一种脉冲爆震发动机故障诊断系统及方法与流程

本发明属于脉冲爆震发动机领域，具体涉及发动机技术、燃烧技术、故障诊断技术、测量技术、嵌入式技术，更具体的涉及一个当量比精确测量系统、燃烧压力、离子浓度测量系统，一个用于实现信号采集及故障诊断方法的嵌入式系统，用于脉冲爆震发动机故障诊断场合。

背景技术

脉冲爆震发动机具有热循环效率高、结构简单等优点，可应用于多种空天动力装置，被认为是21世纪最具潜力的空天动力项目。国内外对脉冲爆震发动机的研究处于起步阶段，发动机稳定工作机理、边界工作条件还在探索中。

当量比异常、点火失效、电磁阀老化或失效、燃料和氧化剂混合时间异常、爆震管臂温过高等因素均会降低发动机性能，甚至导致发动机工作失败。目前，通过控制点火器、电磁阀动作周期、相位、占空比等参数来给定理论当量比、燃料和氧化剂的混合时间；实际工作中，由点火器失效、电磁阀失效、老化和动作延迟引起当量比、混合时间异常，臂温过高引起的燃料连续燃烧等现象尚未在线进行监测、分析和诊断，影响对发动机稳定工作边界机理、边界工作条件的探索以及科研效率的提高。

技术实现要素：

针对以上背景技术中存在的缺陷和不足，本发明提出一种基于高频脉动流量、爆震腔压力、爆震腔火焰离子电流、控制信号测量与分析的闭环故障诊断系统，将流量信号、压力信号、离子电流信号、发动机控制ttl信号综合分析，得出爆震成功率，精确当量比、混合时间；而且能诊断出由点火失效、电磁阀失效、电磁阀老化、臂温过高等原因导致的发动机工作异常类型；对发动机稳定工作机理、边界工作条件探索、缩短发动机故障诊断时间，提高科研效率有积极作用。

为了达到以上目的，采用以下技术方案来实现：

一种脉冲爆震发动机故障诊断系统，包括与脉冲爆震发动机爆震管连接的高频脉动流量测量装置、压力传感装置、离子电流传感装置、信号采集和故障诊断装置和人机交互装置，其中：

高频脉动流量测量装置，用于测试发动机每个工作周期中，燃料和氧化剂的流量；

压力传感装置，用于将爆震腔内压力信号转换为模拟电压信号；

离子电流传感装置，用于将爆震腔内的爆震火焰离子信号转变为模拟电压信号；

人机交互装置，用于输出压力传感装置和离子电流传感装置参数及故障诊断结果，获取故障诊断特征参数输入；

信号采集和故障诊断装置，用于采集流量测量装置的瞬时流量、压力信号、压力传感装置和离子电流传感装置的电压信号、脉冲爆震发动机控制器输出的用于控制点火和电磁阀的ttl控制信号，根据故障诊断机理进行计算、分析，得出故障诊断结果，并将各传感器测量结果及诊断结果输出至人机交互装置显示，由人机交互装置获取故障诊断特征参数。

进一步，所述高频脉动流量测量装置，包括两个具备模拟电压输出接口的高频流量计，设于脉冲爆震发动机爆震管头部，两个高频流量计分别连通燃料、氧化剂储罐以及信号采集和故障诊断装置，并通过电磁阀控制流量。

进一步，所述电磁阀分别通过电磁阀驱动器连接信号采集和故障诊断装置与发动机控制器，发动机控制器通过高压线圈连接爆震管头部的火花塞。

进一步，所述压力传感装置包括三个间距分布的压力传感器和连接三个压力传感器的电荷放大器的多通道电荷放大器，多通道电荷放大器连接至信号采集和故障诊断装置。

进一步，压力传感器安装于爆震腔内且处于同一水平线，相互间距为70mm。

进一步，所述离子电流传感装置包括与爆震腔内的火花塞连接的离子电流信号调理模块，离子电流信号调理模块连接信号采集和故障诊断装置。

进一步，所述人机交互装置包括触摸屏和与信号采集和故障诊断装置相连的串行通讯接口uart。

进一步，所信号采集和故障诊断装置包括具备多通道高速信号采集和处理功能的微处理器、供电模块和与人机交互装置相连的串行通讯接口uart。

本发明进而给出了上述系统的脉冲爆震发动机故障诊断方法，包括下述步骤：

1)由信号采集和故障诊断装置高速实时采集发动机控制器输出的用于控制点火和电磁阀动作的ttl信号，以及高频脉动流量测量装置、压力传感装置和离子电流传感装置输出的电压信号；

