基于UIO的航空发动机执行机构故障诊断

为了提高航空发动机诊断过程中对噪声干扰和模型参数变化的鲁棒性,应用UIO(Unknown Input Ob-server)理论估计发动机动态系统的工作状态,通过干扰正交投影弱化外界干扰对状态估计的影响,处理了航空发动机执行机构的故障诊断问题。对航空发动机执行机构设计一组UIO观测器,其中每个UIO用于监测估计对应执行机构的故障偏移量,计算系统输出理论估计值与发动机实际测量信号间的残差数据,分析残差队列的幅值特性,实现航空发动机执行机构系统的故障检测和隔离。某型涡扇发动机上的实验结果表明,与Kalman滤波算法相比,UIO诊断方法更能鲁棒地检测和隔离出执行机构故障。     

航空发动机燃油系统执行机构及其传感器故障诊断

提出了基于执行机构模型和航空发动机逆模型的执行机构及其传感器单一故障诊断和定位方法.基于执行机构小闭环结构建立了3阶执行机构传递函数模型.基于两个并联的BP(back propagation)神经网络,建立了航空发动机稳态逆模块和动态补偿模块,形成航空发动机逆模型,以实现基于航空发动机输出的燃油流量估计.以执行机构模型输出和传感器输出之间的偏差为依据进行故障判别,以航空发动机逆模型输出和传感器输出偏差为依据对故障进行定位.以某型航空发动机及其燃油系统执行机构模型为对象进行的仿真,结果表明,该诊断系统可在航空发动机稳态、动态情况下准确地诊断出幅值在1.6%以上的执行机构及其传感器故障并进行定位,验证了所提出故障诊断方法的有效性.      

航空发动机燃油调节执行机构及其传感器的故障诊断与半物理仿真

为了提高航空发动机控制系统的可靠性,针对航空发动机燃油调节执行机构回路,提出了一种基于执行机构数学模型及发动机燃油逆映射模型的故障诊断方法,以实现对执行机构自身故障及其线性可变差动变压器(LVDT)位移传感器故障的检测和隔离。基于非线性回归方法极端学习机(ELM)算法建立了发动机燃油逆映射模型,保证了燃油估计的精度和实时性。为了验证该方法的可行性和有效性,以涡扇发动机主燃油调节执行机构为研究对象,在半物理仿真试验平台上进行了故障诊断的半物理仿真试验。结果表明,该故障诊断方法能快速准确地检测并区分出幅值在2%以上的执行机构故障和LVDT传感器故障。     

考虑性能退化的航空发动机故障诊断量化评估

航空发动机全生命周期内的故障诊断一直是研究的热点,为保障航空发动机在性能退化条件下故障诊断算法的可靠性,对考虑性能退化的航空发动机进行故障可诊断性量化评估有着重要的意义。本文从状态量的可测量性以及最优观测器设计两个方面对退化状态下航空发动机的滑动窗口模型进行解耦处理。从故障可检测及可隔离两个方面对故障的可诊断性进行量化评估,以巴氏距离为量化标准,将量化评估问题转换为多元分布概率距离求解问题。同时,从故障空间的角度对故障可隔离性进行定义,剥离了参考故障模式的影响,将可隔离性转化为故障空间中故障模式的固有属性,并给出航空发动机故障可检测及可隔离的判据。仿真实验证明,本文所提出的方法可以在发动机性能退化条件下对控制系统传感器、执行机构故障以及发动机气路部件故障进行可诊断性量化评估。     

基于自适应滑模观测器的航空发动机故障诊断

为解决现有航空发动机基于模型的在线故障诊断方法存在对模型精度要求高等的问题,利用滑模方法设计一种自适应滑模观测器对航空发动机进行在线故障重构、诊断与隔离。对传感器故障和执行机构故障分别设计了重构算法,针对两者重构故障的特点提出了判断逻辑,讨论了设计参数对于观测效果与抖振的影响。 Matlab/Simulink仿真结果显示,重构的故障与实际故障基本吻合,对故障的诊断、隔离、定位具有良好效果,并对环境不确定性具有优良的鲁棒性。     

基于多模型的航空发动机传感器混合故障诊断方法

本文在多模型架构下,提出一种航空发动机传感器在线混合故障检测与隔离算法。利用长短期记忆网络逼近航空发动机建模误差、健康参数变化、过程噪声和测量噪声等不确定性源引起的真实发动机与机载模型之间的偏差。将传感器测量输出与不确定性值的偏差用于一种基于多模型的混合卡尔曼滤波器组算法中,利用贝叶斯方法计算每个传感器在健康模式和不同故障模式下的条件概率,然后根据最大概率准则进行传感器故障检测与隔离,克服了阈值难以选取的问题。针对某型涡扇发动机传感器发生偏置故障、漂移故障和间歇性故障的情形进行仿真验证,并对比了不同传感器之间的检测与隔离精度。结果表明：所提出的方法可以在更高水平的退化下诊断出发动机传感器常见的故障,混合方法对不同不确定性源具有鲁棒性。     

