基于分数阶滑模的航空发动机传感器故障诊断与容错控制
发布时间：2022-02-19 08:33
航空发动机的安全、高效运行依赖于发动机控制系统,而控制系统是以传感器测量信号为基础进行工作。由于航空发动机的工作环境非常恶劣,传感器通常直接暴露在高温、高压、强振动中。这使得传感器非常容易发生故障,对发动机的运行安全造成威胁。为了提升航空发动机安全性和可靠性,本文以航空发动机的平衡流形展开模型为对象,结合滑模理论、分数阶微积分理论对航空发动机的传感器故障诊断和容错控制技术进行了研究。主要工作内容如下:1.以某型大涵道比涡扇发动机的非线性部件级模型为对象,通过辨识建立相应的平衡流形展开模型。为之后的故障诊断与容错控制研究奠定基础。2.基于航空发动机的平衡流形展开模型设计滑模观测器,利用观测器的输出估计与对象的实际输出进行比较生成残差,通过残差的变化进行故障检测。为了减少虚警率和漏警率,采用了自适应阈值。然后通过设计一组滑模观测器生成结构化的残差,通过残差的变化能够判断故障发生源,达到故障隔离的目的。3.基于航空发动机的平衡流形展开模型设计了一种分数阶积分滑模观测器,利用状态估计误差系统处于滑动模态时,滑模观测器的等效输出误差注入实现对故障的准确估计。与滑模观测器和积分滑模控制器的故障重构...
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省211工程院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
大涵道比涡轮风扇发动机结构图
图 2.2 平衡流形拟合3. 动态建模平衡流形展开模型的动态建模是获取模型在不同平衡点的动态系数，然后利用调度参数行整合。在单个平衡点上，平衡流形展开模型与线性模型等效：111 12 1 1221 22 2 212 13 31 32 2 346 41 42 4=1 0 00 1 0ffNa a N bWNa a N bNN NWP c c N dT c c d (2因此，可以通过偏导数法[59]或拟合法[60]得到其在该平衡点上的动态系数。偏导数法通过对系状态量和输入量逐个进行小幅度扰动，根据系统参数的变化量可计算出动态参数。该方法容实现但精度较低，而且对于平衡流形展开模型的建模而言需要多次运行仿真，实际使用并不
14图 2.3 动态系数拟合4. 建模精度检验在开环条件下，对涡扇发动机的部件级模型和平衡流形展开模型进行加减速仿真。输入号为：设定主燃油流量从 60%提高到 100%再降低至 80%，每次阶跃 5%，阶跃后保持 10 秒仿真结果见图 2.4~图 2.7。从图中可以看到，在拟合的工作范围内，部件级模型和平衡流形开模型的输出相当吻合。稳态相对误差都保持在 0.2%以内；除去少数几个处于拟合范围边沿工作点，动态相对误差也很小：风扇转速1N 小于 0.3%、高压压气机转速2N 小于 0.1%、高压气机出口压力3P 小于 0.5%、低压涡轮出口温度46T 小于 0.6%。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于BP神经网络的航空发动机故障检测技术研究[J]. 殷锴,钟诗胜,那媛,李臻. 航空发动机. 2017(01)
[2]民用航空发动机传感器信号重构方法及其应用[J]. 张荣,侯灵峰,赵旭东,胡忠志. 航空动力学报. 2016(05)
[3]基于DE-RLSSVM算法的航空发动机传感器故障诊断[J]. 侯宽新,丁发军,张道新,黄选红,魏武国. 航空动力学报. 2014(12)
[4]航空发动机被动容错控制系统鲁棒性设计[J]. 傅强. 测控技术. 2013(05)
[5]基于主元分析法的航空发动机传感器故障诊断研究[J]. 龚志飞,郭迎清. 计算机测量与控制. 2012(08)
[6]基于UIO的航空发动机控制系统传感器故障诊断[J]. 覃道亮,何皑,孔祥兴,王曦. 航空动力学报. 2011(06)
[7]基于反推方法的一类自适应神经网络容错控制[J]. 朱子杰,黄向华. 信息与控制. 2010(05)
[8]基于离散小波变换的某型航空发动机故障诊断研究[J]. 马婷婷,郭迎清. 计算机测量与控制. 2010(02)
[9]基于非线性系统平衡流形的某型涡扇发动机建模研究[J]. 胡卫红,李述清,孙健国. 航空动力学报. 2010(01)
[10]分数阶控制研究综述[J]. 朱呈祥,邹云. 控制与决策. 2009(02)
博士论文
[1]民用涡扇发动机在线健康诊断关键技术研究[D]. 张书刚.西北工业大学 2014
