传感器故障动态诊断方法、系统、介质及设备

本发明涉及发动机传感器故障诊断，特别涉及一种面向发动机控制系统容错性的传感器故障动态诊断方法、系统、介质及设备。

背景技术：

1、传感器作为发动机控制系统的重要信源，其测量信号可靠性直接影响发动机的安全运行。作为在高温、高压、强振动等恶劣工作环境中工作的重要元器件，传感器容易发生故障，进而影响发动机控制器的计算结果。传感器的故障检测、隔离和处置是发动机控制系统容错性设计的重要内容。

2、基于传感器测量值与发动机模型预测值之间的残差信号进行传感器故障诊断是一种重要的诊断方法，将残差大小与故障阈值进行比较，判断传感器的故障情况。由于发动机服役条件复杂性和工作状态多变性，预测残差的大小会随着发动机的热力状态而变化。此外，较大的固定故障阈值可能导致大量的故障漏检，而较小的固定故障阈值会引起虚警，影响控制系统后续控制动作的有效性。因此需要设计一种与发动机热力状态相关的动态故障阈值，准确可靠地诊断出传感器故障。

3、在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本发明提供一种面向发动机控制系统容错性的传感器故障动态诊断方法、系统、介质及设备，以与发动机热力状态相关的参数的预测误差为基准，例如低压转速，计算除低压转速外的其他传感器对应的动态阈值用于传感器的故障诊断。

2、面向发动机控制系统容错性的传感器故障动态诊断方法包括，

3、步骤100，检测和记录发动机的传感器测量值，基于所述发动机对应的发动机部件级模型，计算发动机部件级模型的气路参数预测值；

4、步骤200，计算各气路参数传感器测量值与对应气路参数预测值之间的残差信号，并对所述残差信号进行滤波；

5、步骤300，计算低压转子转速预测值的均方根误差，记为低压转子转速的预测误差，并以所述预测误差为基准，计算用于其他气路传感器故障诊断对应的动态阈值；

6、步骤400，设置传感器故障检测计数器，依据滤波后的残差信号与动态阈值的大小比较，计算故障检测计数器的数值大小；

7、步骤500，比较计数器数值与计数器设定值，若计数器数值超过设定值，则报告故障。

8、所述的面向发动机控制系统容错性的传感器故障动态诊断方法中，所述发动机包括低压转子、高压转子、低压压气机、高压压气机、高压涡轮和低压涡轮。

9、所述的面向发动机控制系统容错性的传感器故障动态诊断方法中，所述传感器测量值包括发动机输入参数和气路参数，t时刻的输入参数ie(t)={tt0(t), pt0(t), wf(t),a8(t)}，其中，tt0(t)为进气总温、pt0(t)为进气总压、wf(t)为燃油流量、a8(t)为喷口面积，t时刻的气路参数oe(t)={nl,e(t), nh,e(t), pt25,e(t), pt31,e(t), tt6,e(t)}，其中，nl,e(t)为低压转子转速的测量值，nh,e(t)为高压转子转速的测量值，pt25,e(t)为低压压气机出口处压力的测量值，pt31,e(t)为高压压气机出口处压力的测量值，tt6,e(t)为低压涡轮出口处温度的测量值。

10、所述的面向发动机控制系统容错性的传感器故障动态诊断方法中，依据发动机输入参数ie(t)进行计算t时刻的气路参数预测值om(t)={nl,m(t), nh,m(t), pt25,m(t), pt31,m(t), tt6,m(t)}, 其中，nl,m(t)为发动机部件级模型计算的低压转子转速预测值，nh,m(t)为发动机部件级模型计算的高压转子转速预测值，pt25,m(t)为发动机部件级模型计算的低压压气机出口处压力预测值，pt31,m(t)为发动机部件级模型计算的高压压气机出口处压力预测值，tt6,m(t)为发动机部件级模型计算的低压涡轮出口处温度预测值。

11、所述的面向发动机控制系统容错性的传感器故障动态诊断方法中，在步骤200中，所述预测残差计算方式为：将传感器nh、pt25、pt31和tt6的编号依次记为1至4，将第i个传感器t时刻的测量值记为oe,i(t), 将第i个传感器t时刻对应的预测值记为om,i(t)，计算第i个传感器t时刻的预测残差。

12、所述的面向发动机控制系统容错性的传感器故障动态诊断方法中，在步骤200中，所述残差信号的滤波计算公式为：

13、

14、其中，是t时刻的平滑残差，θ是在0到1之间的平滑因子。

15、所述的面向发动机控制系统容错性的传感器故障动态诊断方法中，在步骤300中，计算t时刻的低压转子转速预测值nl,m(t)对应的均方根误差r(t)以用于高压转子转速传感器、低压压气机出口处压力传感器、高压压气机出口处压力传感器和低压涡轮出口处温度传感器的故障诊断的动态阈值，均方根误差r(t)迭代计算公式为

16、，其中，lr是计算窗口长度，r(t-1)为t-1时刻的均方根误差，nl,m(t-lr)为t-lr时刻的低压转子转速预测值，nl,e(t-lr)为t-lr时刻的低压转子转速传感器测量值。

