一种采用双余度控制规律处理控制传感器信号故障的方法

技术领域

 本发明涉及含有数字式电子控制系统的航空发动机领域，特别提供了一种采用双余度控制规律处理控制传感器信号故障的方法。

背景技术

为了提高可靠性，航空发动机数字式电子控制系统从非容错控制向容错控制发展，即在某些部件发生故障的情况下，系统仍能按原定性能指标或性能指标虽有降低（可接受），但能安全地完成控制任务。容错控制包括余度技术和重构技术。余度技术，就是设计几个控制通道，当一个控制通道出现故障时，另一个控制通道投入工作。余度技术大致可分为硬件余度及解析余度。硬件余度是用控制通道中的备份硬件来提供余度；解析余度而不需要增加硬件而是用解析的方法为容易发生故障的发动机传感器提供余度。通常使用现代控制理论中的最优估计技术或人工智能的方法把发动机的测量值估计出来。当某个传感器发生故障时，就用相应的估计值代替测量值，使控制系统继续工作。重构技术是指双余度控制系统中，当两个通道都有元件发生故障时，仍有可能将两个通道中的无故障件重新组合起来构成一个新的控制通道，使控制系统继续工作。此段论述出自航空工业出版社2009年出版的孙健国教授主编的普通高等教育“十一五”国家级规划教材《现代航空动力装置控制》（修订版）。

目前航空发动机数字式控制系统直接参与控制的传感器通常采用硬件双余度、硬件三余度，甚至采用硬件多余度设计方案，当控制传感器故障时，采用备份的余度传感器信号完成控制功能；在所有硬件余度都故障的情况下，采用解析余度的方法用非故障传感器信号的估值来代替故障传感器信号。

采用增加传感器硬件余度的方法来提高可靠性的缺点是增加了航空发动机的重量；采用解析余度方法来提高发动机可靠性的缺点是解析余度传感器估值的准确性有赖于发动机机载实时模型的准确性，估值与实测值之间存在误差，易造成发动机工作状态的波动和控制目标值的偏差，并且增加发动机电子控制器的软件运算量。具体表现在几个方面：

1．          增加传感器硬件余度来提高发动机可靠性，带来发动机重量的增加，对于先进的高推重比航空发动机来说，推重比是最重要的衡量技术先进性的指标，重量增加是致命的问题；

2．          增加传感器硬件余度来提高发动机可靠性，带来发动机成附件数目的增加和成本的增加，降低发动机的经济性指标； 

3．          增加传感器硬件余度来提高发动机可靠性，带来发动机的加工、装配、生产、维护的工作难度和工作量的增加，延长发动机的研制生产周期，也增加发动机的制作使用成本；

4．          采用解析余度方法来提高发动机可靠性，由于发动机存在制造公差和性能衰减，发动机模型计算的解析余度传感器估值与发动机实际值之间一定存在误差，会造成故障处理过程中发动机工作状态的不稳定和故障处理结束后控制给定值的误差；

采用解析余度方法来提高发动机可靠性，带来发动机电子控制器软件运算量大幅增加，对于高性能航空发动机实时控制的要求进一步提高，增加控制软件设计难度和编码工作量。

发明内容

本发明的目的是为了提高配装数字式电子控制系统的航空发动机的任务可靠性，特提供了一种采用双余度控制规律处理控制传感器信号故障的方法。

本发明提供了一种采用双余度控制规律处理控制传感器信号故障的方法，其特征在于：1）．提出采用双余度控制规律进行控制传感器信号故障处理方法：

现行航空发动机控制规律实现原理如图1所示，对于控制变量发动机主燃烧室燃油量，在全飞行包线内只能闭环控制一个被控参数，在不同包线区域或者闭环控制高压转子转速N_H，或者闭环控制低压转子转速N_L；图中用于闭环控制的高低压转子转速传感器均采用硬件双余度设计方案。

本发明提供的采用双余度控制规律进行控制传感器信号故障处理方法的实现原理如图2所示。正常情况下根据发动机进口温度T1进行逻辑判断，执行主控制计划；当控制系统正在进行闭环控制的转速传感器或其输入信号处理模块的所有硬件余度都发生故障的情况下，根据故障信号进行逻辑判断，执行备份控制规律，构成备份闭环控制回路，隔离已经发生故障的原闭环控制转速传感器信号，达到系统重构的目的，提高航空发动机的任务可靠性；

2）．提出双余度控制规律设计概念和备份控制规律设计原则

现行航空发动机控制规律是全包线范围内分段组合设计，看似不止一个控制规律，实际上是一个组合的控制规律。航空发动机的控制系统有硬件余度、软件余度，但从没有人提出过双余度的控制规律，本发明提出了双余度控制规律的设计概念。双余度控制规律就是把余度技术应用于控制规律设计之中，原来设计的控制规律作为主控制规律，再设计一个备份的控制规律，当主控制规律无法实现时，实现备份的控制规律，保证发动机能安全地完成任务。本发明提供备份控制规律设计原则：

（1）要求设计的备份控制规律能够保持发动机的性能指标不变；

（2）在从主控制规律转换到备份控制规律的故障处理过程中发动机工作状态平稳，发动机推力不允许突变；

（3）设计的备份控制规律易于实现，被控参数传感器在发动机上已经配备，不增加航空发动机的重量；

3）．提出双余度控制规律的备份控制规律设计方法和设计流程

主控制规律的设计是以使航空发动机全包线范围内获得最佳的推力和经济性、保证发动机工作的稳定性和结构强度为目标；本发明提供的备份控制规律设计方法是在主控制规律设计完成的基础上，按照备份控制规律设计原则进行备份控制规律设计；备份控制规律设计流程如图3所示。

