发动机试验数据分析系统设计与实现

故障诊断 有效性评估
图 3 试验数据分析软件的流程逻辑
故障库 履历库
故障参数 敏感性分析
Fig.3 The implementation flow chart of data analysis software
3.3 主要功能模块设计
由图 3 可知 ， 与试验数据分析最相关的模块是 传感器故障隔离 、 气路故障诊断和优化调整 ， 下面分 别简介这三个主要功能模块的设计 。 为了阐述方便 ， 首先给出发动机数学模型 ：Y=FEPSM (X +α)+β， 其中 Y 是测量参数向量 ，X 是故障参数向量 ，α 是故障偏差 向量 ，β 是测量偏差向量 ，FEPSM 是发动机性能仿真函 数 ， 下标 EPSM 表示发动机性能仿真模型 。 自适应模
3 系统总体设计
3.1 主要功能
本系统针对发动机试验数据进行分析 ， 并最终 实用于设计流程和工程实践中 ， 主要有三方面功能 ： 首先是基于设计要求的一些基本功能 ， 如测量数据 有效性处理 、 传感器故障判定隔离和数据重构 、 发动 机气路部件性能故障诊断 、 可变几何部件优化调整 等 ； 其次是为工程实践服务的一部分功能 ， 如各种结 果的显示输出打印 、 发动机故障库和履历库的建立 等 ； 最后是一些附加功能 ， 如故障参数敏感性分析 、 故障诊断有效性评估等 。 系统的主要功能参见图 2。
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朱大明等 ： 发动机试验数据分析系统设计与实现
-1
第3期
FEPSM
-1
型相当于性能计算模型的反计算 ， 则可用 FEPSM 表示 自适应模型 。 同时使用下标 a 表示实际测量 ， 下标 c 表示模拟计算 。
1:(y2，…，yn)
d1
3.3.1 传感器故障隔离模块
鉴于测量序列多变 、 无历史稳态数据和时间序 列数据的情况 ， 本文以发动机性能模型为基础 ， 借 助模型自适应性和模式识别技术 ， 建立了一种以分 析发动机性能参数偏差来模拟测量参数偏差的传 感器诊断方法 。 这种方法的基本原理是 ： 设有 n 个测量参数对 应 n 个传感器 ， 只有一个传感器发生了故障 。 诊断 过程是对第 i 个测量参数 ， 使用除第 i 个以外的其 余 n -1 个测量参数通 过 发 动 机 自 适 应 模 型 估 计 性 能 。 如果是第 i 个传感器发生了故障 ， 那么只有这次 得到的估计结果与真实情况最接近 ， 因为只有这次 没有使用发生故障传感器的测量信息 。 若发动机没 有故障 ， 则考察 n 次用 n-1 个测量参数自适应得到 的性能与基线值的差别 ， 最接近基线值的一组对应 的 i 为故障传感器 。 若发动机本身有故障 ， 则性能真 实值在没有排除传感器故障前无法获得 ， 此时可使 用文献 [2] 的处理方式 。 但文献 [2] 的方法既要求模型 自适应程度好又要求优化程度好 ， 本文受文献 [2] 的 启发 ， 利用自适应收敛判断函数建立了一种传感器 故障隔离方法 。 自适应收敛条件应为实际测量向量与模拟测 量向量之间的相似程度 ， 一般采用直线距离进行度 量 ， 即 d=
[1]
2 试验数据分析系统的作用
试验数据分析系统除了可以大大增加研制阶段 整机试车的试验效率外 ， 在其它发动机试验中也有 重要应用 。 在发动机设计定型 、 进入批生产以后 、 批 生产的常规试车中 ， 试验数据系统可用来全面评估 每台发动机的出厂状态 ， 形成有使用价值的出厂发 动机性能数据库 ， 对生产流程 、 生产工艺的改善与提 高很有帮助 。除了针对真实试验数据以外 ， 在发动机 总体方案设计阶段 ， 试验数据分析系统也可以通过 数值模拟和虚拟试验的方法来考核所设计部件的特 性和整机性能对故障诊断难易的影响 。 试验数据分 析在整个发动机研制发展阶段的作用可参见图 1。 综上所述 ， 从发动机初期的总体设计开始 ， 直到 研制试车和最后的批生产常规试车 ， 试验数据分析 系统都起到很重要的作用 。
Design and Realization of Engine Test Data Analysis System
ZHU Da-ming， ZHU Zhi-li