2)由信号采集和故障诊断装置获取人机交互装置输入的当量比、混合时间阈值特征参数；

3)然后由信号采集和故障诊断装置计算单次点火周期内点火次数、燃料流量突变次数、氧气流量突变次数、压力信号变化次数和离子电流信号变化次数是否一致；

4)若各信号变化次数一致，且压力传感器信号和离子电流信号变化同步，则认为爆震成功率为100％；

5)若各信号变化次数不一致，则通过故障诊断算法，分析故障原因；

6)信号采集和故障诊断装置将爆震成功率、故障诊断结果、各传感器参数发送至人机交互装置进行显示。

进一步，所述故障诊断算法，分析故障原因：

对燃料和氧化剂流量信号进行积分，计算当量比；与理论当量比阈值进行比较，若当量比异常，说明发动机异常由当量比异常引起；

进一步判断混合时间是否正常，混合时间由最后动作的阀体流量上升时刻和点火时刻之间的时间差获得；若当量比正常，混合时间异常，发动机异常由混合时间异常引起；

若发动机工作于有阀模式，根据电磁阀响应时间，开阀时间，关阀时间特征参数，判断电磁阀健康状态；若电磁阀响应时间，开关时间均正常，发动机工作失败由控制时序错误引起；

若发动机工作于无阀模式，当量比异常由燃料或氧化剂供给压力异常引起，混合时间异常由点火时序控制异常引起；

若发动机工作于连续燃烧状态，发动机工作失败由爆震管臂温过高，反应物连续燃烧引起。

相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

1)首次提出基于爆震腔压力、火焰离子电流、高频脉动流量、发动机控制器输出的ttl等多传感器信号融合的脉冲爆震发动机故障诊断技术，实现控制信号输入，传感器信号输出集中监测的闭环诊断方式，提高故障诊断的可靠性；

2)通过高频流量监测和输入控制信号融合的方式，测出精确的当量比，电磁阀的响应延时，开关特性，对电磁阀的老化进行评估，这些参数均可作为发动机控制参数的输入，对发动机控制器进行精确的当量比控制有重大意义；

3)精确的混合时间测量，可作为发动机控制器输入参数，为发动机自适应点火控制提供依据；

4)对发动机每个工作周期参数进行统计、分析、给出发动机工作状态、故障类型、故障原因等参数，使得发动机实际工作参数可视化、透明化，有益于发动机稳定工作机理、边界工作条件的探索。

本发明使用一种新型的故障诊断方法，通过监测由控制信号输入至流量、爆震腔压力、火焰离子电流等输出信号，构成脉冲爆震发动机工作闭环故障诊断系统。由爆震腔压力、火焰电流信号上升时间、信号幅值、信号时序等判断燃烧波压力、速度和燃烧类型；由实际流量和电磁阀控制器输出信号，计算当量比、电磁阀动作延时、开关速度；由流量和点火控制信号，计算混合时间；对发动机每周期工作模式、工作状态、故障类型、故障原因等参数进行统计，使得发动机实际工作参数可视化、透明化，有益于发动机稳定工作机理、边界工作条件的探索，以测量结果作为发动机控制器的输入，有助于控制器实现自适应控制，提高发动机工作的可靠性。

附图说明

图1是本发明发动机故障诊断系统结构及工作原理图；

图2是有阀模式下发动机工作单周期各信号示意图；

图3是无阀模式下发动机工作单周期各信号示意图；

图4是成功起爆传感器波形及特征参数图；

图5是缓燃状态传感器特征参数图；

图6是点火失败传感器特征参数图；

图7是连续燃烧传感器特征参数图；

图8是当量比计算原理图；

图9是混合时间计算机理图；

图10是电磁阀特性判断机理图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方法对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，脉冲爆震发动机故障诊断系统，包括与脉冲爆震发动机爆震管连接的高频脉动流量测量装置、压力传感装置、离子电流传感装置、信号采集和故障诊断装置和人机交互装置，其中：

