温度传感器信号修正方法和系统与流程

本发明属于航空发动机总体性能和控制领域，尤其涉及温度传感器信号修正方法和系统。

背景技术：

航空发动机中，温度传感器通常是热电偶或热电阻形式，不可避免地会有较大的时间延迟，对过渡态温度测量精度影响非常大。例如，压气机进口温度(T25)是一个非常重要的参数，常用于与发动机其他参数组合构成换算参数，适应发动机在不同环境下的工作要求，其滞后对发动机过渡态控制具有严重的危害性。因此，为了保证发动机过渡态过程的安全控制，需要获得准确的T25温度值。

当前广泛使用的方法是对T25传感器信号进行补偿，由于T25传感器在不同环境下动态延时特性并不一致，并且发动机运行的高度、马赫数和环境温度等参数变化范围非常广，导致实际过程中难以准确地补偿T25传感器。

航空发动机性能遵循气动热力学原理，沿发动机流道上的性能参数都具有相关性。因此，可以考虑利用其他的传感器信号来合成所需要的传感器信号，即传感器信号合成的方法，这为温度传感器信号补偿带来了一种新的思路。

例如，根据T25测量信号得到T25模拟信号，对该T25模拟信号进行滤波，计算T25模拟信号以及滤波后的T25模拟信号的差值，将该差值加到T25测量信号上，得到稳态合成信号。即，在稳态时选用T25传感器信号，在过渡态时选用该合成信号。但是该方法只适合于稳态工况，过渡态输出信号特性与该合成信号并不一致，因而将该合成信号作为过渡态输出，不可避免的会有稳态误差，影响温度传感 器信号修正值的可靠性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是减小过渡态过程中引入温度信号合成误差。

根据本发明一方面，提出温度传感器信号修正方法，包括：

对温度传感器的稳态合成信号进行超前滞后补偿，得到合成补偿信号；

计算该合成补偿信号当前时刻的值以及前一时刻的值的差值，根据该差值以及温度传感器输出信号前一时刻的值计算输出信号当前时刻的值，作为过渡态的输出信号。

进一步，超前滞后补偿公式为合成补偿信号为稳态合成信号其中，a、b分别与传感器参数值建立对应关系，根据传感器参数值查找到对应的a、b取值，a、b均为系数，S表示复数。

进一步，将过渡态的输出信号进行反馈，与输出信号当前时刻的值共同作为闭环控制的输入，使得过渡态过程的输出信号变化值即为合成补偿信号的变化值，并且使得过渡态的输出信号值跟随输出信号当前时刻的值。

进一步，根据至少两个传感器的变化率来判断是否处于过渡态，并在过渡态时输出过渡态的输出信号。

进一步，根据N1与T1得到的比值为一维，a的取值为另一维，根据获取的N1值与T1值计算得到的比值，查找对应的a值；

根据N1与T1得到的比值为一维，b的取值为另一维，根据获取的N1值与T1值计算得到的比值，查找对应的b值，其中，N1和T1为传感器。

进一步，至少两个传感器包括N2传感器以及T25传感器；

根据N2传感器的变化率得到N2dot值；

根据T25传感器的变化率得到T25dot值；

如果N2dot计算值大于等于设定值，或者，T25dot计算值大于 等于设定值，则判断从稳态进入过渡态；

如果N2dot计算值大于等于设定值，并且，T25dot计算值大于等于设定值，则判断从过渡态进入稳态。

进一步，N2dot计算值为sc1(k)，其中：

sc1(k)＝Kd1*(sc1(k-1)+Kp1*N2dot)

Kd1为小于1的衰退系数，Kp1为参数变化率的比例系数；

T25dot计算值为sc2(k)，其中：

sc2(k)＝Kd2*(sc2(k-1)+Kp2*T25dot)

Kd2为小于1的衰退系数，Kp2为参数变化率的比例系数。

根据本发明另一方面，提出温度传感器信号修正系统，包括：

动态补偿单元，用于对温度传感器的稳态合成信号进行超前滞后补偿，得到合成补偿信号；

计算输出单元，用于计算该合成补偿信号当前时刻的值以及前一时刻的值的差值，根据该差值以及温度传感器输出信号前一时刻的值计算输出信号当前时刻的值，作为过渡态的输出信号。

进一步，动态补偿单元进行超前滞后补偿采用的公式为则合成补偿信号为稳态合成信号其中，a、b分别与传感器参数值建立对应关系，根据传感器参数值查找到对应的a、b取值，a、b均为系数，S表示复数。

