EEC双通道健康度评估方法研究

    沈杰

    

    

    

    【摘? 要】为了解决航空发动机双通道电子控制器（EEC）两个通道均发生故障时如何评估通道健康度，从而选择主控通道的问题，论文提出了基于逆模型计算发动机推力敏感度的方法，量化不同信号故障对发动机推力的影响程度，依据推力敏感度来评估双通道健康度，协助主控通道选择，最终提高系统的安全性。

    【Abstract】In order to solve the problem of how to evaluate the channel health and select the main control channel when both channels of an aero engine dual channel electronic controller（EEC） fail， this paper proposes a method to calculate the engine thrust sensitivity based on the inverse model， which quantifies the impact of different signal failures on engine thrust， and evaluates the dual channel health according to the thrust sensitivity， assists the selection of main control channel to improve the security of the system.

    【關键词】航空发动机;双通道EEC;通道切换;逆模型

    【Keywords】aero engine; dual channel EEC; channel switching; inverse model

    【中图分类号】V23? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文献标志码】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章编号】1673-1069（2021）01-0192-02

    1 引言

    航空发动机FADEC系统是安全关键性产品，其稳定可靠运行事关飞行安全，通常通过余度技术来提高FADEC系统的安全性和可靠性[1]。FADEC系统中的双通道EEC应用的就是余度技术，通过互为备份的两个完全相同的控制通道来提高系统的可靠性和安全性[2]。这就带来了在两个控制通道均故障时如何选择主控通道的问题。

    航空发动机控制系统的主要功能是控制发动机推力，本文研究当传感器信号发生故障时如何合理地选择主控通道，因此，引入推力敏感度的概念来评估不同传感器信号对推力控制的影响程度，推力敏感度S定义：控制系统闭环反馈传感器信号的单位相对偏差引起的推力相对偏差。

    2 JT9D发动机逆模型求解

    本文采用JT9D[3]发动机模型进行仿真，在航空发动机稳态工况下，一个典型的控制回路如图1所示。以风扇转速N1为控制目标，燃油流量Wf为被控量，风扇进口温度T2、风扇进口压力P2信号用于相似归一化，其应用公式如式（1）和（2）所示。本文针对该控制回路对N1、T2、P2三种传感器信号进行推力敏感度计算分析。

    对于航空发动机而言，其在稳态运行点可简化为如式（3）所示的线性模型，其中ΔM1和ΔM2为模型输入，前者为闭环被控参数变化量，后者为开环被控参数变化量，A矩阵为稳态传递矩阵，表征发动机在该稳态点的特性，ΔP为模型性能参数的变化量，ΔC为传感器测量的用于控制的信号变化量，航空发动机推力即性能参数之一，而N1、T2、P2均为传感器反馈的用于控制的信号，对于开环模型而言均为输出，要想计算N1、T2、P2变化对推力的影响，需对式（3）进行转化，转换方程如式（4）所示，最终将开环模型的闭环被控参数和与之对应的开环模型的控制量进行互换，及求解的式（5），本文将其称为逆模型。通过该逆模型可以以传感器信号偏差为输入，计算推力偏差。

    3 JT9D发动机推力敏感度仿真计算

    由于风扇转速N1为控制目标，如果风扇转速传感器测量值出现偏差，会导致发动机推力偏离目标值。传感器T2、P2信号用于相似归一化，在发动机稳态运行时，前后换算相互抵消，T2、P2传感器信号的偏差不会使发动机推力产生稳态偏差，但是在T2、P2传感器信号扰动的瞬间会影响燃油的计算，并最终对推力造成扰动，产生动态偏差，同理N1传感器信号在扰动的瞬间也会使推力产生动态偏差。综上所述，需要分别进行三种传感器信号进行动态敏感度的计算分析。

    为比较N1、T2、P2在不同状态下的推力敏感度，本文分别在发动机同一工况下对三种传感器信号值作不同幅度扰动，以及在发动机不同工况下对三种传感器信号作相同扰动，仿真结果如图2所示

    由图2a可知，发动机工况一定的情况下，不同参数的动态推力敏感度为定值，三种传感器信号的动态推力敏感度N1>P2>T2。图2b中同样可以得出，在发动机不同工况下，三种传感器信号动态推力敏感度N1>P2>T2。

    根据上述计算的推力敏感度可评估用于控制的反馈信号对推力的重要性，在双通道均有反馈信号发生故障时，可以此为依据评估通道健康度，从而选择更健康的通道作为主控通道进行控制，最终提高系统安全性。

    4 结论

    本文对双通道EEC的通道健康度评估方法进行了初步探究，提出了航空发动机控制系统闭环逆模型的求解方法，利用求解的逆模型仿真计算用于控制的传感器信号的推力敏感度，量化了不同传感器参数对发动机推力控制的重要性，反映了各传感器信号故障对控制品质的影响程度，为EEC在传感器信号故障或失真时提供了估算通道健康度的依据，最终服务于最优主控通道的选择。

    【参考文献】

    【1】姚华.航空发动机全权限数字电子控制系统[M].北京：航空工业出版社，2014.

    【2】张雷雷.民用涡扇发动机数控系统安全性分析与评估技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2012.

    【3】Chapman J W， May R D， Lavelle T M， et al. Toolbox for the Modeling and Analysis of Thermodynamic Systems （T-MATS） User's Guide[J]. 2014.