CN119474979A - 一种基于频域特性的航空发动机双通道传感器信号的表决方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于频域特性的航空发动机双通道传感器信号的表决方法，包括：采集双通道的传感器信号，对双通道的传感器信号进行高通滤波和低通滤波，获取高频信号和低频信号；对双通道的低频信号设置初始低频信号健康度，通过预设的低频信号健康判断条件对低频信号健康度进行调整；对双通道的高频信号设置初始高频信号健康度，通过预设的高频信号健康判断条件对高频信号健康度进行调整；根据双通道调整后的低频信号健康度以及高频信号健康度，进行信号表决，从双通道中选取信任通道。本发明可准确检测和隔离因发动机工作中电气接触不良导致的传感器信号毛刺、小幅跳变和漂移等异常，显著提高航空发动机运行的安全性。

Description

一种基于频域特性的航空发动机双通道传感器信号的表决 方法

技术领域

本发明属于航空发动机技术领域，尤其涉及一种基于频域特性的航空发动机双通道传感器信号的表决方法。

背景技术

航空发动机传感器主要包括转速传感器、温度传感器和压力传感器等。航空发动机电子控制器使用这些传感器采集的发动机转速、各截面温度和压力等状态参数，实施航空发动机的稳态控制、加减速控制、参数限制保护等控制功能，实现航空发动机全包线的推力调节和安全运行。

航空发动机传感器一般采用双通道的设计方案，如图2所示。传感器内部包含元件A、元件B两个余度，分别经过电缆A、电缆B后进入发动机电子控制器进行信号表决后，用于控制计算和控制输出。

传感器内部元件电气破损、插头和插座接触不良、电缆破损等故障模式，均会导致传感器信号失真。航空发动机适航规章规定，控制系统的设计和构造应能保证不会由于控制系统电气或电子部件的单个失效或故障而导致不安全状态的发生。

当发动机在使用中出现传感器内部元件电气破损、电缆破损出现虚连或虚断，以及插头和插座松动、浸油导致接触不良等故障模式时，受发动机本身高频振动影响，电路可等效为原有的传感器以高频通断方式额外串联低阻抗电路，使得传感器信号表现为信号毛刺、小幅跳变和漂移。现有的双通道传感器信号表决方法是对双通道信号进行简单比较和选择，常常无法有效检测和隔离异常信号，可能会使用异常的信号用于控制，导致发动机出现控制波动、推力丧失(LOTC)甚至超温、超转等问题，影响航空发动机的飞行安全。

综上，现有的双通道传感器信号表决方法，对故障模式覆盖不足存在故障无法检测和隔离的问题，希望在不改变现有发动机硬件构型的基础上，提出一种改进的基于频域特性的航空发动机双通道传感器信号的表决方法，以准确检测和隔离航空发动机工作中信号接触不良产生的异常信号，从而提高航空发动机运行的安全性。

发明内容

本发明提供了一种基于频域特性的航空发动机双通道传感器信号的表决方法，以检测和隔离异常的传感器信号，选用可信度高的传感器信号作为控制来源，从而解决背景技术中存在的技术问题。

本发明的技术方案如下：包括：

S10：采集双通道的传感器信号，分别对双通道的传感器信号进行高通滤波和低通滤波，获取高频信号和低频信号；

S20：对双通道的低频信号设置初始低频信号健康度，通过预设的低频信号健康判断条件对低频信号健康度进行调整；

S30：对双通道的高频信号设置初始高频信号健康度，通过预设的高频信号健康判断条件对高频信号健康度进行调整；

S40：根据双通道调整后的所述低频信号健康度以及高频信号健康度，进行信号表决，从双通道中选取信任通道；

S50：根据信任通道的信号，确定最终选用信号。

进一步地，所述步骤S10中高频信号和低频信号获取方法，包括：

对双通道的传感器信号进行低通滤波后形成低频信号y(k)；

低通滤波方法为：

a(0)·y(k)＝b(0)·x(k)+b(1)·x(k-1)+……+b(n)·x(k-n)

