一种航空发动机与燃油执行机构联合建模仿真及故障注入方法

本发明涉及一种航空发动机与燃油执行机构联合建模仿真及故障注入方法，属于航空发动机建模与仿真。

背景技术：

1、航空发动机内部各元件经受着高压、高温、高频振动的考验，还面临着极端条件可能带来的风沙冲击、高盐度高湿度空气、极低气温等严峻环境，因而执行机构以及各类传感器容易出现各类性能退化及故障情况。执行机构是连接控制器和发动机工作的桥梁，其中燃油执行机构的作用是按照当前的控制规律，在控制器的调节下为发动机工作提供相应的燃油流量，保证发动机按照飞行员的输入指令执行相应的平稳工作或加减载状态工作。常见的燃油执行机构故障包括油路泄漏、作动筒卡死、活塞堵塞、传感器故障等，一旦燃油执行机构出现故障，发动机可能出现富油、贫油、功率悬挂等严重的后果。

2、目前针对燃油执行机构故障模拟多是使用数学模型描述，或者建立详细的故障机理模型，未能将故障模型放置于发动机模型中研究协同影响。公开号为cn109829243a的专利研究了一种组合式航空发动机高压齿轮泵建模仿真及故障注入方法，提取了航空发动机中离心泵和齿轮泵的流场域并进行仿真，研究了离心泵出口燃油无增压、离心泵出口燃油增压降低、齿轮泵供油流量降低三种故障模式，未研究故障齿轮泵对航空发动机工况的影响。公开号为通过建立燃油执行机构和航空发动机的联合仿真平台，有助于研究燃油执行机构内部各部件故障时的工况特点，为发动机的故障定位及诊断提供依据，进一步帮助发生位置和机理不同的故障提供后续的容错方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种既能模拟常见燃油执行机构性能退化及故障的液压机械仿真模型，又能研究相应燃油执行机构对发动机工况影响的联合仿真平台。

2、燃油执行机构模型包括计量阀、伺服阀、随动活塞、等压差阀以及lvdt传感器。当电子控制器按发动机的调节计划和控制规律计算出相应的燃油流量后，经过流量-位移换算模块计算得到指定的油针位置，控制算法计算并输出相应的电流指令信号，通过数-模转换放大后变成实际的电流量传递给伺服阀，伺服阀将电流量转换成动力油压输入燃油执行机构。伺服阀中阀芯受到进口油压的影响发生移动，带动与伺服阀油路分别相连的随动活塞进行相应的位移，随动活塞另一端在计量阀中，与燃油计量阀共同构成计量阀节流口开口面积a的开口流道，由于随动活塞的油针是锥形的，所以通过随动活塞的位移可以相应控制计量阀的开度。

3、等压差阀前后分别连接的是计量阀的前端和后端，即燃油进口和燃油出口，根据阀门液体流量的公式：

4、

5、在结构一定、燃油种类确定的情况下，忽略温度变化对燃油流量的影响，上式中燃油通道的流量系数μ和燃油密度ρ可近似为常数。可以看出在阀门前后压差不变的情况下，燃油经过阀门的流量与阀门开度有关，即开口面积a，开口面积的大小由随动活塞控制，同时与阀门前后压力差有关。为避免同时调节a和产生的复杂控制过程，等压差活门正常工作时燃油流量的输出理论上应该与随动活塞的位移唯一相关，因而该系统采用与随动活塞相连的lvdt位移传感器监测燃油流量的输出，通过lvdt传感器将燃油计量阀的油针位移反馈给执行机构小闭环控制器。

6、等压差活门前端挡板控制燃油回油口开度，等压差阀在稳定状态下，计量阀前后的压力差乘以等压差活门的挡板面积产生的压力与弹簧压缩的压力一致，弹簧长度不变保持平衡，保证阀门前后压差不变。当阀门前后压力发生改变时，弹簧发生位移，控制燃油进口附近的回油流量，从而调节计量阀前端的压力，保证其与计量阀出口的压力差维持在固定值。

