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作者簡(jiǎn)介 :
喬渭陽 (1963 -) 男 ,博士 ,教授 ,博士生導(dǎo)師。主要研究方向 :
航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)熱力學(xué)、氣動(dòng)聲學(xué)。
Tel :029288492195 E2mail :Qiaowy @nwpu. edu. cn
(責(zé)任編輯 :劉振國(guó) )
文章編號(hào) :100026893 (2008) 0320548206
基于雙模型濾波算法的環(huán)控系統(tǒng)換熱器故障診斷
龐麗萍 1,曲洪權(quán) 2,董素君 1 (11北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院 ,北京 100083) (21北方工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院 ,北京 100041)
Fault Diagnosis Algorithm for Heat Exchanger of
Pang Liping1 , Qu Hongquan2 , Dong Sujun1
(11 School of Aeronautic Science and Engineering , Beijing University of Aeronautics
(21 College of Information Engineering , North China University of Technology , Beijing 100041 , China)
摘 要 :在建立飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上 ,提出采用雙模型濾波方法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)、狀態(tài)預(yù)測(cè)和故障診斷 ,提高飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)故障診斷的快速性和準(zhǔn)確性。如果采用最小二乘算法 ,參數(shù)估計(jì)是靜態(tài)的 ,故障診斷延遲一般較大 ;采用單模型擴(kuò)展 Kalman濾波算法 ,雖然能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)估計(jì) ,但不能同時(shí)兼顧穩(wěn)態(tài)過程和過渡過程 (突發(fā)故障 )的參數(shù)估計(jì) ,導(dǎo)致誤差較大。為了解決上述難題 ,針對(duì)飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)換熱器故障診斷 ,提出兩模型濾波算法。該算法由兩個(gè)濾波器組成 ,分別用于跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和過渡過程。由于采用了兩濾波器模型分別匹配不同的系統(tǒng)特征 ,能夠改善飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)不同狀態(tài)下的參數(shù)估計(jì)和狀態(tài)預(yù)測(cè)性能 ,從而提高系統(tǒng)故障診斷的精度和速度。仿真結(jié)果證實(shí)了該算法的有效性。關(guān)鍵詞 :飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng) ;雙模型濾波 ;擴(kuò)展 Kalman濾波 ;故障診斷 ;換熱器中圖分類號(hào) : TP391. 9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A Abstract : A fault diagnosis algorithm based on the double model filter (DMF) for a heat exchanger of the air2 craft environment control system (ECS) is developed to improve the capability of fault diagnosis. The mini2 mum mean2square values currently used in fault diagnosis can only get the static estimate values ,and although theextended Kalmanfilter (EKF)canrealizedynamicparameterestimation,yetforanonlinearsystem,asin2 gleEKFdoesnotexhibitgoodabilityforeitherthenormalprocessorthefaultprocess. FortheaircraftECS, a fault diagnosis algorithm based on DMF is presented in this paper to deal with nonlinear systems. Two filters are used to track the different processes (normal or fault) in the DMF. For the ECS , two filters are used re2 spectively to trace the steady state and the transient state of the system. The performance of parameter estima2 tionandstatepredictionfor ECScanbeimprovedbyusingthismethod,andtheaccuracyandspeedoffault di2 agnosis are also improved. Simulation is done to demonstrate the performance of this fault diagnosis algorithm.
