張冬冬，黃金泉，魯 峰

（南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京210016）

0 引言

發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作狀態(tài)惡劣多變，屬于故障多發(fā)系統(tǒng)。先進(jìn)的航空發(fā)動機(jī)對可靠性、可測性、可維性與可使用性提出了更高的要求。發(fā)動機(jī)的健康管理系統(tǒng)則是保證飛機(jī)飛行安全、降低使用與保障費(fèi)用的有效途徑[1-2]。隨著對航空發(fā)動機(jī)可靠性要求地不斷提高，航空發(fā)動機(jī)健康管理系統(tǒng)的復(fù)雜度隨之越來越大，但目前國內(nèi)的航空發(fā)動機(jī)健康管理系統(tǒng)研發(fā)流程一直按照傳統(tǒng)的串行過程進(jìn)行，導(dǎo)致系統(tǒng)研發(fā)效率低、周期長、成本高并缺乏靈活的驗(yàn)證手段。如何快速高效且低風(fēng)險(xiǎn)地進(jìn)行健康管理系統(tǒng)的開發(fā)與測試工作，成為制約研究健康管理系統(tǒng)的瓶頸問題[3-4]。

快速原型是近年來發(fā)展的1種系統(tǒng)開發(fā)和仿真技術(shù)。快速原型是指利用虛擬儀器技術(shù)及相應(yīng)的硬件開發(fā)平臺，在產(chǎn)品開發(fā)的初期，通過快速建立系統(tǒng)模型，并對整個系統(tǒng)進(jìn)行多次仿真與實(shí)物在回路實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證系統(tǒng)軟/硬件方案的可行性；在產(chǎn)品開發(fā)的中后期通過針對目標(biāo)的自動代碼生成和代碼下載，完成最終產(chǎn)品研發(fā)的整個過程[5-7]。對于復(fù)雜的健康管理系統(tǒng)，采用快速原型技術(shù)可以把算法設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)、硬件開發(fā)等各階段融合在一起，能夠快速靈活地進(jìn)行健康管理系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和適時的硬件測試，克服傳統(tǒng)的基于物理平臺設(shè)計(jì)周期長、成本昂貴和風(fēng)險(xiǎn)高的缺點(diǎn)，極大提高了健康管理系統(tǒng)的開發(fā)效率，降低了研制成本。

本文針對某型渦扇發(fā)動機(jī)，從快速高效的角度制定其健康管理系統(tǒng)快速原型設(shè)計(jì)的總體方案；從可靠性、可維護(hù)性、易擴(kuò)展性等角度進(jìn)行健康管理系統(tǒng)快速原型設(shè)計(jì)；根據(jù)快速原型技術(shù)對軟硬件平臺的要求，選用CompactRIO硬件平臺和LabVIEW軟件平臺構(gòu)建了航空發(fā)動機(jī)健康管理系統(tǒng)快速原型仿真平臺，并在該仿真平臺上驗(yàn)證了健康管理系統(tǒng)精度要求。

1 快速原型設(shè)計(jì)與平臺構(gòu)架

航空發(fā)動機(jī)健康管理系統(tǒng)快速原型設(shè)計(jì)的要點(diǎn)在于把握好設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)具有傳感器信號采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、發(fā)動機(jī)測量參數(shù)實(shí)時監(jiān)視、傳感器和氣路故障診斷、顯示和數(shù)據(jù)存儲等基本功能。從需求出發(fā)，健康管理系統(tǒng)快速原型設(shè)計(jì)流程為：首先基于氣動熱力學(xué)特性建立發(fā)動機(jī)部件級模型作為發(fā)動機(jī)模擬器，其次結(jié)合需求利用LabVIEW控制設(shè)計(jì)與仿真工具對系統(tǒng)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)與離線仿真，然后在構(gòu)建好的快速原型仿真平臺上進(jìn)行HIL仿真，最后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化健康管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

