基于自适应粒子滤波的航空发动机气路部件故障检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及基于自适应粒子滤波的航空发动机气路部件故障检测方法，属于航空 发动机故障诊断技术领域。
【背景技术】
[0002] 航空发动机为飞行提供动力，其性能与可靠性是飞机性能与飞行安全的重要保 证。但由于航空发动机结构复杂，且工作在高温、强振动等恶劣环境下，属于故障多发系统， 因此航空发动机故障诊断显得十分必要与迫切，并已成为航空动力技术领域的研究热点。 航空发动机气路故障诊断主要是通过测量参数的变化估计出气路部件效率、流量等性能参 数的变化，分析发动机气路部件的健康状况；粒子滤波是采用序贯蒙特卡罗方法来实现递 推贝叶斯估计的滤波方法，由于其在强非线性、非高斯系统中具有良好的估计效果，因此在 航空发动机气路故障诊断中的应用成为当下研究的重点。
[0003] 基于标准粒子滤波器的航空发动机气路故障诊断方法为集中式结构，即将各传感 器测量值直接传输到中央处理器进行全局的健康参数估计，势必造成计算量的大量增加， 为中央处理器造成计算负担。
【发明内容】
[0004] 针对上述技术问题，本发明所要解决的技术问题是提供基于自适应粒子滤波的航 空发动机气路部件故障检测方法，克服了现有技术中的不足，针对航空发动机气路部件故 障与传感器故障设计了融合诊断方法，有效保证了航空发动机更加安全可靠的运行。
[0005] 本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了基于自适应粒子 滤波的航空发动机气路部件故障检测方法，首先针对航空发动机各个指定气路部件，分别 设置用于指定参数测量的各个传感器；然后将各个指定气路部件按其所在工作区域进行划 分获得各个工作区域组，接着设置分别与各个工作区域组相一一对应的局部滤波器，各个 工作区域组中各指定气路部件上设置的各个传感器分别与所在工作区域组对应的局部滤 波器相连接；最后设置与各个局部滤波器相连接的主滤波器；所述故障检测方法包括如下 步骤：
[0006] 步骤001.初始化k= 0,并预设第k时刻航空发动机各个指定气路部件的工作效 率变化系数集合X^5,k、第k时刻航空发动机各个指定气路部件工作效率变化系数对应的协 方差阵集合P4S,k，以及航空发动机系统噪声协方差阵;将上述三组预设量平均分配至 各个局部滤波器中，使得各个局部滤波器分别获得其在第k时刻所获系统各个指定气路部 件的工作效率变化系数集合Xi,k、其在第k时刻的局部滤波器协方差阵集合Plk，以及其对 应的航空发动机系统噪声协方差阵Q，并进入步骤002;其中，i= {1、···、〗}，1表示局部滤 波器的个数；Plk表示第i个局部滤波器在第k时刻所获系统各个指定气路部件工作效率 变化系数，分别相对于该局部滤波器自第0时刻起至第k时刻所有时刻所获对应指定气路 部件工作效率变化系数的协方差，所构成第i个局部滤波器第k时刻的局部滤波器协方差 阵集合；
[0007] 步骤002.分别针对各个局部滤波器，首先抽取与局部滤波器相一一对应包含预 设数量N个粒子的粒子集合，构成该局部滤波器在第k+Ι时刻所获系统各个指定气路部件 工作效率变化系数所对应的粒子集合；然后该局部滤波器根据其在第k时刻所获系统各 个指定气路部件的工作效率变化系数集合Xi,k，针对该局部滤波器在第k+Ι时刻所获系统 各个指定气路部件工作效率变化系数所对应粒子集合中的各个粒子，分别定义其状态量 a^k+1由该局部滤波器在第k时刻所获系统各个指定气路部件工作效率变化系数上下预设 波动范围内的一组随机值组成的集合，并进入步骤003;其中，n= {1、"·、Ν} ;aiin,k+1表示 第i个局部滤波器在第k+1时刻所获系统各个指定气路部件工作效率变化系数对应第η个 粒子的状态量；
[0008] 步骤003.分别针对各个局部滤波器，局部滤波器根据其在第k+Ι时刻所获系统 各个指定气路部件工作效率变化系数所对应的粒子集合，获得其在第k+Ι时刻所获其对应 工作区域组中各指定气路部件工作效率变化系数所对应该粒子集合中各粒子的部分状态 量a' ^k+1，并进一步获得该局部滤波器在第k+Ι时刻所获其对应工作区域组中各指定气 路部件工作效率变化系数所对应该粒子集合中各粒子的部分测量值V^k+1，再进入步骤 004 ；
[0009] 步骤004.分别针对各个局部滤波器，局部滤波器获得其对应工作区域组中各指 定气路部件上各传感器在第k+Ι时刻的检测结果ylik+1，并根据该局部滤波器在第k+Ι时 刻所获其对应工作区域组中各指定气路部件工作效率变化系数所对应、该局部滤波器在第 k+Ι时刻所获系统各个指定气路部件工作效率变化系数所对应粒子集合中各粒子的部分测 量值V^k+1，获得该局部滤波器在第k+Ι时刻所获其对应工作区域组中各指定气路部件 工作效率变化系数所对应、该局部滤波器在第k+Ι时刻所获系统各个指定气路部件工作效 率变化系数所对应粒子集合中各粒子的权值，作为该局部滤波器在第k+Ι时刻所获系统各 个指定气路部件工作效率变化系数所对应粒子集合中各粒子的权值ω?ιηΛ+1，再进入步骤 005 ；