航空发动机主供油计量活门故障主动容错控制器设计

针对航空发动机主供油计量活门执行机构发生故障时,系统的输出将会发生跳变,不能很好地跟踪系统期望输出的现象,采用模型参考自适应方法设计了主动容错控制器来解决这一问题.首先针对执行机构故障问题进行了数学描述.其次,选取系统的标称模型为参考模型,以输出误差最小化为优化目标,基于李雅普诺夫稳定性原理,寻找合适的自适应调节律,设计了自适应容错控制器.最后,针对发动机某一工况点进行了不同故障情况下的数值仿真.仿真结果表明:在主供油计量活门发生跳变故障和卡死故障时,自适应容错控制器可以通过参数自动调节,使得系统的输出能够很好地跟踪模型的输出,跟踪误差最终逼近于零.      

基于UIO的航空发动机控制系统传感器故障诊断

研究了航空发动机控制系统传感器鲁棒故障检测与隔离问题,提出了一种克服不同干扰对控制系统诊断性能影响的方法.应用未知输入观测器(unknown input observer,简称UIO)理论来解耦航空发动机动态系统干扰,并针对控制系统传感器设计一族UIO,提取出一系列的传感器残差特征数据,通过分析残差队列的幅值特性,实现航空发动机控制系统传感器故障诊断.在高斯白噪声、模型工作点变化和非高斯噪声三类干扰下的数字仿真结果表明,不管何种干扰,UIO诊断方法均能检测和隔离出传感器故障,在诊断鲁棒性方面,要优于Kalman滤波器诊断算法.      

基于DE-RLSSVM算法的航空发动机传感器故障诊断

为了使约简最小二乘支持向量机(RLSSVM)具有更好的稀疏性和泛化能力,利用微分进化(DE)算法选择RLSSVM的支持向量,提出了DE-RLSSVM算法.在benchmark回归数据集上的仿真试验表明该算法具有很好的稀疏性和泛化能力.然后将该算法用于航空发动机传感器故障的诊断,提出了基于DE-RLSSVM算法的航空发动机传感器故障诊断方法.该方法利用DE-RLSSVM算法对传感器故障进行监测,然后进行定位和隔离.数字仿真结果表明该传感器故障诊断系统能够实现对航空发动机传感器硬故障的检测与隔离.      

航空发动机数字电子控制器的BIT技术

针对航空发动机数字电子控制器BIT的特殊性,研究电子控制器、传感器、执行机构及发动机系统的故障检测方法,规范BIT电路、检测算法和程序,并发展新型高效的检测技术和BIT有效性评价技术是非常有意义的.     

A two-stage approach for managing actuators redundancy and its application to fault tolerant flight control

In safety-critical systems such as transportation aircraft, redundancy of actuators is introduced to improve fault tolerance. How to make the best use of remaining actuators to allow the system to continue achieving a desired operation in the presence of some actuators failures is the main subject of this paper. Considering that many dynamical systems, including flight dynamics of a transportation aircraft, can be expressed as an input affine nonlinear system, a new state representation is adopted here where the output dynamics are related with virtual inputs associated with the intended operation. This representation, as well as the distribution matrix associated with the effectiveness of the remaining operational actuators, allows us to define different levels of fault tolerant governability with respect to actuators’ failures. Then, a two-stage control approach is developed, leading first to the inversion of the output dynamics to get nominal values for the virtual inputs and then to the solution of a linear quadratic(LQ) problem to compute the solicitation of each operational actuator. The proposed approach is applied to the control of a transportation aircraft which performs a stabilized roll maneuver while a partial failure appears. Two fault scenarios are considered and the resulting performance of the proposed approach is displayed and discussed.     

某型机助力器承载特性分析

某旋翼系统装于某型直升机,实测了该直升机在悬停、盘旋、平飞、过载、机动飞行科目下的桨叶变距拉杆的铰链力矩,据此计算了该型机纵向和横向操纵助力器所受载荷;同时根据该机操纵助力器输出力与操纵速度特性曲线,考核验证某旋翼系统的铰链力矩、某型机操纵助力器的承载特性即桨叶和助力器的设计及其匹配是否合理、安全可行。     

自修复飞控系统的鲁棒控制器设计

采用余度部件分担控制任务的控制策略,应用线性二次型的微分对策理论求得具有稳定和性能鲁棒性的控制器,从而保证控制器对余度执行机构的失效或故障不敏感,实现自动排除故障和优美降级性能。仿真结果表明鲁棒控制器的有效性     

垂尾抖振主动控制的压电作动器布局优化

为了提高压电作动器垂尾抖振主动控制系统的控制性能,提出一种基于输出可控性的压电作动器优化准则。使用压电驱动载荷等效方法建立压电纤维复合材料（MFC）压电作动器力学模型,并建立了带MFC压电作动器垂尾结构模型的动力学方程。在模态可控性和模态价值理论的基础上,提出考虑剩余模态影响的压电作动器优化目标函数。针对垂尾结构的前5阶模态使用遗传算法优化得到压电作动器的布局方案,使用线性二次高斯（LQG）最优控制方法控制垂尾的抖振响应。仿真结果表明,本文优化得到的布局方案比用其他方法能更好地均衡系统的模态可控性,减小剩余模态的影响,获得更好的垂尾抖振响应控制。     