(School of Jet Propulsion， Beijing University of Aeronautics and Astronautics ， Beijing 100191 ， China) Abstract ： Taking engine test data as study object, a data analysis system is established for the whole engine test in research and development. System design functions, implementation flow chart and main function module design are described on the base of analysis of the system role. Finally, the development of the system is discussed. Key words ： aero-engine；test ；data analysis；optimal adjustment
数值模拟
虚拟试验
ຫໍສະໝຸດ Baidu
传感器故障诊断隔离 气路性能故障诊断 几何优化调整
国家设计定型试车
批生产发动机 工厂 / 检验 / 提交验收试车
评估出 厂状态
出厂数 据库
改善 生产
图 1 试验数据分析在发动机研制发展各个阶段的作用
Fig.1 The role of test data analysis in engine research and development
因此 ， 建立一套适合试车台架的发动机试验数据分 析系统有着十分重要的意义 。
收稿日期 ： 2009-10-18 ； 修回日期 ： 2010-07-07 作者简介 ： 朱大明 (1981-) ， 男 ， 黑龙江延寿人 ， 博士 ， 主要从事航空发动机总体性能研究 。
第 23 卷
发动机研制发展流程 发动机总体方案设计 总体性能设计 / 总体结构设计 部件研制和调试 部件设计 / 部件试验 整机试车 地面台架 / 高空台架 / 空中台架
1 引言
航空发动机研制和发展本身是一个创新的过 程 ， 与新概念 、 新技术 、 新材料和新工艺相关联 。 因 此 ， 在设计与发展的各个阶段 ， 不可能考虑到发动机 各个部件在预定条件下所有的工作过程特性 ， 只有 通过发动机台架试车 ( 包括地面台架 、 高空台架和空 中台架)才能了解整个工作特性范围内发动机部件和 部件之间以及部件与整机之间的工作影响 。 所以对 发动机台架试车所得试验数据进行全面而具体的分 析十分重要 。 一个高效的试验数据分析系统可以进行科学调 整决策 、 减少试验时间 、 加快研发速度 、 节约研发经 费 ， 对于验证和修正部件及系统试验结果 、 确定发动 机总体性能 、 验证发动机各个部件的匹配性能 、 考核 发动机结构完整性和系统可靠性 等有重要帮助。
测量数据 检查 气路 故障 诊断 传感器 故障隔离 几何 优化 调整
测量数据 处理报告 是否是粗大 误差 / 如何处 理 （ 重构还 是剔除 )/ 有什 么影响 / 等
基本功能 发动机 试验数据 分析系统
优化调整报告 优化调整方案 / 调整后发动 机性能预测 / 等
显示 打印 输出
工程 功能
附加 功能
N 2 2
自适应结束 。 以第 i 个测量参数为例 ， 使用除 i 以外 的 n-1 个测量参数进行自适应 。 若 i 是故障传感器 测量参数 ， 则本次自适应没有使用到故障信息 ， 在 自适应模型较为准确的条件下应该能匹配到某个 发动机真实物理工作状态 ， 理论上 d=0， 不过实际计 算中存在收敛精度 ，d 也为一小量 。 若 i 不是故障传 感器测量参数 ， 则本次自适应使用了故障信息 ， 在 自适应模型较为准确的条件下应该无法匹配到某 个发动机真实物理工作状态 ，d 是一个相对较大的 数值 。 所以直接使用自适应收敛判断函数 d 就可以 进行传感器故障隔离 。 这种方法的流程可参考图 4。
系统维护 用户名 / 密码 设计参数 / 部件特性 / 试验数据 发动机基线模型 修正与自适应 测量数据 有效性处理和分析 传感器故障 ？ 否 诊断报告 故障程度 排序 / 确认 加测方案 / 故障发动 机性能预 测/等 发动机气路故障诊断 故障诊断有效性评估 测量参数敏感性分析 发动机性能优化调整 故障库 显示 / 打印 / 输出 履历库 传感器 是 故障隔离 数据重构 设计点性能报告 节流 / 速度 / 高度 特性计算报告 传感器 分析报告 故障隔离 / 辨 识 / 数据剔除 / 重构 / 有什 么影响 / 等
