[发明专利]航空电动燃油泵流量控制系统传感器故障鲁棒容错方法

摘要

本发明公开了一种航空电动燃油泵流量控制系统传感器故障鲁棒容错方法，由转速指令调节部分和转速控制部分组成，转速指令调节部分主要基于发动机燃油需求指令、燃油流量非线性稳态模型和电动燃油泵的输出燃油流量，它为控制系统提供合适的全流量范围内适用的电动燃油泵转速指令；转速控制部分主要作用是实现实际转速与转速指令的误差尽可能小，在考虑不确定性和传感器故障的情况下，基于电动燃油泵自适应组合非线性动态模型，根据滑模理论，通过综合设计滑模故障估计器和滑模转速控制器，保证电动燃油泵转速响应快速且准确地达到期望转速，进而实现电动燃油泵对航空发动机安全可靠、快速精准地按需供油。

主权项

1.一种航空电动燃油泵流量控制系统传感器故障鲁棒容错方法，其特征在于：包括以下步骤：1)传感器故障模型研究分析航空电动燃油泵流量控制系统中，传感器对应的传感器故障的典型特征、产生来源和形成机理，对故障模式进行分类，建立传感器故障模型；2)传感器故障诊断与信号重构研究针对电动燃油泵流量控制系统中的传感器可能发生的单一故障和多故障并发问题，基于滑模观测器设计理论，提出有效的传感器故障诊断策略与信号重构方法，准确排查故障传感器，及时给予信号重构；3)鲁棒容错控制研究考虑航空发动机在不同工作状态下对电动燃油泵流量的不同要求，针对电动燃油泵当发动机在全飞行包线内运行时所面临的包括燃油压力变化、燃油温度变化、燃油泵容积效率变化在内的不确定性问题，研究电动燃油泵燃油流量鲁棒容错控制策略，基于滑模理论，提出鲁棒容错控制器设计方法；4)AMESim‑Matlab联合仿真在AMESim‑Matlab联合电动燃油泵流量控制系统仿真平台上验证鲁棒容错控制方法和闭环控制系统设计方法的有效性和可行性，仿真结果为实验验证提供参考；5)实验验证在仿真研究的基础上，在航空电动燃油泵实验平台上，验证所提的鲁棒容错控制方法和闭环控制系统设计方法的实际有效性和可行性；步骤2)中针对传感器单一故障下的故障诊断问题的具体方法为：2a‑1)判定发生故障：设立故障诊断模块，将传感器输出值y与滑模观测器的输出值y_smo相减得出残差值e_f＝y‑y_smo，若t₁时刻残差值超过设定的阈值D₁，则认为传感器发生了故障；2a‑2)判断故障类型：在后再设定t₂和t₃两个时刻获取残差值，计算故障的变化率p，如果满足p₁≤10^‑3、p₂≤10^‑3，则判定系统发生突变故障，否则则判定系统发生渐变故障；其中，变化率p的计算方法为：在t₁时刻系统判定故障发生后t₂＝t₁+1s时刻，即系统判定故障发生后1s取样，此时残差值设定为t₂时刻的变化率为在t₃＝t₁+2s时刻，即系统判定故障发生后2s再次取样，此时残差值设为之后在t₃时刻计算其中，t是采样时间；步骤2)中针对传感器多故障并发情况下的故障诊断问题的具体方法为：当有m个传感器输出参数，对应地设计m个滑模观测器，每一个观测器都利用除该观测器对应的传感器外其余传感器的观测输出，即对于m个观测器来说，每一个都只利用m‑1个观测输出量，如第i个滑模观测器，其输入yⁱ的信息构成为除第i个传感器外其余m‑1个传感器的可测输出偏离量，这样如果第i个传感器产生故障，那么第i个滑模观测器由于没有使用故障传感器的观测信息，因此它的估计结果是正确的；而其他的滑模观测器都使用了故障传感器的输出信号，因此估计结果都偏离了实际情况，应用此法判断出传感器的故障；步骤2)中针对传感器信号重构问题的具体方法为：当检测到传感器故障时，利用无故障的信号和模型输出值，构成滑模观测器，去估计有故障的信号，并替换故障传感器测量值，完成信号重构；步骤3)的具体方法为：3‑1)研究电动燃油泵全流量范围内燃油流量控制策略：全流量范围内电动燃油泵流量控制策略由转速指令调节部分和转速控制部分组成；3‑2)研究电动燃油泵流量控制系统传感器故障鲁棒容错控制方法：开展不确定性和传感器故障影响下的电动燃油泵燃油流量鲁棒容错控制设计；步骤3‑1)中转速指令调节部分具体为：根据发动机燃油需求指令反馈当前电动燃油泵的输出燃油流量W_fb，利用和燃油流量误差ΔW_fb，针对大流量要求和小流量要求的不同特点，设计对应的燃油泵转速指令调节器，生成转速增量指令Δn；基于电动燃油泵燃油流量非线性稳态模型求得相应的逆模型其中n为实际转速，x为系统的状态量，由包括泵的转速、压差、燃油压力、燃油温度在内的参数组成，是由x中除泵的转速以外的剩余参数组成，即利用该逆模型获得在当前电动燃油泵的剩余参数和燃油需求指令下对应的需求转速n_a；通过转速增量指令Δn对需求转速n_a进行调节，获得全流量范围内电动燃油泵转速指令n⁰；步骤3‑1)中转速控制部分具体为：在不考虑不确定性和传感器故障的情况下，设计转速控制部分使实际转速n与转速指令n⁰的误差在2％以内；基于电动燃油泵自适应组合非线性动态模型，以包括转速误差和压差、压力、温度在内的参数为输入，构造对应的转速控制器，削弱直至避免电机惯性的影响，输出对应的控制信号，经功率变换器转换成相应功率的电流和电压，传递给电机用于电机转速控制，实现燃油泵按设定的期望转速运行，控制燃油流量W_fb；所述的基于电动燃油泵自适应组合非线性动态模型的建立方法为：以燃油泵转速和进出口压差为参数，分别建立大、小流量要求下的电动燃油泵流量控制非线性稳态模型；以燃油泵流量动态特性和电机转速动态特性为参考，分别建立大、小流量要求下的电动燃油泵流量控制线性动态模型；根据发动机不同工况下燃油需求指令，设计模型自适应组合策略，对非线性稳态模型和线性动态模型进行组合，构成自适应组合模型，最终建立全流量范围内适用的兼顾稳态精度和动态精度要求的电动燃油泵流量控制系统非线性动态模型；步骤3‑2)按照以下研究步骤开展不确定性和传感器故障影响下的电动燃油泵燃油流量鲁棒容错控制设计：3‑2‑1)根据传感器故障诊断结论，当传感器发生故障时，采用重构信号参与系统的反馈控制；3‑2‑2)基于具有强鲁棒性的滑模观测器设计方法，构造传感器故障估计器，得到的故障估计值作为鲁棒容错控制器的一部分；3‑2‑3)在步骤3‑1)流量控制系统设计方法的基础上，根据滑模控制理论，综合利用燃油泵转速指令信号、重构的状态信号、故障估计信号，基于电动燃油泵自适应组合非线性动态模型，构造具有强鲁棒容错能力的滑模转速控制器；3‑2‑4)根据Lyapunov稳定性理论，分析不确定性和传感器故障影响下的电动燃油泵燃油流量闭环控制系统的鲁棒稳定性，给出系统鲁棒稳定的充分条件。