Modelling and simulation of flight control electromechanical actuators with special focus on model architecting,multidisciplinary effects and power flows

In the aerospace field, electromechanical actuators are increasingly being implemented in place of conventional hydraulic actuators. For safety-critical embedded actuation applications like flight controls, the use of electromechanical actuators introduces specific issues related to thermal balance, reflected inertia, parasitic motion due to compliance and response to failure. Unfortu-nately, the physical effects governing the actuator behaviour are multidisciplinary, coupled and nonlinear. Although numerous multi-domain and system-level simulation packages are now avail-able on the market, these effects are rarely addressed as a whole because of a lack of scientific approaches for model architecting, multi-purpose incremental modelling and judicious model implementation. In this publication, virtual prototyping of electromechanical actuators is addressed using the Bond-Graph formalism. New approaches are proposed to enable incremental modelling, thermal balance analysis, response to free-run or jamming faults, impact of compliance on parasitic motion, and influence of temperature. A special focus is placed on friction and compliance of the mechanical transmission with fault injection and temperature dependence. Aileron actuation is used to highlight the proposals for control design, energy consumption and thermal analysis, power net-work pollution analysis and fault response.     

颤振抑制中的测量点和压电驱动器的分布

对于一个具有分布式压电驱动器的模型，设计了单输入／单输出（SISO），单输入／多输出（SIMO），多输入／多输出（MIMO）颤振主动抑制控制律，并进行了风洞试验验证。在此基础上，研究了测量点和压电驱动器的分布。     

滚珠旋摆作动器的优化设计

提出了一种新型液压执行机构--滚珠螺旋液压旋摆作动器,建立了一套伺服动态优化设计理论及分析方法。在结构上,采用了多头大升角的滚珠螺旋副、滚珠花键副、滚珠卸荷副、活塞式液压缸等结构,以保证作动器受力特性好、传动平稳、效率高、且输出扭矩大,适应于低、中、高压任何压力的液压系统;在理论上,导出了滚珠螺旋液压旋摆作动器优化参数的设计计算公式,分析了优化参数与系统效率、频宽之间的关系。按照该理论设计的滚珠螺旋液压旋摆作动器,系统耗能最小、效率最高、频带最宽。     

超磁致伸缩电静液作动器的试验研究与特性分析

超磁致伸缩材料驱动的电静液作动器具有结构高度集成、性能影响因素多以及理论分析复杂等特点,为寻求超磁致伸缩电静液作动器可靠的理论分析方法以提高其输出性能,首先搭建了超磁致伸缩执行器与作动器试验测试平台,完成了执行器与作动器动态特性对比试验,在准确测试与观察试验现象的基础上,对超磁致伸缩电静液作动器进行结构分解,以各环节固有频率为理论分析切入点,采用试验、理论与有限元分析相结合的方法,分析了悬臂梁阀片、管路、液压缸以及蓄能器等动态特性对作动器输出性能的影响规律,总结出符合试验结果的理论分析方法并确定了影响与制约作动器输出性能的关键环节,最后提出了超磁致伸缩电静液作动器优化改进方案,优化后作动器试验结果显示：在200 Hz左右、0.6 MPa 的偏压作用下,选取 0.15 mm 厚度的阀片,作动器的输出性能达到最佳,其输出流量最大可达1.2 L/min。     

Model of influence of power line elements on power efficiency of mechatronic modules for advanced mobile objects

The paper describes the influence of power line elements on the power supply output for mechatronic modules. The weight-size parameters for advanced actuators of control systems of aircraft mechatronic modules can be determined by the amount of power consumed by each element of the actuator.     

Concepts for position and load control for hybrid actuation in primary flight controls

Moving towards the More Electric Aircraft, a hybrid actuator configuration, in which an electromechanical actuator (EMA) and an electrohydraulic servoactuator (EHSA) operate on the same control surface, provides an opportunity to introduce electromechanical actuators into primary flight controls. Besides the operation in active/passive or active/active mode, an “active/no-load” mode is promising. In this mode the EMA is controlled such that it actively follows the movement of the control surface without carrying external air loads, thereby reducing power dissipation compared to active/active mode and failure transients compared to active/passive mode. However, force fighting will occur if both actuators are actively controlled. In this paper, control concepts for a hybrid configuration, extending the original actuator control loops, are presented, enabling active/active as well as active/no-load operation. Nonlinear as well as linear models for an EMA, an EHSA, and a control surface structure are derived from technical data for an airworthy EHSA and combined to a model of the hybrid configuration. These models are used for matching of actuator dynamics and simulation of the developed control laws. For active/active mode, maximum force fighting between the actuators is reduced from about 500% to 7% of the stall load. For active/no-load mode, a force control loop is added to the EMA control, causing the EMA to follow movements of the control surface such that the external loads on the EMA are zero in steady-state. Force fighting is reduced to 30% of the stall load.