[發(fā)明專利]一種基于改進(jìn)狀態(tài)跟蹤濾波器的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)解析余度估計(jì)方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011226643.X
• 申請(qǐng)日: 2020-11-05
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112284752A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-01-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王圣超;黃向華
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G01M15/14
• 分類號(hào): G01M15/14;H03H21/00;H03H17/02;H03H17/04
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于改進(jìn)狀態(tài)跟蹤濾波器的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)解析余度估計(jì)方法。首先建立變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)慢車以上狀態(tài)的非線性部件級(jí)模型，求取設(shè)計(jì)點(diǎn)下MSV為75時(shí)的狀態(tài)空間模型，將健康參數(shù)增廣進(jìn)狀態(tài)量得到增廣狀態(tài)空間模型；然后求取常值卡爾曼增益陣，與非線性模型相結(jié)合構(gòu)成改進(jìn)狀態(tài)跟蹤濾波器，根據(jù)傳感器殘差計(jì)算健康參數(shù)修正量，進(jìn)而修正非線性模型，實(shí)現(xiàn)全包線內(nèi)的模型輸出自適應(yīng)；之后在檢測(cè)到傳感器故障后，關(guān)閉濾波并將殘差置零，將自適應(yīng)模型對(duì)應(yīng)輸出參數(shù)用作故障傳感器的解析余度。解決了現(xiàn)有的分段線性模型求取狀態(tài)空間方程數(shù)量過(guò)多，濾波估計(jì)精度隨著工作點(diǎn)變化而降低，無(wú)法準(zhǔn)確提供解析余度的問(wèn)題，并成功運(yùn)用于變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣路部件性能估計(jì)和健康管理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于改進(jìn)狀態(tài)跟蹤濾波器的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)解析余度估計(jì)方法。

背景技術(shù)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)的心臟，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且工作環(huán)境惡劣。發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷技術(shù)是保證發(fā)動(dòng)機(jī)性能與可靠性，降低使用維護(hù)成本的重要手段。基于自適應(yīng)模型的故障診斷和容錯(cuò)控制技術(shù)能夠有效提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的安全性和穩(wěn)定性。自適應(yīng)模型能夠?qū)崟r(shí)反映個(gè)體差異、部件性能蛻化等因素對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，準(zhǔn)確跟蹤真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的非額定工況輸出，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)估計(jì)、性能尋優(yōu)控制、在線故障診斷、解析余度等先進(jìn)控制技術(shù)的基礎(chǔ)。

構(gòu)建航空發(fā)動(dòng)機(jī)自適應(yīng)模型的一種常用方法就是以卡爾曼濾波器為核心，根據(jù)實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器參數(shù)與機(jī)載模型相應(yīng)參數(shù)的殘差來(lái)估計(jì)部件性能蛻化量，而后將其修正于機(jī)載模型，從而使得推力和喘振裕度等性能量匹配真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及非線性濾波理論的完善，已有較多非線性濾波方法應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)性能估計(jì)上，包括擴(kuò)展卡爾曼濾波、無(wú)跡卡爾曼濾波、容積卡爾曼濾波等。其中，擴(kuò)展卡爾曼濾波作為一種線性卡爾曼濾波算法向非線性系統(tǒng)的推廣，本質(zhì)就是對(duì)非線性系統(tǒng)進(jìn)行一階線性化，從而利用傳統(tǒng)的卡爾曼濾波理論來(lái)求解非線性濾波問(wèn)題。其相對(duì)于其他非線性濾波方法有著實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、收斂較快的特點(diǎn)，是迄今為止應(yīng)用最廣泛的非線性狀態(tài)估計(jì)方法。

目前上述研究主要集中在渦扇、渦噴等發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)。變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)作為下一代航空動(dòng)力，集渦噴的高單位推力和渦扇的低耗油率等優(yōu)勢(shì)于一身，對(duì)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行的故障診斷及健康管理研究鮮有耳聞。而且，基于卡爾曼濾波技術(shù)建立的自適應(yīng)模型為分段線性模型，這類模型具有計(jì)算簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但精度往往不如部件級(jí)模型。這是因?yàn)閿U(kuò)展卡爾曼濾波器只能在求取狀態(tài)空間方程的相應(yīng)工作點(diǎn)附近使用，為了擴(kuò)展至全包線工作，需要選取大量工作點(diǎn)求取對(duì)應(yīng)狀態(tài)空間方程，得到分段線性化的狀態(tài)空間模型及相應(yīng)的卡爾曼增益陣，使用時(shí)進(jìn)行在線的分段插值。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)極強(qiáng)的非線性系統(tǒng)，在線分段插值這種處理會(huì)使得模型的精度難以保證，而且也會(huì)給設(shè)計(jì)和計(jì)算帶來(lái)較大的復(fù)雜度和出錯(cuò)率。而且，當(dāng)某一傳感器出現(xiàn)故障后，對(duì)應(yīng)殘差置零，分段線性模型依靠剩余的殘差信息將無(wú)法估計(jì)準(zhǔn)確的健康參數(shù)，導(dǎo)致機(jī)載模型與真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)失配，無(wú)法提供故障傳感器相應(yīng)準(zhǔn)確的解析余度。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種基于改進(jìn)狀態(tài)跟蹤濾波器的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)解析余度估計(jì)方法。利用該方法，能夠避免分段求取狀態(tài)空間方程的繁瑣，在全包線工作范圍內(nèi)有效地估計(jì)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的健康參數(shù)，并在傳感器發(fā)生故障時(shí)提供準(zhǔn)確的解析余度。

技術(shù)方案：一種基于改進(jìn)狀態(tài)跟蹤濾波器的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)解析余度估計(jì)方法，包括以下步驟：

步驟A)，建立變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)慢車以上狀態(tài)的非線性部件級(jí)模型，求取0高度、0馬赫數(shù)下MSV為75時(shí)的工作點(diǎn)處的狀態(tài)空間模型，將健康參數(shù)增廣進(jìn)狀態(tài)量得到增廣狀態(tài)空間模型；

步驟B)，求取常值卡爾曼增益陣，與非線性模型相結(jié)合構(gòu)成改進(jìn)狀態(tài)跟蹤濾波器，根據(jù)傳感器殘差計(jì)算健康參數(shù)修正量，進(jìn)而修正非線性模型，實(shí)現(xiàn)全包線、各工況下的非線性模型輸出自適應(yīng)；

步驟C)，在檢測(cè)到某傳感器故障后，關(guān)閉卡爾曼濾波，使健康參數(shù)不再改變，將修正后的自適應(yīng)模型對(duì)應(yīng)輸出參數(shù)用作故障傳感器的解析余度。