作為該健康管理系統(tǒng)的快速原型仿真平臺需要滿足安全可靠、實(shí)時性高、控制精度高、復(fù)雜任務(wù)處理、開發(fā)和維護(hù)方便、提供數(shù)據(jù)監(jiān)視和回放功能、代碼移植性高等需求。CompactRIO是NI公司目前性能最高的模塊化系統(tǒng)，采用低功耗，速率高達(dá)800MHz Freescale的工業(yè)實(shí)時嵌入式處理器，系統(tǒng)安全性、可靠性、控制精度高，實(shí)時性強(qiáng)。CompactRIO系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示，其主要包括實(shí)時控制器、可重配FPGA及模塊化I/O。CompactRIO的RIO（FPGA）核心內(nèi)置數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)角度胧教幚砥鬟M(jìn)行實(shí)時分析、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)記錄或與主機(jī)聯(lián)網(wǎng)通信。利用LabVIEW FPGA基本的I/O功能，用戶可以直接訪問CompactRIO硬件的每個I/O模塊輸出輸入電路，簡單靈活地進(jìn)行復(fù)雜任務(wù)處理。

圖形化語言LabVIEW 可以和NI的CompactRIO硬件以及數(shù)據(jù)采集（DAQ）硬件等集成，完成嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、原型到部署的全過程，能很好實(shí)現(xiàn)代碼的移植，大大提高了健康管理系統(tǒng)的開發(fā)效率?；趫D形化編程語言LabVIEW，是目前使用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化開發(fā)環(huán)境。

圖1 CompactRIO系統(tǒng)構(gòu)架

基于以上需求分析，構(gòu)建了航空發(fā)動機(jī)健康管理系統(tǒng)快速原型仿真平臺，其軟硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。整個平臺采用模塊化思想構(gòu)建，由2臺PC兼容機(jī)，2臺NICompactRIO，若干C系列可熱插拔模塊和網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備組成。從功能上分類，該平臺主要有4部分組成：信號接口單元、主工作站、發(fā)動機(jī)模擬器、健康管理系統(tǒng)。

圖2 快速原型仿真平臺整體結(jié)構(gòu)

1.1 信號接口單元

信號接口單元硬件采用NICompactRIO，包括NI 9024控制器、NI9117機(jī)箱、NIC系列32通道DIO模塊9403和16通道AO模塊9264。軟件為LabVIEW圖形化編程語言。開發(fā)環(huán)境為VXworks操作系統(tǒng)，信號接口單元主要用來模擬傳感器值，實(shí)現(xiàn)數(shù)模（AD）轉(zhuǎn)換功能以及傳感器實(shí)時傳輸特性。這部分是數(shù)字仿真所不具備的，是進(jìn)行算法硬件在回路仿真驗(yàn)證所必不可少的一部分，是該仿真平臺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1.2 主工作站

主工作站硬件為1臺PC兼容機(jī)配有網(wǎng)卡。軟件為LabVIEW圖形化編程語言，開發(fā)環(huán)境為Windows XP操作系統(tǒng)。

主工作站負(fù)責(zé)硬件在回路仿真前進(jìn)行健康管理算法的代碼自動生成并部署，并設(shè)置信號接口單元的相關(guān)參數(shù)。硬件在回路仿真時，實(shí)時進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，顯示故障診斷結(jié)果并報(bào)警。主工作站人機(jī)交互界面主要包括信號接口單元的參數(shù)設(shè)定、實(shí)時監(jiān)測、傳感器故障診斷、健康參數(shù)蛻化估計(jì)這4個子面板，可以直觀地進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視和數(shù)據(jù)回放。信號接口單元的參數(shù)設(shè)定子面板如圖3所示。

圖3 信號接口單元參數(shù)設(shè)定面板

1.3 發(fā)動機(jī)模擬器

發(fā)動機(jī)模擬器硬件采用1臺配有網(wǎng)卡的PC兼容機(jī)，軟件為vc++6.0，開發(fā)環(huán)境為WindowsXP操作系統(tǒng)。其負(fù)責(zé)注入發(fā)動機(jī)傳感器故障和氣路部件故障，并將帶有故障信號的發(fā)動機(jī)參數(shù)通過信號接口單元傳遞給健康管理系統(tǒng)，同時接收控制器部分傳遞過來的控制量信號，實(shí)時更新發(fā)動機(jī)的狀態(tài)。

1.4 健康管理系統(tǒng)

健康管理系統(tǒng)的硬件為NICompactRIO，包括NI 9024控制器、NI9117機(jī)箱、NIC系列8通道DIO模塊9401和32通道AI模塊9205；軟件為LabVIEW圖形化編程語言，開發(fā)環(huán)境為VXworks操作系統(tǒng)。