7、为保证发动机非线性部件级模型的实时性和收敛性，使用随机森林回归模型对共同工作方程的初猜值进行预测，使用l-m算法进行迭代求解。首先在保持其他条件不变的前提下，分别进行将燃油流量从设计点供给量的100％逐步下调0.5％，直到燃油流量到达设计点的10％；每次采样高度增加200m；马赫数每次增加0.1；负载扭矩每次增加10％。控制各输入变量每次只修改单一条件，最后将选取的各工况参数作为随机森林的训练集；

8、对于n个输入特征的数据集d，拥有k组样本数据，根据bagging理念，在其中抽取k组样本n个特征对单个学习器进行训练，选择基尼系数最小作为损失函数m的计算标准，对单棵cart回归树进行分支和训练。最后将所有树的预测值求平均，作为随机森林的回归输出。

9、使用simulink作为中间仿真平台。amesim中有自带的simulink平台接口，在建立好的amesim模型中添加一个可以被simulink调用的接口模块，将发动机所需的燃油流量换算为油针位置指令输入给燃油执行机构，将最终输出的传感器位移信号和喷嘴处的实际燃油质量流量作为输出信号传递给simulink仿真平台。

10、将使用c++语言编写的发动机模型模型封装为dll动态链接库，该类型的文件自带输入输出函数extem″c″declspec(dllexport)void engine(double*datain，double*dataout)，其中*datain，*dataout是用于写入和读取数据的起始地址，用于存放发动机模型输入和输出参数。

11、基于燃油执行机构的控制结构，本文将燃油执行机构的故障区分为燃油供油的执行机构故障和执行机构传感器故障。对于执行机构可能产生的故障，分为以下几个方面：

12、(1)执行机构偏置故障

13、当燃油执行机构使用时间过久缺乏校正或者伺服阀掉线等情况时，燃油流量的输出可能产生一个稳定的偏置，输出的燃油流量wf在正常工作的基础上始终存在一个固定的增大或者减小的偏差，这个偏差□wf不会随着燃油指令的输入改变而改变，其输出的表达式为：

14、wf0＝wf+□wf

15、(2)执行机构卡死故障

16、当执行机构中的随动活塞因为某种原因无法被驱动或者被卡死在固定位置时，燃油计量阀的节流口开口面积大小a就无法被调节，燃油流量输出保持恒定值不变。这个数值a存在调节范围，不会超过燃油执行机构的包线：

17、

18、(3)执行机构性能退化

19、燃油执行机构本质是液压机械结构，随着工作时间的累积，设备会出现不同程度的性能退化，对燃油流量的输出形成不同程度的偏差影响。将性能退化按部件进行区分，本文选取以下几方面健康参数可能发生的退化进行分析：

20、对于计量阀作动筒，可能发生的健康退化包括：燃油内泄露、燃油外泄露、随动活塞静摩擦增大、随动活塞外摩擦增大。

21、对于伺服阀，可能发生的退化包括：零偏增大和零偏减小，这也是导致燃油执行机构输出产生偏置故障的主要原因。

22、对于等压差活门：当等压差活门失效或者弹簧刚度发生变化，无法使计量阀前后压力差保持一致，根据液体质量流量公式，压力差变化后流量就不与节流口开口大小唯一相关了，燃油输出将不再与随动活塞位移成线性关系。

23、(4)传感器故障

24、传感器故障分为硬故障和软故障。硬故障通常表现为传感器在未收到外界干扰的情况下的输出值在原本测得值的基础上发生较大的尖峰信号，或者产生较大的偏置信号，甚至直接不改变信号或者掉线，在传感器的输出结果上可能与执行机构卡死或者执行机构输出偏置一致，但是发生故障的原因不同，实际的燃油供给量也不同，进行容错控制的方法也不同，所以必须对两种故障进行区分。对于传感器硬故障最严重的情况是直接失效，不为控制器和小闭环控制提供位移反馈。传感器软故障的原因大多是工作时间长产生的累积退化，通常表现为输出值产生一个倍数的增益，通常表达为：

25、wf0＝kwf

26、其中k为增益系数，当k为1的时候，传感器处于正常的工作状态，当k大于1或者小于1时，说明传感器产生了退化，数值显示不再准确。