高频脉动流量测量装置a。由两个具备模拟电压输出接口的高频脉动流量计a1和a2组成，设于脉冲爆震发动机爆震管头部，两个高频流量计分别连通燃料、氧化剂储罐以及信号采集和故障诊断装置，分别测量发动机燃料和氧化剂供给回路的流量，并通过电磁阀控制流量；将高频脉动流量信号转换为模拟电压信号，由信号采集和故障诊断装置e进行高速信号采集。电磁阀分别通过电磁阀驱动器连接信号采集和故障诊断装置与发动机控制器，发动机控制器通过高压线圈连接爆震管头部的火花塞。

压力传感装置b，由安装于爆震腔上，且处于同一水平线、三个相互水平间隔为70mm的压力传感器b1，b2，b3，和一个具备至少3通道电荷放大能力的电荷放大器b4组成，多通道电荷放大器连接至信号采集和故障诊断装置。电荷放大器b4输出模拟电压信号，由信号采集和故障诊断装置e进行高速信号采集。压力传感装置将爆震腔内压力信号转换为便于信号采集和故障诊断装置的微处理器处理的电压信号。

离子电流传感装置c，包括设于爆震腔内的火花塞c1和离子电流信号调理模块c2，火花塞c1和压力传感器b1安装于同一水平位置，火花塞通过离子电流信号调理模块连接信号采集和故障诊断装置。燃烧火焰会产生离子电流，可作为判断火焰燃烧情况的依据，离子电流信号调理模块将爆震腔内火焰燃烧所产生的微弱离子电流信号转换为模拟电压信号，由信号采集和故障诊断装置e进行高速信号采集。

人机交互装置d，用于显示发动机故障诊断结果，获取发动机故障诊断所需当量比阈值、混合时间阈值等特征参数。由供电模块d1、串口d2、处理器d3、触摸屏d4组成，供电模块为串口、处理器、触摸屏供电，处理器d3通过串口d2和信号采集和故障诊断装置e进行通讯，获取发动机故障诊断各参数，发送至触摸屏进行显示，从触摸屏获取当量比阈值，混合时间阈值等特征参数，通过串口发送至信号采集和故障诊断装置e。

信号采集和故障诊断装置e，用于实时高速采集发动机控制器输出的ttl信号，氧化剂和燃料流量信号，爆震腔压力和离子电流信号，由人机交互装置获取各阈值特征参数；根据其内部故障诊断算法对各信号进行分析，得出故障诊断结果，输出至人机交互装置进行显示。由处理器e1，供电模块e2，串口e3组成。供电模块为处理器和串口供电，串口e3为模块e和装置d的通讯模块，处理器e1选用stm32h743vit6高性能处理器，主频400mhz，具有164路gpio，20个14位高速ad输入通道，3个独立的adc模块，每个adc采样率高达2.7msps，4个dma控制器，192k片内ram和2m片内flash，8个uart满足高速信号采集、存储、分析、处理需求；处理器通过gpio采集发动机控制器输出的用于控制电磁阀和点火的ttl信号，由dma控制器控制3个adc采集装置a输出的两路流量信号，装置b输出的3路压力信号，装置c输出的1路离子电流信号；由处理器内部运行的故障诊断算法对发动机工作参数进行分析和故障诊断。

下面给出系统的脉冲爆震发动机故障诊断方法，包括下述步骤：

1)由信号采集和故障诊断装置获取人机交互装置输入的当量比、混合时间阈值特征参数；

2)由信号采集和故障诊断装置高速实时采集发动机控制器输出的用于控制点火和电磁阀动作的ttl信号，以及高频脉动流量测量装置、3个压力传感器的压力信号和离子电流传感装置输出的电压信号；