[2]基于平衡流形展开模型的航空发动机非线性控制方法研究[D]. 赵辉.哈尔滨工业大学 2011
[3]分数阶系统辨识与控制器设计研究[D]. 李旺.中国科学技术大学 2010
[4]分数阶微积分滤波原理、应用及分数阶系统辨识[D]. 李远禄.南京航空航天大学 2007
硕士论文
[1]涡轴发动机控制系统传感器故障诊断与容错控制[D]. 潘阳.南京航空航天大学 2016
[2]小型航空发动机传感器容错控制技术研究[D]. 刘汉斌.哈尔滨工程大学 2011
本文编号：3632569
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省211工程院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
大涵道比涡轮风扇发动机结构图
图 2.2 平衡流形拟合3. 动态建模平衡流形展开模型的动态建模是获取模型在不同平衡点的动态系数，然后利用调度参数行整合。在单个平衡点上，平衡流形展开模型与线性模型等效：111 12 1 1221 22 2 212 13 31 32 2 346 41 42 4=1 0 00 1 0ffNa a N bWNa a N bNN NWP c c N dT c c d (2因此，可以通过偏导数法[59]或拟合法[60]得到其在该平衡点上的动态系数。偏导数法通过对系状态量和输入量逐个进行小幅度扰动，根据系统参数的变化量可计算出动态参数。该方法容实现但精度较低，而且对于平衡流形展开模型的建模而言需要多次运行仿真，实际使用并不
14图 2.3 动态系数拟合4. 建模精度检验在开环条件下，对涡扇发动机的部件级模型和平衡流形展开模型进行加减速仿真。输入号为：设定主燃油流量从 60%提高到 100%再降低至 80%，每次阶跃 5%，阶跃后保持 10 秒仿真结果见图 2.4~图 2.7。从图中可以看到，在拟合的工作范围内，部件级模型和平衡流形开模型的输出相当吻合。稳态相对误差都保持在 0.2%以内；除去少数几个处于拟合范围边沿工作点，动态相对误差也很小：风扇转速1N 小于 0.3%、高压压气机转速2N 小于 0.1%、高压气机出口压力3P 小于 0.5%、低压涡轮出口温度46T 小于 0.6%。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于BP神经网络的航空发动机故障检测技术研究[J]. 殷锴,钟诗胜,那媛,李臻. 航空发动机. 2017(01)
[2]民用航空发动机传感器信号重构方法及其应用[J]. 张荣,侯灵峰,赵旭东,胡忠志. 航空动力学报. 2016(05)
[3]基于DE-RLSSVM算法的航空发动机传感器故障诊断[J]. 侯宽新,丁发军,张道新,黄选红,魏武国. 航空动力学报. 2014(12)
[4]航空发动机被动容错控制系统鲁棒性设计[J]. 傅强. 测控技术. 2013(05)
[5]基于主元分析法的航空发动机传感器故障诊断研究[J]. 龚志飞,郭迎清. 计算机测量与控制. 2012(08)
[6]基于UIO的航空发动机控制系统传感器故障诊断[J]. 覃道亮,何皑,孔祥兴,王曦. 航空动力学报. 2011(06)
[7]基于反推方法的一类自适应神经网络容错控制[J]. 朱子杰,黄向华. 信息与控制. 2010(05)
[8]基于离散小波变换的某型航空发动机故障诊断研究[J]. 马婷婷,郭迎清. 计算机测量与控制. 2010(02)
[9]基于非线性系统平衡流形的某型涡扇发动机建模研究[J]. 胡卫红,李述清,孙健国. 航空动力学报. 2010(01)
[10]分数阶控制研究综述[J]. 朱呈祥,邹云. 控制与决策. 2009(02)
博士论文
[1]民用涡扇发动机在线健康诊断关键技术研究[D]. 张书刚.西北工业大学 2014
[2]基于平衡流形展开模型的航空发动机非线性控制方法研究[D]. 赵辉.哈尔滨工业大学 2011
[3]分数阶系统辨识与控制器设计研究[D]. 李旺.中国科学技术大学 2010
[4]分数阶微积分滤波原理、应用及分数阶系统辨识[D]. 李远禄.南京航空航天大学 2007
硕士论文
[1]涡轴发动机控制系统传感器故障诊断与容错控制[D]. 潘阳.南京航空航天大学 2016
[2]小型航空发动机传感器容错控制技术研究[D]. 刘汉斌.哈尔滨工程大学 2011
本文编号：3632569
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