-a(1)·y(k-1)-……-a(n)·y(k-n)

其中，y(k)表示本周期的低频信号，y(k-n)表示前n周期的低频信号，x(k)表示本周期的传感器信号的采集值，x(k-n)表示前n周期的传感器信号的采集值，n为低通滤波器阶数，为大于或等于1的整数，a(0)、a(1)、……a(n)以及b(0)、b(1)、……b(n)均为滤波器系数；

对传感器信号进行高通滤波后形成高频信号yy(k)；

高通滤波方法为：

aa(0)·yy(k)＝bb(0)·x(k)+bb(1)·x(k-1)+……+bb(m)·x(k-m)

-aa(1)·yy(k-1)-……-aa(m)·yy(k-m)

其中，yy(k)表示本周期的高频信号，yy(k-m)表示前m周期的高频信号，x(k)表示本周期的传感器信号的采集值，x(k-m)表示前m周期的传感器信号的采集值，m为滤波器阶数，为大于或等于1的整数，aa(0)、aa(1)、……aa(m)以及bb(0)、bb(1)、……bb(m)均为滤波器系数。

进一步地，所述S20中低频信号健康判断条件，包括：

当y(k)＞Δ1或y(k)＜Δ2时，则低频信号健康度设定为-2；

当|y(k)-y(k-1)|＞Δ3时，则低频信号健康度设定为-2；

其余情况下，本周期的低频信号健康度保持前一周期的低频信号健康度；

其中，所述低频信号健康度的初始值为1，Δ1、Δ2、Δ3均为判断阈值。

进一步地，所述S30中高频信号健康判断条件，包括：

如果满足|yy(k)|＞Δ4，则高频信号健康度减少2；

如果不满足|yy(k)|＞Δ4，则高频信号健康度增加1；

其中，高频信号健康度的初始值为1，Δ4为判断阈值。

进一步地，所述S40包括：

如果双通道的低频信号健康度不相等，选择低频信号健康度数值大的通道作为信任通道，信任通道数量为1；

如果双通道的低频信号健康度相等且双通道的高频信号健康度不相等，选择高频信号健康度数值大的通道作为信任通道，信任通道数量为1；

如果双通道的低频信号健康度相等且双通道的高频信号健康度相等时，两个通道均作为信任通道，信任通道数量为2。

进一步地，所述S50包括：

如果信任通道数量为1，则选用信任通道的低频信号，作为最终选用信号；

如果信任通道数量为2，则对双通道的低频信号取平均值，作为最终选用信号。

本发明的有益效果：本发明对双通道传感器信号进行低通滤波和高通滤波，从频域角度分别获取发动机响应频带以内的低频信号和发动机响应频带以外的高频信号，并计算低频信号和高频信号的信号健康度。根据信号频域特性对双通道的低频信号健康度、高频信号健康度进行信号综合表决，确定最终选用的信号。本发明可准确检测和隔离因发动机工作中电气接触不良导致的传感器信号毛刺、小幅跳变和漂移等异常，显著提高航空发动机运行的安全性。本发明采用软件方法实现，不改变现有发动机传感器和电子控制器硬件构型节省制造成本，同时该方法计算量低、耗时小适于在发动机电子控制器内实时运行。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是航空发动机控制系统中双通道传感器信号使用原理图。

图3是本发明实施例的流程图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

图2为航空发动机控制系统中双通道传感器信号使用原理图，针对图2的信号表决方法，在本发明的实施例中，图1和图3是给出了基于频域特性的航空发动机双通道传感器信号表决方法的具体步骤，如图1和图3所示，本发明包括：

S10：采集双通道的传感器信号，分别对双通道的传感器信号进行高通滤波和低通滤波，获取高频信号和低频信号。

其中，具体如图2所示，发动机电子控制器分别采集双通道传感器信号。

对传感器信号进行低通滤波后形成低频信号y(k)。

低通滤波方法为：

a(0)·y(k)＝b(0)·x(k)+b(1)·x(k-1)+……+b(n)·x(k-n)