N 2
姨 姨
Σ
i = 1
≤
Yci-Yri Yri N
≤
(1)
Σa i
i = 1
ε=
≤
Yci-Yri Yri N
≤
(2)
式中 ：a i 为根据 不 同 测 量 参 数 测 量 精 度 不 同 而 设 置 的权重值 。 公 式 (2) 所 示 目 标 函 数 已 转 化 为 加 权 最 小 二 乘 函数的极值问题 ， 这时的目标函数也只是考虑了测 量参数的影响 。 显然可以在目标函数中添加故障参 数相关项 ， 把故障参数的影响也计入目标函数 。 参考 测量参数影响 ， 目标函数可修改为 ：
图 2 系统主要功能
Fig.2 Main functions of the system
3.2 设计原则
为了在满足设计要求的同时完成规定的功能 ， 系统的总体设计思想是 ： 应用范围广 ， 不局限于一种 发动机 ， 通用性好 ； 不同功能模块之间 、 同一功能模 块的各个子程序之间应衔接方便 ， 各个程序接口都
燃 气 涡 轮 试 验 与 研 究
发动机试验数据分析系统
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实行标准化设计 ， 便于其灵活组合 ， 以适应不同发动 机类型 、 不同测量参数和不同待诊断故障等多种可 选要求的限制 。 系统设计要考虑到所有可能因实际试车情况而 变化的因素 ， 比如试车发动机类型可能是涡喷 、 涡 扇 、 涡轴 、 涡桨等不同类型发动机 ； 科研试车中部件 经常串装和调整 ， 应该有部件特性修正系数和可调 系数 ； 输出设计则要考虑到各种所需结果及其表现 形式和输出格式 ， 还要考虑到数据分析过程的一些 参数监控的要求 。 基于以上设计要求和设计思想 ， 系统在实现方 面充分考虑了功能模块完成的先后顺序 ， 不同的输 入数据在合适的地方进入系统 ， 从软件效率出发 ， 还 考虑了多个功能的模块共同使用等 ， 图 3 是系统软 件的流程逻辑 。
方法 [3]。 本文针对辨识法中的目标函数构成进行优 化处理 。 最初的目标函数只是测量参数的非线性模 型计算值和实测值之间的均方根误差 ε：
N 2
ε=
公式 (1) 所示的目标函数 ， 把辨识法转化为最小 二乘函数的最值问题 ， 它充分考虑了所有测量参数 的影响 。 进行函数优化时 ， 本文首先考虑测量精度的 影响 ， 如推力和转速的测量比较准确 ， 在优化过程中 应更加受到 “ 重视 ”， 而某些温度的测量不准确 ， 重视 程度应较低 。 基于此 ， 目标函数可修正为 ：
i:(y1，…，yi-1，yi+1，…，yn)
FEPSM
-1
di
n:(y1，…，yn-1)
FEPSM
-1
dn
d1 ≤ ≤ ≤ min di ≤ ≤ ≤ dn ≤
… …
≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤
图 4 传感器故障隔离算法流程
Fig.4 Algorithm flow chart of sensor fault isolation
第 23 卷 第 3 期
燃气涡轮试验与研究
Vol.23,No.3 Aug.,2010
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2010 年 8 月
Gas Turbine Experiment and Research
发动机试验数据分析系统设计与实现
朱大明 ， 朱之丽
(北京航空航天大学 能源与动力工程学院 ，北京 100191)
摘 要 ： 本文以发动机试验数据为研究对象 ， 建立了一套试验数据分析系统 ， 该系统可对研 制 和 生 产 过 程 中 的 整 机 试 验结果进行分析 。 本文在分析系统作用的基础上 ， 阐述了该系统的设计功能和总体流程逻辑 ， 并给出了主要功能模块 的流程设计 。 最后 ， 本文就系统的发展进行了讨论 。 关键词 ： 航空发动机 ； 试验 ； 数据分析 ； 优化调整 中图分类号 ： V263.4+5 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1672-2620 (2010) 03-0010-04