3)然后由信号采集和故障诊断装置计算单次点火周期内点火次数、燃料流量突变次数、氧气流量突变次数、压力信号变化次数和离子电流信号变化次数是否一致；

以发动机单个工作周期为时间单位，对控制点火的ttl信号下降沿，控制氧化剂和燃料电磁阀的ttl信号下降沿，氧化剂和燃料流量波动周期，各压力传感器压力峰值，离子电流传感器电流峰值进行计数；记录氧化剂和燃料电磁阀控制ttl信号上升沿时刻tfuel-rising、toxider-rising下降沿时刻tfuel-falling、toxider-falling，由电磁阀开关引起的燃料和氧化剂流量上升开始时刻tfuel-flow-rising_start、toxider-flow-rising_start上升结束时刻tfuel-flow-rising_end、toxider-flow-rising_end下降开始时刻tfuel-flow-falling_start、toxider-flow-falling_start下降结束时刻时刻tfuel-flow-falling_end、toxider-flow-falling_end，点火ttl下降沿时刻tfire。

4)若点火ttl信号下降沿、各压力传感器压力峰值、离子电流峰值计数一致，则发动机正常点火；分析3个压力传感器的压力峰值p1、p2、p3，离子电流传感器的电流峰值i1，3个压力传感器的峰值上升时间tr1，tr2，tr3，相邻两个压力传感器压力峰值之间的时间差dt1，dt2，压力传感器1压力峰值和离子电流传感器电流峰值之间的时间差dt3。

若各信号变化次数一致，且压力传感器信号和离子电流信号变化同步，则认为爆震成功率为100％。

若满足p1>pcj(cj爆震波压力),p2>pcj，p3>pcj，tr1<18us，tr2<18us，tr3<18us，70mm/dt1>2000m/s,70mm/dt2>2000m/s，认为本工作周期发动机处于爆震工作状态；

若p1<pcj,p2<pcj，p3<pcj，tr1>20us，tr2>20us，tr3>20us，70mm/dt1<2000m/s，70mm/dt2<2000m/s，dt3>5us，则认为本工作周期爆震失败，发动机处理缓燃工作状态；若p1＝0，p2＝0，p3＝0，i1＝0，则认为发动机处于未点火成功状态；若p1＝0，p2＝0，p3＝0，i1>0，认为发动机处于臂温过高，连续燃烧状态；

若发动机处于非爆震工作状态，进行以下计算：

a)由tfuel-flow-rising_start-tfuel-flow-falling_end时间段对燃料流量进行积分,由toxider-flow-rising_start-toxider-flow-falling_end时间段对氧化剂流量进行积分，计算本工作周期中的总燃料和氧化剂流量flowfuel、flowoxider，由流量计算当量比；

b)根据点火时刻和流量关闭时刻计算混合时间，若tfuel-flow-rising_start>toxider-flow-rising_start,则tmixture＝tfire-tfuel-flow-rising_start，若tfuel-flow-rising_start<toxider-flow-rising_start，则tmixture＝tfire-toxider-flow-rising_start。

5)若各信号变化次数不一致，则通过故障诊断算法，分析故障原因。

下面详细阐述分析机理。

如图2和图3所示，首先分析点火ttl信号下降沿计数，每个压力信号强脉冲计数，每个流量计流量阶跃计数，离子电流传感器强脉冲计数是否一致，若计数一致，说明发动机成功点火，若不一致，说明发动机点火失败。

分析本周期中氧化剂和燃料控制的ttl信号下降沿次数，如果下降沿次数均为0，且ttl信号均为高电平，如图3所示，说明发动机工作于无阀模式；若下降沿计数均为1，如图2所示，说明发动机工作于有阀模式。

a.若发动机处于缓燃工作状态，判断计算出的当量比是否超过阈值，若当量比超过阈值，考虑以下几种情况：

a)判断本工作周期是否监测到燃料和氧化剂电磁阀控制ttl信号，若ttl均为高电平，则认为发动机处于无阀工作模式，否则，发动机处于有阀工作模式；

b)无阀工作模式下，燃料和氧化剂均有明显的流量上升和下降，认为电磁阀工作正常，当量比异常由燃料和氧化剂的压力供给异常引起；

c)燃料或氧化剂流量未出现明显上升和下降，认为电磁阀损坏导致当量比异常。

b.有阀工作模式下，若当量比异常，判断以下几种情况：

a)根据tfuel-flow-rising_end-tfuel-flow-rising_start计算燃料阀开阀时间，以此类推，计算燃料阀关阀、氧化剂开阀、氧化剂关阀时间，判断各阀开关时间是否合理，若开关阀时间小于电磁阀动作阈值时间，认为阀体动作正常，若开关阀时间大于电磁阀动作阈值时间，能够完成开关动作，则认为阀体老化；