Key words : aircraftenvironmentcontrolsystem;doublemodelfilter;extended Kalmanfilter;faultdiagnosis; heat exchanger
飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng) ( ECS)故障診斷的主要目的意義 ,能對(duì)設(shè)備故障做出早期預(yù)報(bào)和快速診斷 ,是提高飛機(jī)的可靠性和安全性 ,通過實(shí)時(shí)監(jiān)控避免或減少事故發(fā)生。和故障診斷 ,確保飛機(jī)座艙和設(shè)備在各種飛行現(xiàn)代故障診斷技術(shù)可分為基于數(shù)學(xué)模型、基條件下具有良好的環(huán)境參數(shù) ,以滿足人員和設(shè)于信號(hào)處理和基于知識(shí)的故障診斷方法。前兩種備的正常生活和工作需要。隨著其復(fù)雜程度的故障診斷方法應(yīng)用較多。基于數(shù)學(xué)模型的故障診日益提高 ,運(yùn)行中不可避免地會(huì)出現(xiàn)各種故障。斷方法 ,優(yōu)點(diǎn)是能深入系統(tǒng)本質(zhì)的動(dòng)態(tài)性質(zhì)、實(shí)現(xiàn)目前的措施主要是針對(duì)已經(jīng)發(fā)生故障的補(bǔ)救 ,實(shí)時(shí)診斷 ,缺點(diǎn)是當(dāng)系統(tǒng)模型未知、不確定或具有沒有實(shí)時(shí)性 ,但及時(shí)查明故障原因仍具有重要非線性時(shí) ,這種方法不易實(shí)現(xiàn) ;基于信號(hào)處理的方
收稿日期 :2007211220 ;修訂日期 :2008201227法回避抽取對(duì)象數(shù)學(xué)模型的難點(diǎn) ,對(duì)于線性系統(tǒng)基金項(xiàng)目 :航空科學(xué)基金 (2006ZC51035)和非線性系統(tǒng)都能適用 ,但只能故障確認(rèn) ,故障查通訊作者 :龐麗萍 E2mail : pangliping @buaa. edu. cn明功能較弱 [122]。
合建立的數(shù)學(xué)模型 ,根據(jù)在線動(dòng)態(tài)觀測(cè)信號(hào)
,采用
器動(dòng)態(tài)模型
[82
11 ]。雙模型濾波技術(shù) ,同時(shí)完成實(shí)時(shí)模型參數(shù)估計(jì)和系冷邊入口溫度為沖壓空氣溫度 : 統(tǒng)狀態(tài)預(yù)測(cè) ,從而實(shí)現(xiàn)環(huán)控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)故障預(yù)報(bào)與tc ,in (τ) =tram (τ)診斷。 DMF采用多個(gè)模型分別跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)過
飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)中 ,部分組件具有動(dòng)態(tài)變化的不確定性和非線性 ,對(duì)故障診斷提出了更高的要求。針對(duì)目前故障診斷方法的不足 ,以及飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)要求的實(shí)時(shí)性 ,有必要提出新的動(dòng)態(tài)故障預(yù)報(bào)與診斷方法。傳統(tǒng)的基于最小二乘的靜態(tài)算法 ,以及依靠單模型的線性最優(yōu)卡爾曼算法都無法獲得滿意的效果 [325]。
本文提出一種基于雙模型濾波 (DMF)方法的環(huán)控系統(tǒng)換熱器動(dòng)態(tài)故障診斷新方法。該方法結(jié)
程和過渡過程 (
突發(fā)故障 ),利用實(shí)時(shí)觀測(cè)信號(hào) ,在線辨識(shí)模型參數(shù) ,完成模型狀態(tài) (如溫度 )的準(zhǔn)確預(yù)測(cè) ,實(shí)現(xiàn)飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的故障預(yù)測(cè)與診斷。該方法結(jié)合了基于數(shù)學(xué)模型和基于信號(hào)處理的兩種故障診斷方法的優(yōu)點(diǎn)。
1 飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)
11 1 典型飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)
圖 1為某型飛機(jī)高壓除水環(huán)控系統(tǒng) [6] ,從發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)供出的空氣 ,首先經(jīng)過供氣調(diào)節(jié)裝置 ,然后經(jīng)過初級(jí)熱交換器、升壓式壓氣機(jī)和次級(jí)熱交換器 ,進(jìn)入高壓除水部分的回?zé)崞?,再進(jìn)入冷凝器。利用渦輪出口的低溫空氣對(duì)冷凝器進(jìn)行冷卻 ,冷凝器內(nèi)將凝結(jié)大量水分 ,通過高壓水分離器分離 ;沒有被分離的水分通過回?zé)崞鲿r(shí)再蒸發(fā)。較干燥的空氣經(jīng)渦輪膨脹冷卻后 ,溫度變得較低 ,再通過冷凝器 ,一方面作為冷源 ,另一方面給渦輪出口凝結(jié)出的水分或冰加溫、溶化并蒸發(fā) ,使冷凝器出口提供干燥和低溫的空氣 ,滿足座艙和電子設(shè)備艙的需要。
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