健康管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集信號接口單元生成的信號，運(yùn)行從主工作站加載的健康管理算法進(jìn)行硬件在回路仿真，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的實(shí)時監(jiān)測、傳感器故障診斷、氣路部件故障診斷等功能。

2 快速原型開發(fā)平臺實(shí)現(xiàn)方式

2.1 信號接口單元

用于健康管理系統(tǒng)中常見的發(fā)動機(jī)測量參數(shù)有轉(zhuǎn)速、溫度和壓力，與之對應(yīng)的傳感器信號分別為轉(zhuǎn)速信號、熱偶信號以及壓阻信號。信號接口單元負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)傳感器高精度模擬及實(shí)時傳輸。傳感器信號及信號特征見表1。

本文通過選擇合適的硬件平臺和模塊，將發(fā)動機(jī)參數(shù)轉(zhuǎn)換成上述輸出信號，模擬傳感器值。

下面介紹這幾種信號的生成方式。

（1）轉(zhuǎn)速信號：發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器輸出的信號一般為毫伏級微小正弦電壓信號，需要經(jīng)過放大調(diào)理成伏級的方波信號供采集系統(tǒng)采集。本文直接模擬經(jīng)過調(diào)理后的方波信號。

該發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)速一般最高不會超過20000r/min，其頻率不會超過1000Hz，即周期量級最小為ms級。選用的硬件平臺為NICompactRIO嵌入式測控平臺，具有高實(shí)時性，可實(shí)現(xiàn)信號的實(shí)時傳輸。選用DIO 9403模塊生成所需頻率的方波信號。該模塊是1款32通道、7μs 雙向數(shù)字輸入/輸出模塊，生成信號為5 v/TTL信號。該模塊能生成數(shù)字信號的頻率范圍完全能滿足該發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速所需的頻率。

發(fā)動機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速信號周期常常不是ms整數(shù)級，而采用CRIO下FPGA技術(shù)，生成的信號能精確到納秒級。它的高速數(shù)字I/O可以輕松實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器功能，利用高速的數(shù)字I/O，可以任意定義計(jì)數(shù)器。利用計(jì)數(shù)器的功能和定時循環(huán)，可以精確控制TTL信號的輸出時序，生成所需頻率的方波信號。頻率信號生成方式如圖4所示，程序運(yùn)行在FPGA模式下機(jī)箱里，通過對計(jì)數(shù)器輸入值的控制，則得到所需頻率的信號。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和計(jì)數(shù)器的輸入值之間的轉(zhuǎn)換在RT實(shí)時控制器中的VI實(shí)現(xiàn)。FPGA機(jī)箱與RT實(shí)時控制器實(shí)時通信，這樣就可以將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)轉(zhuǎn)換成實(shí)際情況的轉(zhuǎn)速信號。

表1 信號特性

圖4 頻率信號生成方式

當(dāng)轉(zhuǎn)速n 等于9417r/min（頻率為156.95HZ），經(jīng)過上述信號接口單元生成頻率信號后接入示波器所測得的波形如圖5所示。

圖5 示波器測得波形

（2）溫度信號：發(fā)動機(jī)中測量溫度一般使用K 型熱電偶測量，其輸出值一般為毫伏級的電壓信號，其抗干擾能力差，一般需要經(jīng)過調(diào)理放大成伏級電壓供采集系統(tǒng)采集，其抗干擾能力好，精度高。這里直接模擬經(jīng)過調(diào)理后供采集系統(tǒng)采集的電壓信號，其傳感器動態(tài)特性的傳遞函數(shù)為

采用AO模塊9264，該模塊是1款16路通道模擬電壓輸出模塊，通道更新率為5kS/s，具有同步輸出的功能，其輸出電壓量程為±10V。采用此模塊可以將數(shù)字信號同步轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓信號。標(biāo)定可以在主工作站面板上自行定義，以滿足不同的溫度傳感器靜態(tài)特性?？梢栽诿姘迳显O(shè)定傳感器時間常數(shù)，建立壓力傳感器的動態(tài)特性。

