基于平衡流形的涡扇发动机建模与故障诊断方法-研究

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1、南京航空航天大学硕士学位论文摘要航空发动机故障诊断及容错控制技术是航空发动机健康管理领域的重要研究内容之一，而建立一个存储数据量和计算量较小、实时性好，精度较高的机载简化模型是开展此工作的基础。本文针对某型双轴涡扇发动机建立了全包线平衡流形模型，并以此为平台，开展航空发动机故障诊断及容错控制技术研究。首先，建立了单调度变量的航空发动机平衡流形模型。依据非线性系统平衡流形建模理论，在地面条件下建立了单调度变量的航空发动机平衡流形模型，并对此模型的转速、温度、压力和推力等参数进行了动静态精度的验证。其次，为进行全包线发动机工作状态仿真，提出并建立了

2、双调度变量的航空发动机全包线平衡流形模型。在引入双调度变量的前提下，基于航空发动机相似换算理论，通过二元多项式拟合获取稳态项，神经网络映射获取动态系数的方式，将平衡流形模型扩展到全包线，仿真结果表明所建立的全包线平衡流形模型满足其作为机载简化实时模型的动静态精度要求。再次，针对传统的航空发动机故障诊断仅以发动机作为研究对象的缺陷，该文方法以SIMULINK环境下的飞机与发动机综合模型为平台，在充分考虑两者耦合因素的前提下，依次采用改进Kalman滤波器和最小二乘支持向量机两种不同故障诊断方法，并分别以部件级模型和全包线平衡流形模型为基线模型进行

3、了气路部件故障诊断的研究。仿真结果表明：当基线模型相同时，改进Kalman滤波器和最小二乘支持向量机两种故障诊断方法对蜕化量的估计精度基本一致，但后者实时性更好；当故障诊断方法相同时，以部件级模型为基线模型能对蜕化量进行精确的估计，而以全包线平衡流形模型为基线模型则存在一定的估计误差。最后，以全包线平衡流形模型为基础，开展了航空发动机传感器故障诊断与容错控制研究。对偏置和恒速漂移两种常见传感器故障进行了模拟，设计了传感器故障诊断与容错控制方案，并以航空发动机部件级非线性模型为对象，针对单/双传感器故障进行仿真验证，达到了预期效果。关键词：航空发

4、动机，平衡流形建模，调度变量，故障诊断，容错控制i万方数据基于平衡流形的涡扇发动机建模与故障诊断方法研究ABSTRACTThefaultdiagnosisandfaulttolerantcontroltechnologyforaeroengineisoneofthemostim-portantfieldsofaeroenginehealthymanagement.Andasimplifiedmodelwithlesscomputationalburdenandsatisfyingprecisionisthefoundationoftheabov

5、ementionedwork.Thispaperfocusesontheresearchaboutthefaultdiagnosisandfaulttolerantcontroltechnology,basedonasimplifieden-ginemodelofaturbofan-enginedenotedasequilibriummanifoldmodel.Firstly,anequilibriummanifoldmodel,withasingleschedulingvariable,isbuilt.Accordingtotheequili

6、briummanifoldtheoryfornonlinearsystemmodeling,thismodelisestablishedunderthegroundcondition,theprecisionofwhichwastestedforrotorspeed,totaltemperature,totalpressureandthrustrespectively.Secondly,inordertoemulatetheengineintheentireenvelope,awholeflightenvelopeequilib-riumman

7、ifoldmodelwithtwin-schedulingvariablesisfurtherdeveloped.Byintroducingdualsched-ulingvariables,theequilibriummanifoldmodelisextendedtoadaptivetheentireenvelope.Themodelingprocessforthismodelcontainstwoparts:Oneistoobtainsteady-statebaselinesthroughpolynomialfittingonthebasis

8、ofaerodynamicsimilaritytransformationtheory,theotheristoacquirethedynamicco