b)若控制电磁阀的ttl信号正常，流量没有明显的上升或下降，则认为阀体损坏；

c)若阀体未损坏，动作时间正常，则判断阀体响应时间，即ttl控制信号发出到流量开始变化的时间，若响应时间过长，则认为阀体老化；

d)若阀体动作时间和响应时间均正常，则当量比异常由控制时序不当引起。

c.在非爆震状态下，若当量比正常，各电磁阀响应时间，动作时间均正常，判断燃料和氧化剂混合时间是否在阈值范围内，根据判断结果，考虑以下几种情况：

a)混合时间正常，发动机工作于未点火成功状态，认为火花塞故障导致发动机工作失败；

b)混合时间正常，发动机工作于连续燃烧状态，认为由臂温过高导致发动机工作失败；

c)混合时间异常，发动机处于缓燃状态，认为混合时间导致发动机工作失败；

d)混合时间异常，发动机处于未点火成功状态，点火ttl信号异常，认为点火控制信号异常导致发动机工作失败；

e)混合时间异常，发动机处于连续燃烧状态，认为由臂温过高导致发动机工作失败。

如图4所示，获取各压力传感器信号上升时间，最终压力峰值，相邻两个压力传感器信号上升时间差，若三个压力传感器信号峰值均大于cj爆震压力峰值pcj，且相邻两个传感器之间信号峰值时间差dt<35us,即压力波传播速度大于2000m/s，说明发动机工作于爆震状态，成功起爆。

如图5所示，若压力传感器峰值压力上升时间大于20us，且dt>35us，离子电流信号明显滞后于压力传感器1信号，说明发动机工作于缓燃状态，没有成功起爆。

若发动机工作于非爆震状态，传感器信号如图5、图6、图7所示，进一步通过当量比、混合时间等分析故障原因。

如图8所示，对燃料和氧化剂流量信号进行积分，计算当量比；和理论当量比阈值进行比较，若当量比异常，说明发动机异常由当量比异常引起。

进一步判断混合时间是否正常，如图9所示，混合时间由最后动作的阀体流量上升时刻和点火时刻之间的时间差获得；若当量比正常，混合时间异常，发动机异常由混合时间异常引起。

若发动机工作于有阀模式，根据电磁阀响应时间，开阀时间，关阀时间等特征参数，判断电磁阀健康状态，如图10所示，若电磁阀响应时间，开关时间均正常，发动机工作失败由控制时序错误引起。

若发动机工作于无阀模式，当量比异常由燃料或氧化剂供给压力异常引起，混合时间异常由点火时序控制异常引起。

若发动机工作于连续燃烧状态，传感器信号如图7所示，发动机工作失败由爆震管臂温过高，反应物连续燃烧引起。

对单周期发动机工作状态和故障诊断结果进行统计，得出2s时间内发动机整体工作状态。

6)信号采集和故障诊断装置将对发动机每个工作周期的工作状态、工作模式、当量比、混合时间、爆震成功率、故障诊断结果、各传感器参数和故障诊断结果进行统计，得出发动机爆震成功率，故障类型、故障原因等参数，通过uart发送至人机交互装置进行显示。

通过以上发动机闭环故障诊断系统，分析发动机工作状态，故障原因，并得出本次发动机点火试验整体点火次数，爆震次数，点火成功率，故障类型等统计参数，对发动机自适应控制，提高发动机工作频率，提高科研效率等工作有积极意义。

以上所述，仅是本发明针对本发明应用的实施例，可以使本领域的技术人员更全面的理解本发明，但并非对本发明做任何限制。按照本发明技术方案，上述实施例可举出很多例子。凡是根据本发明技术方案所给出的范围和对以上实施例所做的任何简单的修改和变更，均属于本发明技术方案的保护范围。大量的实验结果表明，在本发明权利要求书所提出的范围，均可达到本发明的目的。