进一步，计算输出单元将过渡态的输出信号进行反馈，与输出信号当前时刻的值共同作为闭环控制的输入，使得过渡态过程的输出信号变化值即为合成补偿信号的变化值，并且使得过渡态的输出信号值跟随输出信号当前时刻的值。

进一步，还包括：稳态和过渡态判断单元，用于根据至少两个传感器的变化率来判断是否处于过渡态，并在过渡态时输出过渡态的输出信号。

进一步，根据N1与T1得到的比值为一维，a的取值为另一维，根据获取的N1值与T1值计算得到的比值，查找对应的a值；

根据N1与T1得到的比值为一维，b的取值为另一维，根据获取的N1值与T1值计算得到的比值，查找对应的b值，其中，N1和T1 为传感器。

进一步，稳态和过渡态判断单元根据N2传感器的变化率得到N2dot值，根据T25传感器的变化率得到T25dot值，如果N2dot计算值大于等于设定值，或者，T25dot计算值大于等于设定值，则判断从稳态进入过渡态；如果N2dot计算值大于等于设定值，并且，T25dot计算值大于等于设定值，则判断从过渡态进入稳态。

进一步，N2dot计算值为sc1(k)，其中：

sc1(k)＝Kd1*(sc1(k-1)+Kp1*N2dot)

Kd1为小于1的衰退系数，Kp1为参数变化率的比例系数；

T25dot计算值为sc2(k)，其中：

sc2(k)＝Kd2*(sc2(k-1)+Kp2*T25dot)

Kd2为小于1的衰退系数，Kp2为参数变化率的比例系数。

本发明通过引入超前滞后补偿实现了对原有稳态合成信号的动态修正，得到更加精确的合成补偿信号，并且，根据合成补偿信号过渡态的变化值进行计算，减小了过渡态输出信号误差，提高了温度传感器信号修正值的可靠性。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本发明的实施例，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理。

参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本发明，其中：

图1所示为典型的燃气涡轮发动机。

图2所示为温度传感器信号修正系统的结构示意图。

图3所示为温度传感器信号修正系统另一实施例的结构示意图。

图4为现有T25信号修正效果的示例图。

图5为本发明T25信号修正效果的示例图。

图6所示为温度传感器信号修正方法的流程示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1所示为典型的燃气涡轮发动机。其按气流轴向流动方向a，依次具有低压级(风扇1和增压级2)；高压压气机3，以压缩进入核心发动机的空气流；燃烧室4，燃油和压缩空气的混合物在该燃烧室中燃烧，以产生推进气流；高压涡轮5和低压涡轮6，它们由推进气流转动，分别通过高压轴8和低压轴9，驱动高压压气机和风扇增压级；尾喷管7，涡轮出口气流经尾喷管高速喷出。温度传感器分布在发动机流路的多个位置，在发动机过渡态时均具有明显的滞后性。

图2所示为温度传感器信号修正系统的结构示意图。该系统包括：动态补偿单元210、以及计算输出单元220。为了便于示例性说明，在 该附图中还示出了其它相关单元以及输入信号。本领域技术人员应该可以理解，这里只是用于举例说明，不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围以权利要求覆盖的范围为准。

动态补偿单元210，用于对温度传感器的稳态合成信号进行超前滞后补偿，得到合成补偿信号。

其中，动态补偿单元进行超前滞后补偿采用的公式为则合成补偿信号为稳态合成信号其中，a、b分别与传感器参数值建立对应关系，根据传感器参数值查找到对应的a、b取值，a、b均为系数，S表示复数。

例如，根据N1与T1得到的比值为一维，a的取值为另一维，根据获取的N1值与T1值计算得到的比值，查找对应的a值。这里比值与a的对应关系可能是已建立的曲线，即通过比值找到该曲线上的点，再找到该点对应的另一坐标，即为a；或者，比值与a的对应关系是保存在数据表中，通过查表找到。这里只是用于举例说明，不应理解为对本发明的限制。

根据N1与T1得到的比值为一维，b的取值为另一维，根据获取的N1值与T1值计算得到的比值，查找对应的b值。这里比值与b的对应关系可能是已建立的曲线，即通过比值找到该曲线上的点，再找到该点对应的另一坐标，即为b；或者，比值与b的对应关系是保存在数据表中，通过查表找到。这里只是用于举例说明，不应理解为对本发明的限制。其中，N1和T1为传感器。其中，N1传感器测量发动机低压转子转速，T1传感器测量发动机风扇进口温度。在下面的实施例中将对该超前滞后补偿过程进行详细说明。

