轉(zhuǎn)速傳感器失效對發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)影響分析

朱日興

(中國民航大學(xué) 適航學(xué)院 民用航空器適航審定技術(shù)重點實驗室， 天津 300300)

0 引言

航空發(fā)動機中應(yīng)用了多種傳感器，以檢測系統(tǒng)運行過程中的各種參數(shù)，其中的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速是發(fā)動機的關(guān)鍵控制變量。《航空發(fā)動機適航規(guī)定》(CCAR-33部)的33.28條款對發(fā)動機控制系統(tǒng)提出“單點故障”的要求[1]。現(xiàn)有對發(fā)動機控制系統(tǒng)的研究都是在傳感器正常狀態(tài)下進行，然而，隨著發(fā)動機研制的不斷發(fā)展，其性能水平不斷提高，使得測試部位常常處于更惡劣的工況環(huán)境中[2,3]。據(jù)統(tǒng)計，一般控制系統(tǒng)中傳感器故障占總故障的80%以上[4]，而某型飛機減小轉(zhuǎn)速信號的故障中，傳感器故障占比超過50%[5]。

由于傳感器故障情況比較復(fù)雜，國內(nèi)外研究人員從不同的角度提出了多種傳感器故障分類方法。傳感器失效模式根據(jù)故障程度大小可分為故障變化幅度大且突然的硬故障及變化幅度小且緩慢的軟故障，這是最普遍的分類方法[6]。而根據(jù)故障的產(chǎn)生原因則又可將其分為偏置故障、漂移故障、沖擊故障、開路故障、短路故障及周期性干擾故障等[7]。通常對于傳感器失效的分析都是在硬故障與軟故障兩類故障模式中進行，鮮有在更為細(xì)致的傳感器失效模式中進行失效影響的研究。本文針對航空發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)速傳感器失效影響研究。通過MATLAB/Simulink仿真平臺，以不同電流信號來表征偏置、漂移、沖擊、開路、短路和周期性干擾故障等傳感器失效模式，觀測控制系統(tǒng)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速響應(yīng)、燃料流量輸出、偏差信號、傳感器輸出信號等的變化趨勢，綜合分析傳感器各失效模式對轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的影響。從傳感器不同失效模式角度研究發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，既擴展了發(fā)動機控制系統(tǒng)的相關(guān)研究，也為轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的適航審定給予了相應(yīng)的審查關(guān)注重點。

1 轉(zhuǎn)速控制模型建立

經(jīng)典的穩(wěn)態(tài)控制器通常使用根軌跡法進行單輸入單輸出的控制設(shè)計，并將其應(yīng)用于風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制問題中[8，9]。航空發(fā)動機需要高安全性及可靠性，因此，有必要研究傳感器各種失效模式對發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的影響。

由于發(fā)動機推力在飛行中不能有效測量，因此，需要選擇其他發(fā)動機變量作為反饋回路中被調(diào)節(jié)的輸出變量，且該變量與推力具有一定的關(guān)系，在發(fā)動機控制中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n能夠滿足這一需求。圖1為穩(wěn)態(tài)控制器的轉(zhuǎn)速控制回路框圖，其中穩(wěn)態(tài)控制器由根軌跡法設(shè)計。圖1中，ncmd為轉(zhuǎn)速的輸入指令，e為控制系統(tǒng)偏差，Wf為燃油流量，n為最終輸出轉(zhuǎn)速指令。

圖1 穩(wěn)態(tài)控制器的轉(zhuǎn)速控制回路框圖

以NASA的CAMPSS-40k作為發(fā)動機的仿真模型[10]，該發(fā)動機的線性模型矩陣，即狀態(tài)空間模型矩陣形式為：

(1)

其中：A、B、C、D分別為模型的系統(tǒng)矩陣、輸入矩陣、輸出矩陣、直接傳遞矩陣(通常為一個常數(shù)矩陣)；x為狀態(tài)矢量；u為輸入矢量；y為輸出矢量。

式(1)中輸入、輸出及狀態(tài)量為偏離穩(wěn)態(tài)點的增量。其中，狀態(tài)矢量x=[ΔNfΔNc]T，ΔNf為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速增量，ΔNc為高壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速增量；控制輸入u=ΔWf，ΔWf為燃油流量增量；輸出y=ΔNf。以發(fā)動機的地面慢車狀態(tài)為例，由狀態(tài)空間模型矩陣得到y(tǒng)=ΔNf到ΔWf的傳遞函數(shù)模型為：

(2)

2 轉(zhuǎn)速傳感器失效對轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的影響分析

當(dāng)轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)生偏置、漂移、沖擊、開路、短路和周期性干擾等故障，且失效程度不斷加大時，以航空發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速響應(yīng)、燃油流量輸出、偏差及傳感器輸出信號四個方面共同進行轉(zhuǎn)速傳感器失效影響分析。

