发动机数控系统故障诊断仿真研究

论文摘要

现代航空发动机控制系统,采用全权限数字电子控制（FADEC）已成为必然趋势,FADEC系统成功应用的前提是高度的可靠性。本文研究旨在提高FADEC系统可靠性的传感器故障检测、隔离与适应（FDIA）技术,并利用Matlab/Simulink/RTW（Real-time Workshop）环境进行实时仿真验证。本文以某型涡轴发动机为研究对象,首先讨论了如何对其线性化,随之建立了模拟发动机加减速过程的大偏差状态变量模型,并把发动机模型成功移植到了Simulink中。在结合卡尔曼滤波理论和多重故障假设检验理论的基础上,本文分别设计了用于单个和多个传感器故障诊断的卡尔曼滤波器簇,并检验了所用的常值增益卡尔曼滤波器状态估计的能力及其鲁棒性、稳定性、可观性,随后的数字仿真表明该方法用于传感器故障诊断是可行的。为了实现在Matlab环境下,故障诊断平台的模型计算机、控制计算机与接口信号仿真器之间的连接,提出了几种Matlab下实现串口通信的方法,然后通过对寄存器的编程,开发了实时视窗目标环境下适用的串口和研华PCI1780卡的驱动模块。最后在Simulink下建立完整的传感器FDIA系统,并在控制计算机上模拟各种故障,开展包含接口信号仿真器在内的FDIA系统性能验证实验。仿真结果表明,该FDIA系统能及时检测单个或多个传感器故障,并提供正确的解析余度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 故障诊断及数控系统研究中的仿真技术
• 1.2.1 故障诊断方法及发展趋势
• 1.2.2 仿真技术与发动机数控系统研制
• 1.2.3 基于Matlab/RTW 进行实时仿真的优势及其现状
• 1.3 本文研究内容
• 第二章 发动机数学模型
• 2.1 发动机简化部件级模型
• 2.1.1 机理法建模
• 2.1.2 建立实时模型的措施
• 2.1.3 稳态和动态计算方法
• 2.2 发动机状态变量模型
• 2.2.1 小扰动法和改进小扰动法建模
• 2.2.2 大偏差状态变量模型
• 2.3 涡轴模型的MATLAB表达
• 2.3.1 Matlab 及其组件
• 2.3.2 S 函数介绍
• 2.3.3 Matlab 中的发动机模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于卡尔曼滤波器簇的传感器故障诊断
• 3.1 引言
• 3.2 卡尔曼滤波理论
• 3.2.1 卡尔曼滤波算法
• 3.2.2 常值增益次优滤波器
• 3.3 卡尔曼滤波器对发动机状态的估计
• 3.3.1 卡尔曼滤波器状态估计仿真
• 3.3.2 卡尔曼滤波器的鲁棒性验证
• 3.3.3 Q、R 对卡尔曼滤波器估计效果的影响
• 3.4 卡尔曼滤波器的稳定性和可观性研究
• 3.4.1 卡尔曼滤波器的稳定性
• 3.4.2 卡尔曼滤波器的可观性
• 3.5 卡尔曼滤波器簇用于传感器故障诊断
• 3.5.1 单一故障诊断方法
• 3.5.2 多个故障的诊断
• 3.5.3 数字仿真举例
• 3.6 本章小结
• 第四章 串口与板卡驱动设计
• 4.1 S 函数驱动模块的应用
• 4.1.1 接口信号仿真器的作用
• 4.1.2 内嵌和非内嵌驱动程序
• 4.2 串口驱动设计
• 4.2.1 Matlab 与串口通信的一般方法
• 4.2.2 实时视窗目标下的串口通信
• 4.3 板卡驱动设计
• 4.3.1 频率测量的方法
• 4.3.2 PCI1780 卡驱动设计
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于RTW 的实物在回路仿真
• 5.1 实时仿真的目标环境及配置
• 5.1.1 目标环境选择
• 5.1.2 实时视窗目标环境
• 5.1.3 实时性验证
• 5.2 故障检测和隔离系统
• 5.2.1 卡尔曼滤波器模块
• 5.2.2 故障设置模块
• 5.3 故障诊断仿真实验
• 5.3.1 系统总体结构
• 5.3.2 单个故障下仿真实例
• 5.3.3 多个故障下仿真实例
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文