在发动机全飞行包线内，通过在不同的N1/(T1/288.15)^0.5值下，改变供油量Wf，获取T25和N1的动态数据，通过系统辨识的数学方法，获得T25与N1的动态误差数据，其形式即为K*(aS+1)/(bS+1)，其中，K为增益，从而获得a、b参数。也就是建立a与比值的对应关系，以及b与比值的对应关系，从而获取动态补偿的超前滞后环节a、b参数。以上过程可通过发动机工作数据、试验数据或发动机性能模型实施。

计算输出单元220，用于计算该合成补偿信号当前时刻的值以及前一时刻的值的差值，根据该差值以及温度传感器输出信号前一时刻的值计算输出信号当前时刻的值，作为过渡态的输出信号。

在该实施例中，通过引入超前滞后补偿实现了对原有稳态合成信号的动态修正，得到更加精确的合成补偿信号，并且，根据合成补偿信号过渡态的变化值进行计算，减小了过渡态输出信号误差，提高了温度传感器信号修正值的可靠性。

在本发明另一实施例中，计算输出单元将过渡态的输出信号进行反馈，与输出信号当前时刻的值共同作为闭环控制的输入，使得过渡态过程的输出信号变化值即为合成补偿信号的变化值，并且使得过渡态的输出信号值跟随输出信号当前时刻的值。从而可以实现过渡态和稳态的平滑切换。

这里可以采用控制算法进行切换控制，算法可采用但不限于PID算法、改进PID算法或LQR算法等。

在本发明另一实施例中，还如图2所示，所述温度传感器信号修正系统，还包括：

稳态和过渡态判断单元230，用于根据至少两个传感器的变化率来判断是否处于过渡态，并在过渡态时输出过渡态的输出信号。从而，能够更加准确的判断是否处于过渡态。

例如，稳态和过渡态判断单元根据N2传感器的变化率得到N2dot值，根据T25传感器的变化率得到T25dot值，如果N2dot计算值大于等于设定值，或者，T25dot计算值大于等于设定值，则判断从稳态进入过渡态；如果N2dot计算值大于等于设定值，并且，T25dot计算值大于等于设定值，则判断从过渡态进入稳态。其中，N2传感器测量发动机高压转子转速，T25传感器测量高压压气机进口温度。

现有技术是根据N2传感器的变化率、或者T25传感器的变化率，即根据上述任一变化率来进行状态判断，得到的结果不够准确。因为N2传感器稳定时，T25传感器还未稳定。所以，在该实施例中，根据N2传感器的变化率以及T25传感器的变化率来判断是否处于过渡态， 能够更加准确的判断是否处于过渡态。

图3所示为温度传感器信号修正系统另一实施例的结构示意图。

T1传感器测量发动机风扇进口温度，N1传感器和N2传感器分别测量发动机低压和高压转子转速，T25传感器位于高压压气机进口截面。利用T1、T25、N1、N2传感器信号在发动机电子控制器中进行实时计算，获得T25传感器修正信号，与其他传感器信号一起输入进行控制器计算，通过执行机构实现在过渡态正确控制发动机运行。

选取此T1和N1传感器信号对T25进行信号合成，在数表3中，横轴为关于N1与T1的比值，纵轴为关于T25与T1的比值，当输入N1与T1值之后，根据横轴标出的公式计算出相应的横轴值，查找与该横轴值对应的曲线上的点，再找到该点对应的纵轴值，将该纵轴值乘以T1值，从而得到T25值，即获得T25稳态合成信号。

对该T25稳态合成信号进行动态补偿，补偿形式为超前-滞后环节：

$Comp=\frac{aS+1}{bS+1}$

其中，参见数表1，横轴为关于N1与T1的比值，纵轴为a的取值，根据获取的N1值与T1值计算得到的比值作为横轴值，查找与该横轴值对应的曲线a上的点，再找到该点对应的纵轴值，该纵轴值即为a的取值。

类似的，参见数表2，横轴为关于N1与T1的比值，纵轴为b的取值，根据获取的N1值与T1值计算得到的比值作为横轴值，查找与该横轴值对应的曲线b上的点，再找到该点对应的纵轴值，该纵轴值即为b的取值。从而可以分别获得超前-滞后环节的时间常数a、b。

为了更进一步提高全包线的过渡态补偿精度，还可以对高度和马赫数进行分段，从而补偿形式为多维插值的超前-滞后环节。

T25输出信号基于两种信号的选择和切换，一个是T25传感器信号，另一个是T25合成补偿信号，即上面已经计算得到的动态补偿后的T25稳态合成信号。两者相比，前者稳态信号准确，后者过渡态性能较好，但存在系统误差。因此，本发明采用增量式的累加方法，通 过存储T25合成补偿信号前一时刻值T25s(k-1)并与当前时刻值T25s(k)作差：