2.1 傳感器失效對風(fēng)扇轉(zhuǎn)速響應(yīng)的影響

傳感器失效發(fā)生時，帶有PI控制律的轉(zhuǎn)速響應(yīng)變化趨勢如圖2所示。由圖2可知：偏置故障時，轉(zhuǎn)速輸出響應(yīng)會偏離轉(zhuǎn)速給定值且維持在一個新的穩(wěn)定，可見偏置故障對系統(tǒng)影響較小；漂移故障時，轉(zhuǎn)速響應(yīng)始終不能達到新的穩(wěn)定狀態(tài)，因此，漂移故障對轉(zhuǎn)速響應(yīng)影響隨著時間增大；沖擊故障發(fā)生一段時間后，輸出的轉(zhuǎn)速響應(yīng)依舊滿足轉(zhuǎn)速給定值，可見沖擊故障對轉(zhuǎn)速響應(yīng)的影響很小；開路故障時轉(zhuǎn)速響應(yīng)出現(xiàn)猛增，其對轉(zhuǎn)速響應(yīng)影響非常大；短路故障時，一段時間后轉(zhuǎn)速響應(yīng)趨近于0，對轉(zhuǎn)速響應(yīng)影響很大；周期性干擾故障時，輸出轉(zhuǎn)速響應(yīng)不斷振蕩，系統(tǒng)輸出響應(yīng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，故該故障對系統(tǒng)影響較大。通過分析可知，對控制系統(tǒng)影響程度最小的是沖擊故障，最大的是開路故障。

圖2 傳感器失效時帶有PI控制律的轉(zhuǎn)速響應(yīng)的變化趨勢

2.2 傳感器失效對燃油流量輸出的影響

傳感器失效時燃油流量的變化趨勢如圖3所示。由圖3可知：當(dāng)偏置故障發(fā)生時，失效導(dǎo)致燃油流量的增量減少，并維持在某一值上，其減少程度與偏置幅值呈正相關(guān)；漂移故障導(dǎo)致燃油流量的增量按一定速率隨著時間推移不斷減少；沖擊故障時，失效后燃油流量的增量經(jīng)過一段時間后依舊維持初始狀態(tài)；周期性干擾故障失效后輸出的燃油流量增量振動加劇，處于輸出不穩(wěn)定狀態(tài)；開路故障失效導(dǎo)致燃油流量增量猛增；短路故障失效導(dǎo)致燃油流量增量為0。因此，傳感器失效時，對系統(tǒng)影響最小的是沖擊故障，影響最大的是開路故障。

圖3 傳感器失效時燃油流量的變化趨勢

2.3 傳感器失效對偏差的影響

傳感器失效時控制系統(tǒng)偏差的變化趨勢如圖4所示。偏差量重新回歸為0時，系統(tǒng)重新回歸穩(wěn)定狀態(tài)，由此可以看出控制系統(tǒng)實質(zhì)是對偏差進行控制，即經(jīng)過控制器及負(fù)反饋作用后輸入與反饋的偏差再次為0。通過分析可知：沖擊故障對偏差影響最小，其次是偏置故障及短路故障；開路故障影響最大，其次是周期性干擾故障及漂移故障。

圖4 傳感器失效時控制系統(tǒng)偏差的變化趨勢

2.4 傳感器失效對傳感器輸出信號的影響

傳感器失效對輸出信號的影響如圖5所示，當(dāng)傳感器發(fā)生失效后，傳感器的輸出信號均偏離初始狀態(tài)，但隨后經(jīng)控制器調(diào)節(jié)，傳感器輸出信號分為兩種狀態(tài)：一種是回歸初始狀態(tài)，如偏置故障、沖擊故障和短路故障發(fā)生；另一種是無法回歸初始狀態(tài)，如漂移故障發(fā)生后，傳感器信號維持在某一數(shù)值，其數(shù)值大小與漂移的速率呈正相關(guān)。周期性干擾故障發(fā)生時，傳感器輸出信號以振蕩狀態(tài)上下穿越初始狀態(tài)。開路故障發(fā)生時，傳感器輸出的電流信號為0。由分析可知，傳感器失效時對輸出信號影響最小的是沖擊故障，影響最大的是開路故障。

圖5 傳感器失效時傳感器輸出信號的變化趨勢

3 結(jié)論

現(xiàn)有對發(fā)動機控制系統(tǒng)的研究都是在傳感器正常狀態(tài)下進行的，然而CCAR-33中第33.28條款針對發(fā)動機控制系統(tǒng)提出了“單點故障”的規(guī)定。為給予局方在適航審定過程中提供審查關(guān)注點及相應(yīng)的技術(shù)支持，針對航空發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)速傳感器出現(xiàn)偏置、漂移、沖擊、開路、短路及周期性干擾等故障下，從風(fēng)扇轉(zhuǎn)速響應(yīng)、燃料流量輸出、偏差、傳感器輸出等方面分別進行失效影響研究，仿真驗證了控制系統(tǒng)的實質(zhì)是對系統(tǒng)的偏差進行控制，偏差為0時系統(tǒng)重新進入新的穩(wěn)定狀態(tài)；傳感器失效程度與系統(tǒng)影響程度呈正相關(guān)，在各失效模式中，沖擊故障對發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)影響最小，開路故障對系統(tǒng)影響最大。