-a(1)·y(k-1)-……-a(n)·y(k-n)

其中，y(k)表示本周期的低频信号，y(k-n)表示前n周期的低频信号，x(k)表示本周期的传感器信号的采集值，x(k-n)表示前n周期的传感器信号的采集值，n为低通滤波器阶数，为大于或等于1的整数，a(0)、a(1)、……a(n)以及b(0)、b(1)、……b(n)均为滤波器系数。

低通滤波设计考虑方面，可根据发动机实际响应带宽的1.5～2倍作为截止频率以设计低通滤波器，滤波器阶数n可设为2～6。

对传感器信号进行高通滤波后形成高频信号yy(k)。

高通滤波方法为：

aa(0)·yy(k)＝bb(0)·x(k)+bb(1)·x(k-1)+……+bb(m)·x(k-m)

-aa(1)·yy(k-1)-……-aa(m)·yy(k-m)

其中，yy(k)表示本周期的高频信号，yy(k-m)表示前m周期的高频信号，x(k)表示本周期的传感器信号的采集值，x(k-m)表示前m周期的传感器信号的采集值，m为滤波器阶数，为大于或等于1的整数，aa(0)、aa(1)、……aa(m)以及bb(0)、bb(1)、……bb(m)均为滤波器系数。

高通滤波设计考虑方面，可根据发动机响应频率的2.5～3倍作为截止频率设计高通滤波器，滤波器阶数m可设为2～6。

S20：对双通道的低频信号设置初始低频信号健康度，通过预设的低频信号健康判断条件对低频信号健康度进行调整。

低频信号健康判断条件具体如下：

如果满足|y(k)-y(k-1)|＞Δ1，则低频信号健康度设定为-1；

如果满足y(k)＞Δ2或y(k)＜Δ3，则低频信号健康度设定为-2；

其余情况下，本周期的低频信号健康度保持前一周期的低频信号健康度；

其中，所述低频信号健康度的初始值为1，Δ1、Δ2、Δ3均为判断阈值。

判断阈值设计考虑方面，分别根据发动机工作条件下传感器信号最大变化速率、传感器信号最大采集值、传感器信号最小采集值，同时留有一定裕度，分别作为Δ1、Δ2、Δ3的取值。

S30：对双通道的高频信号设置初始高频信号健康度，通过预设的高频信号健康判断条件对高频信号健康度进行调整。

高频信号健康判断条件具体如下：

如果满足|yy(k)|＞Δ4，则高频信号健康度减少2；

如果不满足|yy(k)|＞Δ4，则高频信号健康度增加1；

如果高频信号健康度小于-5，则高频信号健康度设置为-5；如果高频信号健康度大于5，则高频信号健康度设置为5。

其中，高频信号健康度的初始值为1，Δ4为判断阈值。

判断阈值设计考虑方面，根据传感器信号高频噪声特性，同时结合发动机稳态推力波动量指标对传感器采集精度的要求，留有一定裕度，作为Δ4的取值。

S40：根据双通道调整后的所述低频信号健康度以及高频信号健康度，进行信号表决，从双通道中选取信任通道。

如果双通道的低频信号健康度不相等，选择低频信号健康度数值大的通道作为信任通道，信任通道数量为1；

如果双通道的低频信号健康度相等且双通道的高频信号健康度不相等，选择高频信号健康度数值大的通道作为信任通道，信任通道数量为1；

如果双通道的低频信号健康度相等且双通道的高频信号健康度相等时，两个通道均作为信任通道，信任通道数量为2。

S50：根据信任通道的信号，计算获得最终控制选用信号。

如果信任通道数量为1，则选用信任通道的低频信号，作为最终选用的信号；

如果信任通道数量为2，则对双通道的低频信号取平均值，作为最终选用的信号。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于频域特性的航空发动机双通道传感器信号的表决方法，其特征在于，包括：