INC＝T25s(k)-T25s(k-1)

并且，存储前一时刻的T25输出信号值T25c(k-1)，与差值INC进行累加，得到输出信号当前时刻值T25c(k)：

T25c(k)＝T25c(k-1)+INC

通过利用T25合成补偿信号过渡态的变化值，而非其绝对值，从而达到减小过渡态输出信号误差的目的。为了达到平稳切换的效果，将过渡态的输出信号进行反馈，与输出信号当前时刻的值共同作为闭环控制的输入，采用控制算法进行闭环控制，达到快速稳定跟踪切换目标值的目的。该算法可采用但不限于PID算法、改进PID算法或LQR算法等。

发动机稳态和过渡态控制切换的判据为sc1和sc2系数值：

$N2dot=\frac{N2\left(k\right)-N2(k-1)}{dt}$

$T25dot=\frac{T25\left(k\right)-T25(k-1)}{dt}$

sc1(k)＝Kd1*(sc1(k-1)+Kp1*N2dot)

sc2(k)＝Kd2*(sc2(k-1)+Kp2*T25dot)

sc(k)初始值均为0，当然，也可以根据需要设置为其它值，这里以及之后所说的sc(k)包括sc1(k)和sc2(k)。sc(k)值取决于上一步sc(k-1)值和参数(高压转子转速N2传感器测量值或T25传感器测量值)的变化率N2dot或T25dot(dt为电子控制器采样周期)。其中，Kd1和Kd2为小于1的衰退系数，Kp1和Kp2为参数变化率的比例系数，可取常值或变化值；x1和x2为阈值，不同的发动机由于性能不同，这些参数合适的取值会有所差异。

如果sc1>＝x1或sc2>＝x2时，判断出发动机从稳态进入到过渡态；如果sc1>＝x1且sc2>＝x2，可判断出T25传感器信号已经稳定，即，发动机从过渡态进入到稳态。

经过上述判断后，如果发动机从过渡态进入到稳态，则输出T25传感器信号，如果发动机从稳态进入到过渡态，则输出计算得到的输 出信号当前时刻值。

为了适应传感器故障情况，增加故障处理单元，当T25温度传感器故障时，输出计算得到的输出信号当前时刻值。如果未故障，则输出T25传感器信号。

为了对本发明的效果进行说明，下面将对现有技术的修正效果与本发明的修正效果进行对比说明。

图4为现有T25信号修正效果的示例图。

在过渡态直接切换到T25合成补偿信号，以发动机为稳态-加速-稳态的过程为例。粗实线为T25真实值；点画线为T25传感器信号，过渡态明显的延迟；细实线为T25合成补偿信号，存在一定的稳态误差；粗虚线为T25输出信号，沿时间变化，T25信号输出依次为：T25传感器信号→稳态-过渡态硬切换→T25合成补偿信号→过渡态-稳态硬切换→T25传感器信号。该方法虽然能够改善T25信号的动态性能，但是其输出信号存在动态特性不准确，数值带有系统误差，稳态和过渡态切换时有明显的突变等问题。

图5为本发明T25信号修正效果的示例图。

发动机为相同的稳态-加速-稳态的过程，改进方法可有效提升T25输出信号的精度，并有效改善信号的平稳性。

本发明的方法可用于航空发动机流道内其他温度传感器的信号修正。因此，上述实施例虽然以T25传感器为例，但是，本领域技术人员应该可以理解，本发明并不限于对T25传感器进行信号修正。

图6所示为温度传感器信号修正方法的流程示意图。该方法包括以下步骤：

在步骤61，对温度传感器的稳态合成信号进行超前滞后补偿，得到合成补偿信号。

其中，超前滞后补偿公式为合成补偿信号为稳态合成信号其中，a、b分别与传感器参数值建立对应关系，根据传感器参数值查找到对应的a、b取值，a、b均为系数，S表示复数。

例如，根据N1与T1得到的比值为一维，a的取值为另一维，根 据获取的N1值与T1值计算得到的比值，查找对应的a值。这里比值与a的对应关系可能是已建立的曲线，即通过比值找到该曲线上的点，再找到该点对应的另一坐标，即为a；或者，比值与a的对应关系是保存在数据表中，通过查表找到。这里只是用于举例说明，不应理解为对本发明的限制。