17、一种面向发动机控制系统容错性的传感器故障动态诊断系统包括：

18、测量单元，检测和记录发动机的气路参数传感器测量值，基于所述发动机对应的发动机部件级模型，计算发动机部件级模型的气路参数预测值；

19、残差单元，其用于：计算各气路参数传感器测量值与对应气路参数预测值之间的残差信号，并对所述残差信号进行滤波；

20、阈值计算单元，其用于：计算低压转子转速预测值的均方根误差，记为低压转子转速的预测误差，并以所述预测误差为基准，计算用于其他气路传感器故障诊断对应的动态阈值；

21、故障检测计数器，其用于：依据滤波后的残差信号与动态阈值的大小比较，计算故障检测计数器的数值大小；

22、比较单元，其用于：比较计数器数值与计数器设定值，若计数器数值超过设定值，则报告故障。

23、一种计算机存储介质，所述存储介质包括计算机指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的方法。

24、一种电子设备，所述电子设备包括：

25、存储器，处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，

26、所述处理器执行所述程序时实现所述的方法。

27、与现有技术相比，本公开的有益效果为：本方法低压转子转速是代表发动机热力状态的重要参数，转速信号的测量可靠度和精度均更高，将低压转子转速预测误差作为其他传感器故障诊断动态阈值的设计基准。结合传感信号滤波、动态阈值和故障计数器，解决基于固定阈值的传感器故障诊断方法存在的高故障漏检率以及高虚警率问题，可以及时诊断传感器的偏置和漂移故障，具有算法简单、易于实现的特点。

技术特征：

1.一种面向发动机控制系统容错性的传感器故障动态诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的面向发动机控制系统容错性的传感器故障动态诊断方法，其特征在于，优选的，所述发动机包括低压转子、高压转子、低压压气机、高压压气机、高压涡轮和低压涡轮。

3.如权利要求2所述的面向发动机控制系统容错性的传感器故障动态诊断方法，其特征在于，所述传感器测量值包括发动机输入参数和气路参数，t时刻的发动机输入参数ie(t)={tt0(t), pt0(t), wf(t), a8(t)}，其中，tt0(t)为进气总温、pt0(t)为进气总压、wf(t)为燃油流量、a8(t)为喷口面积，t时刻的气路参数oe(t)={nl,e(t), nh,e(t), pt25,e(t), pt31,e(t), tt6,e(t)}，其中，nl,e(t)为低压转子转速的测量值，nh,e(t)为高压转子转速的测量值，pt25,e(t)为低压压气机出口处压力的测量值，pt31,e(t)为高压压气机出口处压力的测量值，tt6,e(t)为低压涡轮出口处温度的测量值。

4.如权利要求3所述的面向发动机控制系统容错性的传感器故障动态诊断方法，其特征在于，依据发动机输入参数ie(t)进行计算t时刻的气路参数预测值om(t)={nl,m(t), nh,m(t), pt25,m(t), pt31,m(t), tt6,m(t)}, 其中，nl,m(t)为发动机部件级模型计算的低压转子转速预测值，nh,m(t)为发动机部件级模型计算的高压转子转速预测值，pt25,m(t)为发动机部件级模型计算的低压压气机出口处压力预测值，pt31,m(t)为发动机部件级模型计算的高压压气机出口处压力预测值，tt6,m(t)为发动机部件级模型计算的低压涡轮出口处温度预测值。

5.如权利要求4所述的面向发动机控制系统容错性的传感器故障动态诊断方法，其特征在于，在步骤200中，所述预测残差计算方式为：将传感器nh、pt25、pt31和tt6的编号依次记为1至4，将第i个传感器t时刻的测量值记为oe,i(t),将第i个传感器t时刻对应的预测值记为om,i(t)，计算第i个传感器t时刻的预测残差。

6.如权利要求5所述的面向发动机控制系统容错性的传感器故障动态诊断方法，其特征在于，在步骤200中，所述残差信号的滤波计算公式为：

7.如权利要求6所述的面向发动机控制系统容错性的传感器故障动态诊断方法，其特征在于，在步骤300中，计算t时刻的低压转子转速预测值nl,m(t)的均方根误差r(t)，以用于计算低压转子转速预测值nl,m(t)以外的高压转子转速传感器、低压压气机出口处压力传感器、高压压气机出口处压力传感器和低压涡轮出口处温度传感器的故障诊断的动态阈值，均方根误差r(t)迭代计算公式为

8.一种面向发动机控制系统容错性的传感器故障动态诊断系统，其特征在于，包括：

9.一种计算机存储介质，其特征在于，所述存储介质包括计算机指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-7任一项所述的方法。

10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：

技术总结
一种面向发动机控制系统容错性的传感器故障动态诊断方法、系统、介质及设备，该方法中，发动机部件级模型根据输入参数计算气路参数的预测值；计算各气路参数传感器测量值与对应气路参数预测值之间的残差信号；对气路参数残差信号进行滤波；计算发动机低压转子转速预测值与低压转速传感器测量值之间的均方根误差，并将其记为低压转子转速的预测误差；以低压转子转速的预测误差为基准，计算用于其他气路传感器故障诊断对应的动态阈值；设置故障指示器，若传感器测量值与模型预测值的残差大于动态阈值，则指示器数值增加，否则，指示器数值减小；当故障指示器数值大于设定计数边界时，报告传感器故障。

技术研发人员：刘金鑫,金泽熙,徐茂峻,苗慧慧,马猛,耿佳,宋志平,毛红威,孙若斌,常福城
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2025/2/10