（3）壓力信號：發(fā)動機(jī)中測量壓力一般使用壓阻式傳感器，其輸出信號為毫伏級電壓信號，需要經(jīng)過調(diào)理放大成伏級電壓信號輸出，供采集系統(tǒng)采集。這里也直接模擬經(jīng)過調(diào)理后供采集系統(tǒng)采集的電壓信號，其傳感器動態(tài)特性的傳遞函數(shù)為

本文同樣采用AO模塊9264，同模擬溫度信號一樣，通過標(biāo)定壓力與電壓量程之間的特性，建立壓力傳感器靜態(tài)特性；通過設(shè)定時間常數(shù)建立壓力傳感器動態(tài)特性。

2.2 健康管理系統(tǒng)

本文構(gòu)建的健康管理系統(tǒng)主要包括信號采集、狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷。下面具體介紹各模塊的實(shí)現(xiàn)方式。

2.2.1 信號采集

該系統(tǒng)接收來自信號接口單元的信號，需要模擬健康管理計(jì)算機(jī)的功能采集這些信號并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，供健康管理系統(tǒng)中實(shí)時狀態(tài)監(jiān)視及故障診斷算法使用。

9401DIO模塊是8通道、100ns的數(shù)字輸入輸出模塊，可以將其配置成輸入通道，實(shí)時采集信號接口單元輸出的轉(zhuǎn)速頻率信號。在FPGA模式下采用設(shè)定脈沖數(shù)量經(jīng)歷時間來測量頻率信號，可以對頻率信號進(jìn)行精準(zhǔn)測量，其VI程序如圖6所示。

圖6 測量頻率信號

9205AI模塊是32路單端或16路差分模擬輸入模塊，輸出電壓量程為±10V,可以采集信號接口單元輸出的模擬量信號，通過讀取該模塊I/O值可以方便快捷地測得模擬量值并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。

2.2.2 故障診斷

該模塊包括發(fā)動機(jī)氣路部件故障診斷和傳感器故障診斷。

對于氣路部件健康參數(shù)估計(jì)采用線性卡爾曼算法[9-10]。為了得到發(fā)動機(jī)部件健康參數(shù)變化量的估計(jì)值，需要將健康參數(shù)增廣為狀態(tài)量，最終得到卡爾曼濾波器估計(jì)方程

式中：卡爾曼增益矩陣K=P(C M)TR-1，P 為如下黎卡提方程的解

式中：A、B、C、D、L 和M 均是相應(yīng)維數(shù)的常系數(shù)矩陣；Δh 為部件蛻化健康參數(shù)；x 為狀態(tài)量；u 為控制量；y 為輸出量。

針對傳感器故障，建立1個基于卡爾曼濾波組的傳感器診斷系統(tǒng)對故障進(jìn)行檢測與隔離[12-13]。其結(jié)構(gòu)如圖7所示。對于傳感器故障，需要設(shè)計(jì)m個自適應(yīng)模型，m 為被檢測的傳感器數(shù)目。每個自適應(yīng)模型包括1個狀態(tài)變量模型和卡爾曼濾波器，監(jiān)測某個特定傳感器。以除去被監(jiān)測的傳感器后剩余的m-1個傳感器測量值子集和控制量作為輸入量，計(jì)算每個故障指示信號WSSR。

圖7 采用基于卡爾曼濾波器組進(jìn)行故障診斷結(jié)構(gòu)

2.3 各模塊之間的數(shù)據(jù)通信

該平臺中各模塊之間的數(shù)據(jù)通信如圖8所示。發(fā)動機(jī)模擬器和信號接口單元2個不同平臺不同開發(fā)環(huán)境之間采用UDP進(jìn)行通信，該通信方式響應(yīng)速度比較快。信號接口單元和健康管理系統(tǒng)之間通過物理連接，實(shí)現(xiàn)生成信號生成與采集。主工作站與信號接口單元、健康管理診斷系統(tǒng)之間用以太網(wǎng)連接，采用LabVIEW 自帶的共享變量，它是基于UDP協(xié)議的NI-PSP協(xié)議，可以快捷可靠地在同開發(fā)環(huán)境間傳輸數(shù)據(jù)。

圖8 各模塊之間的數(shù)據(jù)通信

3 健康管理系統(tǒng)的驗(yàn)證

本文以渦扇發(fā)動機(jī)為對象，選擇工作點(diǎn)：H=0，Ma=0，Wf=2kg/s，A8=0.2597m2，在上述搭建的健康管理系統(tǒng)快速原型仿真平臺上進(jìn)行航空發(fā)動機(jī)健康管理系統(tǒng)的快速原型設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