（1）按照备份控制规律设计原则第三条，选择被控参数；

（2）根据备份控制规律设计原则第一条的要求，以实现发动机工作状态不变为目标进行备份控制规律的初步设计；

（3）按照备份控制规律设计原则第二条，修正航空发动机工作状态有差异之处的备份控制规律；

（4）用航空发动机总体性能设计程序执行主控制规律计算航空发动机的推力、耗油率等性能指标；

（5）用相同的航空发动机总体性能设计程序执行备份控制规律计算航空发动机的推力、耗油率等性能指标；

（6）对比执行主控制规律和备份控制规律的计算结果，判断是否满足航空发动机的控制精度要求。如果不满足要求，按照备份控制规律设计原则第二条，进一步修正性能指标有差异之处的备份控制规律；如果满足要求，备份控制规律设计完成。 

本发明的优点：

本发明所述的采用双余度控制规律处理控制传感器信号故障的方法，提高数字式控制系统的故障处理能力，可以提高航空发动机的任务可靠性。与增加传感器硬件余度的方法相比，本发明方法减少了装配在航空发动机上的传感器数量，降低了航空发动机的重量，节省了航空发动机的研制周期和生产成本，带来可观的经济效益，更易于满足航空发动机的推重比要求；与采用解析余度的方法相比，本发明方法较少增加航空发动机控制软件设计难度和电子控制器软件运算量，能保持故障处理过程中航空发动机工作状态稳定和故障处理结束后控制给定值无误差，更容易满足高性能航空发动机实时控制的要求，更易于实现，提高航空发动机的综合性能。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1 现行航空发动机控制规律实现原理框图；

图2 双余度控制规律故障处理实现原理框图；

图3 双余度控制规律的备份控制规律设计流程图。

具体实施方式

实施例1

本发明提供了一种采用双余度控制规律处理控制传感器信号故障的方法，其特征在于：1）．提出采用双余度控制规律进行控制传感器信号故障处理方法：

现行航空发动机控制规律实现原理如图1所示，对于控制变量发动机主燃烧室燃油量，在全飞行包线内只能闭环控制一个被控参数，在不同包线区域根据发动机进口温度T1或者闭环控制高压转子转速N_H，或者闭环控制低压转子转速N_L；图中用于闭环控制的高低压转子转速传感器均采用硬件双余度设计方案。

本发明提供的采用双余度控制规律进行控制传感器信号故障处理方法的实现原理如图2所示。正常情况下根据发动机进口温度T1进行逻辑判断，执行主控制计划；当控制系统正在进行闭环控制的转速传感器或其输入信号处理模块的所有硬件余度都发生故障的情况下，根据故障信号进行逻辑判断，执行备份控制规律，构成备份闭环控制回路，隔离已经发生故障的原闭环控制转速传感器信号，达到系统重构的目的，提高航空发动机的任务可靠性；

2）．提出双余度控制规律设计概念和备份控制规律设计原则

现行航空发动机控制规律是全包线范围内分段组合设计，看似不止一个控制规律，实际上是一个组合的控制规律。航空发动机的控制系统有硬件余度、软件余度，但从没有人提出过双余度的控制规律，本发明提出了双余度控制规律的设计概念。双余度控制规律就是把余度技术应用于控制规律设计之中，原来设计的控制规律作为主控制规律，再设计一个备份的控制规律，当主控制规律无法实现时，实现备份的控制规律，保证发动机能安全地完成任务。

本发明提供备份控制规律设计原则：

（1）要求设计的备份控制规律能够保持发动机的性能指标不变；

（2）在从主控制规律转换到备份控制规律的故障处理过程中发动机工作状态平稳，发动机推力不允许突变；

（3）设计的备份控制规律易于实现，被控参数传感器在发动机上已经配备，不增加航空发动机的重量；

3）．提出双余度控制规律的备份控制规律设计方法和设计流程

主控制规律的设计是以使航空发动机全包线范围内获得最佳的推力和经济性、保证发动机工作的稳定性和结构强度为目标；本发明提供的备份控制规律设计方法是在主控制规律设计完成的基础上，按照备份控制规律设计原则进行备份控制规律设计；备份控制规律设计流程如图3所示。

（1）按照备份控制规律设计原则第三条，选择被控参数；

（2）根据备份控制规律设计原则第一条的要求，以实现发动机工作状态不变为目标进行备份控制规律的初步设计；

（3）按照备份控制规律设计原则第二条，修正航空发动机工作状态有差异之处的备份控制规律；

（4）用航空发动机总体性能设计程序执行主控制规律计算航空发动机的推力、耗油率等性能指标；

（5）用相同的航空发动机总体性能设计程序执行备份控制规律计算航空发动机的推力、耗油率等性能指标；

（6）对比执行主控制规律和备份控制规律的计算结果，判断是否满足航空发动机的控制精度要求。如果不满足要求，按照备份控制规律设计原则第二条，进一步修正性能指标有差异之处的备份控制规律；如果满足要求，备份控制规律设计完成。