[发明专利]基于自适应粒子滤波的航空发动机气路部件故障检测方法

摘要

本发明涉及基于自适应粒子滤波的航空发动机气路部件故障检测方法，基于非线性滤波算法和非线性部件级模型的气路健康诊断，相比于线性滤波和线性模型方法，解决了发动机过渡态下部件性能发生故障的诊断问题，能够充分的挖掘发动机的非线性特性，提高诊断的精度与可靠性；并且解决了标准粒子滤波算法采用集中式结构进行气路部件故障诊断存在局限性的问题；不仅如此，本发明以融合滤波结构为基础，通过实时估计噪声标准差和加入不等式约束两步，可以有效的避免标准粒子滤波存在的中央处理器计算负担大，忽略有效先验信息，对于测量噪声鲁棒性差等缺点，从而提高滤波精度，保证了气路健康诊断的准确性。

主权项

1.基于自适应粒子滤波的航空发动机气路部件故障检测方法，其特征在于：首先针对航空发动机各个指定气路部件，分别设置用于指定参数测量的各个传感器；然后将各个指定气路部件按其所在工作区域进行划分获得各个工作区域组，接着设置分别与各个工作区域组相一一对应的局部滤波器，各个工作区域组中各指定气路部件上设置的各个传感器分别与所在工作区域组对应的局部滤波器相连接；最后设置与各个局部滤波器相连接的主滤波器；所述故障检测方法包括如下步骤：步骤001.初始化k＝0，并预设第k时刻航空发动机各个指定气路部件的工作效率变化系数集合X全局，k、第k时刻航空发动机各个指定气路部件工作效率变化系数对应的协方差阵集合P全局，k，以及航空发动机系统噪声协方差阵Q全局；将上述三组预设量平均分配至各个局部滤波器中，使得各个局部滤波器分别获得其在第k时刻所获系统各个指定气路部件的工作效率变化系数集合Xi，k、其在第k时刻的局部滤波器协方差阵集合Pi，k，以及其对应的航空发动机系统噪声协方差阵Q，并进入步骤002；其中，i＝{1、…、I}，I表示局部滤波器的个数；Pi，k表示第i个局部滤波器第k时刻的局部滤波器协方差阵集合，其中各元素为第i个局部滤波器在第k时刻所获系统各个指定气路部件工作效率变化系数、分别相对于该局部滤波器自第0时刻起至第k时刻所有时刻所获对应指定气路部件工作效率变化系数的协方差；步骤002.分别针对各个局部滤波器，首先抽取与局部滤波器相一一对应包含预设数量N个粒子的粒子集合，构成该局部滤波器在第k+1时刻所获系统各个指定气路部件工作效率变化系数所对应的粒子集合；然后该局部滤波器根据其在第k时刻所获系统各个指定气路部件的工作效率变化系数集合Xi，k，针对该局部滤波器在第k+1时刻所获系统各个指定气路部件工作效率变化系数所对应粒子集合中的各个粒子，分别定义其状态量ai,n,k+1，由该局部滤波器在第k时刻所获系统各个指定气路部件工作效率变化系数上下预设波动范围内的一组随机值组成的集合，并进入步骤003；其中，n＝{1、…、N}；ai,n,k+1表示第i个局部滤波器在第k+1时刻所获系统各个指定气路部件工作效率变化系数对应第n个粒子的状态量；步骤003.分别针对各个局部滤波器，局部滤波器根据其在第k+1时刻所获系统各个指定气路部件工作效率变化系数所对应的粒子集合，获得其在第k+1时刻所获其对应工作区域组中各指定气路部件工作效率变化系数所对应该粒子集合中各粒子的部分状态量a'i,n,k+1，并进一步获得该局部滤波器在第k+1时刻所获其对应工作区域组中各指定气路部件工作效率变化系数所对应该粒子集合中各粒子的部分测量值y'i,n,k+1，再进入步骤004；步骤004.分别针对各个局部滤波器，局部滤波器获得其对应工作区域组中各指定气路部件上各传感器在第k+1时刻的检测结果yi,k+1，并根据该局部滤波器在第k+1时刻所获其对应工作区域组中各指定气路部件工作效率变化系数所对应、该局部滤波器在第k+1时刻所获系统各个指定气路部件工作效率变化系数所对应粒子集合中各粒子的部分测量值y'i,n,k+1，获得该局部滤波器在第k+1时刻所获其对应工作区域组中各指定气路部件工作效率变化系数所对应、该局部滤波器在第k+1时刻所获系统各个指定气路部件工作效率变化系数所对应粒子集合中各粒子的权值，作为该局部滤波器在第k+1时刻所获系统各个指定气路部件工作效率变化系数所对应粒子集合中各粒子的权值ωi,n,k+1，再进入步骤005；步骤005.分别针对各个局部滤波器，局部滤波器针对其在第k+1时刻所获系统各个指定气路部件工作效率变化系数所对应粒子集合中各粒子的权值ωi,n,k+1进行归一化处理，并结合该局部滤波器在第k+1时刻所获系统各个指定气路部件工作效率变化系数所对应粒子集合中各粒子的状态量ai,n,k+1进行加权处理，使得该局部滤波器获得第k+1时刻系统各个指定气路部件的初级工作效率变化系数集合X'i，k+1；接着，该局部滤波器获得其在第k+1时刻所获系统各个指定气路部件初级工作效率变化系数，分别相对于该局部滤波器自第0时刻起至第k+1时刻所有时刻所获对应指定气路部件初级工作效率变化系数的初级协方差，构成该局部滤波器第k+1时刻的局部滤波器初级协方差阵集合P'i，k+1，并进入步骤006；步骤006.各个局部滤波器分别将其所获X'i，k+1和P'i，k+1，以及其对应的航空发动机系统噪声协方差阵Q上传至主滤波器中，主滤波器针对来自各个局部滤波器的信息进行信息融合，分别获得第k+1时刻航空发动机各个指定气路部件的工作效率变化系数集合X全局，k+1、第k+1时刻航空发动机各个指定气路部件工作效率变化系数对应的协方差阵集合P全局，k+1，以及航空发动机系统噪声协方差阵Q全局，并进入步骤007；步骤007.主滤波器将X全局，k+1、P全局，k+1和Q全局平均分配至各个局部滤波器中，各个局部滤波器分别获得第k+1时刻系统各个指定气路部件的工作效率变化系数集合Xi，k+1、第k+1时刻的局部滤波器协方差阵集合Pi，k+1，以及局部滤波器所对应的航空发动机系统噪声协方差阵Q；然后分别针对各个局部滤波器，比较局部滤波器所对应系统各个指定气路部件上一时刻的工作效率变化系数与当前时刻的工作效率变化系数，实现针对系统各个指定气路部件的故障检测，并进入步骤008；步骤008.将k+1的值赋予k，并返回步骤002。