人機(jī)交互界面下狀態(tài)監(jiān)視的界面如圖9所示。從圖中可見，對發(fā)動機(jī)8個重要性能參數(shù)進(jìn)行了監(jiān)視，分別為低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速NL、高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速NH、低壓壓氣機(jī)進(jìn)口溫度T22、高壓壓氣機(jī)出口溫度T3、高壓壓氣機(jī)出口壓力P3、低壓渦輪進(jìn)口壓力P43、低壓渦輪出口溫度T5、內(nèi)涵出口壓力P6。這些參數(shù)中高、低壓轉(zhuǎn)速采用儀表盤的方式呈現(xiàn)。其余參數(shù)以波形圖表的方式呈現(xiàn)，可以看到一段時間內(nèi)動態(tài)的變化。波形圖表上端帶有數(shù)字顯示，可以實(shí)時顯示參數(shù)的瞬時值。

圖9 人機(jī)交互界面狀態(tài)監(jiān)視面板

在t=5s時，給發(fā)動機(jī)模擬器中溫度傳感器T22注入5%的突變故障，此時主工作站的人機(jī)交互界面下的傳感器故障診斷面板如圖10所示。設(shè)定的傳感器閾值為100。從圖10中可見，WSSR1—WSSR8分別代表傳感器NL、NH、T22、T3、P3、P43、T5、P6的故障指示信號。從圖中的診斷結(jié)果可見，當(dāng)t=5s時，WSSR1—WSSR8中除了WSSR3未發(fā)生突變超過設(shè)定閾值其余都發(fā)生突變超過設(shè)定的閾值，說明傳感器T22發(fā)生了突變故障。右下角的故障指示信號形象地給出了發(fā)生故障的傳感器T22?？梢妭鞲衅鞴收显\斷系統(tǒng)能有效地進(jìn)行傳感器故障的診斷定位并發(fā)出報(bào)警信號。

圖10 人機(jī)交互界面下傳感器故障診斷面板

在t=5s時分別給發(fā)動機(jī)模擬器中注入2種氣路部件故障：（1）高壓壓氣機(jī)效率退化5%；（2）風(fēng)扇效率蛻化3%、風(fēng)扇流量蛻化1.5%、高壓渦輪流量蛻化5%，三者同時發(fā)生蛻化。圖11中faneff、fanflow、compeff、hpteff、lpteff、lpteff、lptflow、這8個量分別代表風(fēng)扇效率蛻化量、風(fēng)扇流量蛻化量、壓氣機(jī)效率蛻化量、壓氣機(jī)流量蛻化量、高壓渦輪效率蛻化量、高壓渦輪流量蛻化量、低壓渦輪效率蛻化量、低壓渦輪流量蛻化量，圖中紅色圓點(diǎn)代表蛻化量較大的參數(shù)。從圖11（a）的診斷結(jié)果可見：高壓壓氣機(jī)效率蛻化量為5.15%，估計(jì)的誤差為0.15%；從圖11（b）的診斷結(jié)果可見：風(fēng)扇效率蛻化量為3.012%，風(fēng)扇流量蛻化量為1.64%，高壓渦輪效率蛻化量為5.44%?？梢娫撍惴ㄓ行У剡M(jìn)行了氣路部件故障的診斷。

圖11 人機(jī)交互界面下氣路健康參數(shù)蛻化估計(jì)面板

4 總結(jié)

（1）構(gòu)建了基于虛擬儀器語言和快速原型技術(shù)的航空發(fā)動機(jī)健康管理系統(tǒng)快速原型仿真平臺。利用該平臺將健康管理中故障診斷算法開發(fā)、數(shù)字仿真和硬件在回路仿真無縫連接起來，減少了開發(fā)周期，克服了傳統(tǒng)仿真平臺的一些缺點(diǎn)。

（2）設(shè)計(jì)了信號接口單元，完成了傳感器實(shí)時高精度模擬。

（3）設(shè)計(jì)傳感器故障診斷算法和氣路健康參數(shù)估計(jì)算法，并在該快速原型仿真平臺上驗(yàn)證了這些算法的有效性。

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