S10：采集双通道的传感器信号，分别对双通道的传感器信号进行高通滤波和低通滤波，获取高频信号和低频信号；

S20：对双通道的低频信号设置初始低频信号健康度，通过预设的低频信号健康判断条件对低频信号健康度进行调整；

S30：对双通道的高频信号设置初始高频信号健康度，通过预设的高频信号健康判断条件对高频信号健康度进行调整；

S40：根据双通道调整后的所述低频信号健康度以及高频信号健康度，进行信号表决，从双通道中选取信任通道；

S50：根据信任通道的信号，确定最终选用信号。

2.如权利要求1所述的基于频域特性的航空发动机双通道传感器信号的表决方法，其特征在于，所述步骤S10中高频信号和低频信号获取方法，包括：

对双通道的传感器信号进行低通滤波后形成低频信号y(k)；

低通滤波方法为：

a(0)·y(k)＝b(0)·x(k)+b(1)·x(k-1)+……+b(n)·x(k-n)

-a(1)·y(k-1)-……-a(n)·y(k-n)

其中，y(k)表示本周期的低频信号，y(k-n)表示前n周期的低频信号，x(k)表示本周期的传感器信号的采集值，x(k-n)表示前n周期的传感器信号的采集值，n为低通滤波器阶数，为大于或等于1的整数，a(0)、a(1)、……a(n)以及b(0)、b(1)、……b(n)均为滤波器系数；

对传感器信号进行高通滤波后形成高频信号yy(k)；

高通滤波方法为：

aa(0)·yy(k)＝bb(0)·x(k)+bb(1)·x(k-1)+……+bb(m)·x(k-m)

-aa(1)·yy(k-1)-……-aa(m)·yy(k-m)

其中，yy(k)表示本周期的高频信号，yy(k-m)表示前m周期的高频信号，x(k)表示本周期的传感器信号的采集值，x(k-m)表示前m周期的传感器信号的采集值，m为滤波器阶数，为大于或等于1的整数，aa(0)、aa(1)、……aa(m)以及bb(0)、bb(1)、……bb(m)均为滤波器系数。

3.如权利要求2所述的基于频域特性的航空发动机双通道传感器信号的表决方法，其特征在于，所述S20中低频信号健康判断条件，包括：

当y(k)＞Δ1或y(k)＜Δ2时，则低频信号健康度设定为-2；

当|y(k)-y(k-1)|＞Δ3时，则低频信号健康度设定为-2；

其余情况下，本周期的低频信号健康度保持前一周期的低频信号健康度；

其中，所述低频信号健康度的初始值为1，Δ1、Δ2、Δ3均为判断阈值。

4.如权利要求2所述的基于频域特性的航空发动机双通道传感器信号的表决方法，其特征在于，所述S30中高频信号健康判断条件，包括：

如果满足|yy(k)|＞Δ4，则高频信号健康度减少2；

如果不满足|yy(k)|＞Δ4，则高频信号健康度增加1；

其中，高频信号健康度的初始值为1，Δ4为判断阈值。

5.如权利要求1所述的基于频域特性的航空发动机双通道传感器信号的表决方法，其特征在于，所述S40包括：

如果双通道的低频信号健康度不相等，选择低频信号健康度数值大的通道作为信任通道，信任通道数量为1；

如果双通道的低频信号健康度相等且双通道的高频信号健康度不相等，选择高频信号健康度数值大的通道作为信任通道，信任通道数量为1；

如果双通道的低频信号健康度相等且双通道的高频信号健康度相等时，两个通道均作为信任通道，信任通道数量为2。

6.如权利要求5所述的基于频域特性的航空发动机双通道传感器信号表决方法，其特征在于，所述S50包括：

如果信任通道数量为1，则选用信任通道的低频信号，作为最终选用信号；

如果信任通道数量为2，则对双通道的低频信号取平均值，作为最终选用信号。