: 2019-11-12
• 發明（設計）人: 肖玲斐;丁潤澤;陳玉升;葉志鋒;金霞;申斌
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;G05B17/02
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 張婷婷

1.一種航空電動燃油泵流量控制系統傳感器故障魯棒容錯方法，其特征在于：包括以下步驟：

1)傳感器故障模型研究

分析航空電動燃油泵流量控制系統中，傳感器對應的傳感器故障的典型特征、產生來源和形成機理，對故障模式進行分類，建立傳感器故障模型；

2)傳感器故障診斷與信號重構研究

針對電動燃油泵流量控制系統中的傳感器可能發生的單一故障和多故障并發問題，基于滑模觀測器設計理論，提出有效的傳感器故障診斷策略與信號重構方法，準確排查故障傳感器，及時給予信號重構；

3)魯棒容錯控制研究

考慮航空發動機在不同工作狀態下對電動燃油泵流量的不同要求，針對電動燃油泵當發動機在全飛行包線內運行時所面臨的包括燃油壓力變化、燃油溫度變化、燃油泵容積效率變化在內的不確定性問題，研究電動燃油泵燃油流量魯棒容錯控制策略，基于滑模理論，提出魯棒容錯控制器設計方法；

4)AMESim-Matlab聯合仿真

在AMESim-Matlab聯合電動燃油泵流量控制系統仿真平臺上驗證魯棒容錯控制方法和閉環控制系統設計方法的有效性和可行性，仿真結果為實驗驗證提供參考；

5)實驗驗證

在仿真研究的基礎上，在航空電動燃油泵實驗平臺上，驗證所提的魯棒容錯控制方法和閉環控制系統設計方法的實際有效性和可行性；

步驟2)中針對傳感器單一故障下的故障診斷問題的具體方法為：

2a-1)判定發生故障：設立故障診斷模塊，將傳感器輸出值y與滑模觀測器的輸出值y_smo相減得出殘差值e_f＝y-y_smo，若t₁時刻殘差值超過設定的閾值D₁，則認為傳感器發生了故障；

2a-2)判斷故障類型：在后再設定t₂和t₃兩個時刻獲取殘差值，計算故障的變化率p，如果滿足p₁≤10^-3、p₂≤10^-3，則判定系統發生突變故障，否則則判定系統發生漸變故障；其中，變化率p的計算方法為：

在t₁時刻系統判定故障發生后t₂＝t₁+1s時刻，即系統判定故障發生后1s取樣，此時殘差值設定為t₂時刻的變化率為在t₃＝t₁+2s時刻，即系統判定故障發生后2s再次取樣，此時殘差值設為之后在t₃時刻計算其中，t是采樣時間；

步驟2)中針對傳感器多故障并發情況下的故障診斷問題的具體方法為：

當有m個傳感器輸出參數，對應地設計m個滑模觀測器，每一個觀測器都利用除該觀測器對應的傳感器外其余傳感器的觀測輸出，即對于m個觀測器來說，每一個都只利用m-1個觀測輸出量，如第i個滑模觀測器，其輸入yⁱ的信息構成為除第i個傳感器外其余m-1個傳感器的可測輸出偏離量，這樣如果第i個傳感器產生故障，那么第i個滑模觀測器由于沒有使用故障傳感器的觀測信息，因此它的估計結果是正確的；

而其他的滑模觀測器都使用了故障傳感器的輸出信號，因此估計結果都偏離了實際情況，應用此法判斷出傳感器的故障；

步驟2)中針對傳感器信號重構問題的具體方法為：當檢測到傳感器故障時，利用無故障的信號和模型輸出值，構成滑模觀測器，去估計有故障的信號，并替換故障傳感器測量值，完成信號重構；

步驟3)的具體方法為：

3-1)研究電動燃油泵全流量范圍內燃油流量控制策略：全流量范圍內電動燃油泵流量控制策略由轉速指令調節部分和轉速控制部分組成；

3-2)研究電動燃油泵流量控制系統傳感器故障魯棒容錯控制方法：開展不確定性和傳感器故障影響下的電動燃油泵燃油流量魯棒容錯控制設計；

步驟3-1)中轉速指令調節部分具體為：

根據發動機燃油需求指令反饋當前電動燃油泵的輸出燃油流量W_fb，利用和燃油流量誤差ΔW_fb，針對大流量要求和小流量要求的不同特點，設計對應的燃油泵轉速指令調節器，生成轉速增量指令Δn；

基于電動燃油泵燃油流量非線性穩態模型求得相應的逆模型其中n為實際轉速，x為系統的狀態量，由包括泵的轉速、壓差、燃油壓力、燃油溫度在內的參數組成，是由x中除泵的轉速以外的剩余參數組成，即利用該逆模型獲得在當前電動燃油泵的剩余參數和燃油需求指令下對應的需求轉速n_a；

通過轉速增量指令Δn對需求轉速n_a進行調節，獲得全流量范圍內電動燃油泵轉速指令n⁰；

步驟3-1)中轉速控制部分具體為：

在不考慮不確定性和傳感器故障的情況下，設計轉速控制部分使實際轉速n與轉速指令n⁰的誤差在2％以內；

基于電動燃油泵自適應組合非線性動態模型，以包括轉速誤差和壓差、壓力、溫度在內的參數為輸入，構造對應的轉速控制器，削弱直至避免電機慣性的影響，輸出對應的控制信號，經功率變換器轉換成相應功率的電流和電壓，傳遞給電機用于電機轉速控制，實現燃油泵按設定的期望轉速運行，控制燃油流量W_fb；

所述的基于電動燃油泵自適應組合非線性動態模型的建立方法為：以燃油泵轉速和進出口壓差為參數，分別建立大、小流量要求下的電動燃油泵流量控制非線性穩態模型；以燃油泵流量動態特性和電機轉速動態特性為參考，分別建立大、小流量要求下的電動燃油泵流量控制線性動態模型；根據發動機不同工況下燃油需求指令，設計模型自適應組合策略，對非線性穩態模型和線性動態模型進行組合，構成自適應組合模型，最終建立全流量范圍內適用的兼顧穩態精度和動態精度要求的電動燃油泵流量控制系統非線性動態模型；

步驟3-2)按照以下研究步驟開展不確定性和傳感器故障影響下的電動燃油泵燃油流量魯棒容錯控制設計：

3-2-1)根據傳感器故障診斷結論，當傳感器發生故障時，采用重構信號參與系統的反饋控制；

3-2-2)基于具有強魯棒性的滑模觀測器設計方法，構造傳感器故障估計器，得到的故障估計值作為魯棒容錯控制器的一部分；

3-2-3)在步驟3-1)流量控制系統設計方法的基礎上，根據滑模控制理論，綜合利用燃油泵轉速指令信號、重構的狀態信號、故障估計信號，基于電動燃油泵自適應組合非線性動態模型，構造具有強魯棒容錯能力的滑模轉速控制器；

3-2-4)根據Lyapunov穩定性理論，分析不確定性和傳感器故障影響下的電動燃油泵燃油流量閉環控制系統的魯棒穩定性，給出系統魯棒穩定的充分條件。

2.根據權利要求1所述的航空電動燃油泵流量控制系統傳感器故障魯棒容錯方法，其特征在于：所述傳感器包括流量傳感器、轉速傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器，對應的傳感器的輸出信號包括燃油流量、轉速、溫度、壓力。