[0010] 步骤005.分别针对各个局部滤波器，局部滤波器针对其在第k+Ι时刻所获系统各 个指定气路部件工作效率变化系数所对应粒子集合中各粒子的权值ω^k+1进行归一化处 理，并结合该局部滤波器在第k+Ι时刻所获系统各个指定气路部件工作效率变化系数所对 应粒子集合中各粒子的状态量a^k+1进行加权处理，使得该局部滤波器获得第k+Ι时刻系 统各个指定气路部件的初级工作效率变化系数集合X'lk+1;接着，该局部滤波器获得其在 第k+Ι时刻所获系统各个指定气路部件初级工作效率变化系数，分别相对于该局部滤波器 自第〇时刻起至第k+Ι时刻所有时刻所获对应指定气路部件初级工作效率变化系数的初级 协方差，构成该局部滤波器第k+Ι时刻的局部滤波器初级协方差阵集合P' 1>k+1，并进入步 骤 006 ;
[0011] 步骤006.各个局部滤波器分别将其所获"1>k+1和W1>k+1，以及其对应的航空 发动机系统噪声协方差阵Q上传至主滤波器中，主滤波器针对来自各个局部滤波器的信息 进行信息融合，分别获得第k+Ι时刻航空发动机各个指定气路部件的工作效率变化系数集 合、第k+Ι时刻航空发动机各个指定气路部件工作效率变化系数对应的协方差阵集 合k+1，以及航空发动机系统噪声协方差阵，并进入步骤〇〇7 ;
[0012] 步骤007.主滤波器将X_,k+1、P_,k+1和Q_平均分配至各个局部滤波器中，各 个局部滤波器分别获得第k+Ι时刻系统各个指定气路部件的工作效率变化系数集合X1>k+1、 第k+1时刻的局部滤波器协方差阵集合P1>k+1，以及局部滤波器所对应的航空发动机系统噪 声协方差阵Q;然后分别针对各个局部滤波器，比较局部滤波器所对应系统各个指定气路 部件上一时刻的工作效率变化系数与当前时刻的工作效率变化系数，实现针对系统各个指 定气路部件的故障检测，并进入步骤009 ;
[0013] 步骤009.将k+Ι的值赋予k，并返回步骤002。
[0014] 作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤001中，针对预设第k时刻航空发动机 各个指定气路部件的工作效率变化系数集合Xt?,k、第k时刻航空发动机各个指定气路部件 工作效率变化系数对应的协方差阵集合，以及航空发动机系统噪声协方差阵，通 过如下公式：
[0015]
[0016] 将上述三组预设量平均分配至各个局部滤波器中，使得各个局部滤波器分别获得 其在第k时刻所获系统各个指定气路部件的工作效率变化系数集合X1>k、其在第k时刻的局 部滤波器协方差阵集合ΡιΛ，以及其对应的航空发动机系统噪声协方差阵Q。
[0017] 作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤003具体包括如下内容：
[0018] 分别针对各个局部滤波器，首先局部滤波器获得其在第k+Ι时刻所对应的测量噪 声vlik+1;然后该局部滤波器根据其在第k+Ι时刻所获系统各个指定气路部件工作效率变 化系数所对应的粒子集合，获得其在第k+Ι时刻所获其对应工作区域组中各指定气路部件 工作效率变化系数所对应该粒子集合中各粒子的部分状态量a' ^k+1，并结合该局部滤波 器在第k+Ι时刻所对应的测量噪声vlik+1，以及第k+Ι时刻的航空发动机控制量uk+1，通过发 动机非线性数学模型，获得该局部滤波器在第k+Ι时刻所获其对应工作区域组中各指定气 路部件工作效率变化系数所对应该粒子集合中各粒子的部分测量值V^k+1，再进入步骤 004〇
[0019] 作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤003中，所述航空发动机控制量为所 述航空发动机的主燃烧室供油量和尾喷管截面积。
[0020] 作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤004具体包括如下内容：
[0021] 分别针对各个局部滤波器，局部滤波器获得其对应工作区域组中各指定气路部件 上各传感器在第k+Ι时刻的检测结果ylik+1，以及其在第k+Ι时刻所对应的测量噪声标准差 〇lik+1，并根据该局部滤波器在第k+Ι时刻所获其对应工作区域组中各指定气路部件工作效 率变化系数所对应、该局部滤波器在第k+Ι时刻所获系统各个指定气路部件工作效率变化 系数所对应粒子集合中各粒子的部分测量值/ ^k+1，通过粒子滤波似然函数，获得该局 部滤波器在第k+Ι时刻所获其对应工作区域组中各指定气路部件工作效率变化系数所对 应、该局部滤波器在第k+Ι时刻所获系统各个指定气路部件工作效率变化系数所对应粒子 集合中各粒子的权值，作为该局部滤波器在第k+Ι时刻所获系统各个指定气路部件工作效 率变化系数所对应粒子集合中各粒子的权值ωi%k+1，再进入步骤〇〇5。
[0022] 作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤004中，局部滤波器在第k+Ι