根据N1与T1得到的比值为一维，b的取值为另一维，根据获取的N1值与T1值计算得到的比值，查找对应的b值。这里比值与b的对应关系可能是已建立的曲线，即通过比值找到该曲线上的点，再找到该点对应的另一坐标，即为b；或者，比值与b的对应关系是保存在数据表中，通过查表找到。这里只是用于举例说明，不应理解为对本发明的限制。其中，N1和T1为传感器。其中，N1传感器测量发动机低压转子转速，T1传感器测量发动机风扇进口温度。在下面的实施例中将对该超前滞后补偿过程进行详细说明。

在发动机全飞行包线内，通过在不同的N1/(T1/288.15)^0.5值下，改变供油量Wf，获取T25和N1的动态数据，通过系统辨识的数学方法，获得T25与N1的动态误差数据，其形式即为K*(aS+1)/(bS+1)，其中，K为增益，从而获得a、b参数。也就是建立a与比值的对应关系，以及b与比值的对应关系，从而获取动态补偿的超前滞后环节a、b参数。以上过程可通过发动机工作数据、试验数据或发动机性能模型实施。

在步骤62，计算该合成补偿信号当前时刻的值以及前一时刻的值的差值，根据该差值以及温度传感器输出信号前一时刻的值计算输出信号当前时刻的值，作为过渡态的输出信号。

在该实施例中，通过引入超前滞后补偿实现了对原有稳态合成信号的动态修正，得到更加精确的合成补偿信号，并且，根据合成补偿信号过渡态的变化值进行计算，减小了过渡态输出信号误差，提高了温度传感器信号修正值的可靠性。

在本发明的实施例中，将过渡态的输出信号进行反馈，与输出信号当前时刻的值共同作为闭环控制的输入，使得过渡态过程的输出信 号变化值即为合成补偿信号的变化值，并且使得过渡态的输出信号值跟随输出信号当前时刻的值。从而可以实现过渡态和稳态的平滑切换。

这里可以采用控制算法进行切换控制，算法可采用但不限于PID算法、改进PID算法或LQR算法等。

在本发明的实施例中，根据至少两个传感器的变化率来判断是否处于过渡态，并在过渡态时输出过渡态的输出信号。

例如，至少两个传感器包括N2传感器以及T25传感器；

根据N2传感器的变化率得到N2dot值；

根据T25传感器的变化率得到T25dot值；

如果N2dot计算值大于等于设定值，或者，T25dot计算值大于等于设定值，则判断从稳态进入过渡态；

如果N2dot计算值大于等于设定值，并且，T25dot计算值大于等于设定值，则判断从过渡态进入稳态。

现有技术是根据N2传感器的变化率、或者T25传感器的变化率，即根据上述任一变化率来进行状态判断，得到的结果不够准确。因为N2传感器稳定时，T25传感器还未稳定。所以，在该实施例中，根据N2传感器的变化率以及T25传感器的变化率来判断是否处于过渡态，能够更加准确的判断是否处于过渡态。

在本发明的实施例中，N2dot计算值为sc1(k)，其中：

sc1(k)＝Kd1*(sc1(k-1)+Kp1*N2dot)

Kd1为小于1的衰退系数，Kp1为参数变化率的比例系数；

T25dot计算值为sc2(k)，其中：

sc2(k)＝Kd2*(sc2(k-1)+Kp2*T25dot)

Kd2为小于1的衰退系数，Kp2为参数变化率的比例系数。

在上述实施例中，sc(k)初始值均为0，当然，也可以根据需要设置为其它值，这里以及之后所说的sc(k)包括sc1(k)和sc2(k)。sc(k)值取决于上一步sc(k-1)值和参数(高压转子转速N2传感器测量值或T25传感器测量值)的变化率N2dot或T25dot(dt为电子控制器采样周期)。其中，Kd1和Kd2为小于1的衰退系数，Kp1和Kp2为参数变化率的比例系数，可取常值或变化值；x1和x2为阈值，不同的发动机由 于性能不同，这些参数合适的取值会有所差异。

如果sc1>＝x1或sc2>＝x2时，判断出发动机从稳态进入到过渡态；如果sc1>＝x1且sc2>＝x2，可判断出T25传感器信号已经稳定，即，发动机从过渡态进入到稳态。

至此，已经详细描述了本发明。为了避免遮蔽本发明的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。

可能以许多方式来实现本发明的方法以及装置。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本发明的方法以及装置。用于所述方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本发明的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本发明实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本发明的方法的机器可读指令。因而，本发明还覆盖存储用于执行根据本发明的方法的程序的记录介质。

虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。