本发明属于航空发动机控制技术领域，特别是一种航空发动机控制系统的漂移类故障检测方法。
背景技术：
航空发动机是一种深度融合了机械、热力学、电气、控制、材料等学科的高度复杂、高度精密的装备。航空发动机的控制系统是其“大脑”，发动机控制系统的可靠性和安全性对航空发动机的安全运行起着至关重要的作用。控制系统一旦发生故障，轻则减低发动机性能、重则带来永久性损伤，造成严重事故。由于发动机控制系统组成复杂、元器件多、工作条件恶劣，导致控制系统故障频发。研究航空发动机控制系统的故障检测方法，对于保证发动机运行安全具有重要意义。
在航空发动机控制系统中，漂移类故障是一种很常见的故障形式。漂移类故障是一种由于传感器或者执行机构性能退化导致的缓变故障，这种故障由于机理不明确、故障特征微弱，因而很难检测。而一旦航空发动机控制系统出现漂移类故障，则会导致发动机性能衰退甚至造成严重后果。因此，针对发动机控制系统的漂移类故障，研究一种能够在故障特征十分微弱的早期检测出故障的方法具有重要意义。由于漂移类故障信号特征微弱，因此传统的基于数据处理的故障检测方法往往表现乏力。除了数据处理的检测方法外，还有一类基于模型的故障检测方法，后者在微弱故障的检测方面存在很大潜力。
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在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种航空发动机控制系统的漂移类故障检测方法，本发明利用非线性的系统建模方法对控制系统部件进行建模，以此模型作为基准。通过实时观测基准模型与实际控制系统输出之间的偏差来进行控制系统故障判别。在偏差观测的过程中，为了避免扰动对观测结果带来影响，对直接观测得到的偏差进行指数中值平滑滤波处理，从而使提高偏差估计值的抗干扰能力，同时使得估计出来的偏差趋于平滑，能更好地反映出故障的演化程度。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种航空发动机控制系统的漂移类故障检测方法包括以下步骤：
第一步骤中，在离线情况下对航空发动机控制系统进行输入，通过传感器采集相应的输出，基于所述输入和所述输出采用非线性建模以辨识控制系统，并作为漂移类故障检测的基准模型，所述非线性建模包括线性的iir滤波器和自适应样条插值器，
第二步骤中，在控制系统正常运行过程中，实时观测所述基准模型的输出与实际控制系统的所述输出之间的偏差，
第三步骤中，对所述偏差进行指数中值平滑滤波以降低噪声干扰，
第四步骤中，根据基准模型输出自适应确定误差阈值，利用滤波后的偏差和所述误差阈值对比以进行故障判别。
本发明的漂移类故障是一种由于传感器或者执行机构性能退化导致的缓变故障。
所述的方法中，第一步骤中，线性iir滤波器输出为
其中，ai(i＝1，2，...，n)和bj(j＝0，1，...，m-1)为iir滤波器系数。
所述的方法中，第一步骤中，iir滤波器后面相连接的自适应样条插值器接受线性iir滤波器输出、系统输入以及系统输出作为其插值输入。
所述的方法中，第一步骤中，自适应样条插值器包括q个单独的自适应样条插值器，其输入依次为s1，s2，...，sq，其中，sl(l＝1，2，...，q)是s[n]，...，s[n-ns 1]、x[n]，...，x[n-nx 1]或者y[n-1]，...，y[n-ny]，y[n]为自适应样条插值器的输出，ns、nx和ny为输入阶数，且满足ns nx ny＝q，第l个自适应样条插值器由nl 1个插值点组成，所述插值点的横坐标向量为
其中，
所述的方法中，样条插值基矩阵c为
iir滤波器，其参数调整过程如下：
其中，
所述的方法中，控制系统和基准模型有相同的输入x[n]。
所述的方法中，第三步骤中，对实时观测的偏差e[n]进行指数中值滤波，得到滤波后偏差r[n]，滤波过程为
r[n]＝λ·r[n-1] (1-λ)·med(en)，
其中，λ为平滑参数，med(·)为取中值符号，en＝[e2[n]，e2[n-1]，...，e2[n-nr 1]]t为窗长为nr的近邻观测误差的平方值。
所述的方法中，平滑参数λ为零到一之间的常数。
所述的方法中，第四步骤中，根据基准模型输出白适应确定误差阈值，其中，基准模型输出y[n]的能量值ey通过
所述的方法中，航空发动机控制系统的输入x[n]为，
s[n]＝-0.2s[n-1] 0.5s[n-2]-0.1s[n-3] 0.6x[n]-0.4x[n-1]，
航空发动机控制系统的输出d[n]为，
d[n]＝s[n] 0.1x[n]3 0.5arctan(d[n-1]) v[n]
其中，x「n]为系统输入，s「n]为iir滤波器输出，d[n]为系统输出，v「n]为噪声干扰。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明利用所提出的非线性系统建模方法进行系统辨识，充分考虑了系统中的非线性特性，相比于传统的线性辨识方法，精度更高；利用指数中值平滑滤波后的偏差进行故障判别，有效降低了随机干扰，特别是冲击干扰对判别结果的影响，提高了故障判别准确率。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1是本发明的航空发动机控制系统漂移类故障检测方法的步骤示意图；
图2是本发明的一个实施例中的非线性系统建模方法框图；
图3是本发明的一个实施例中非线性系统建模方法中样条滤波器组具体配置的框图；
图4是本发明的一个实施例的偏差滤波与故障判别原理图；
图5是本发明的一个实施例的非线性建模方法的结果测试曲线图；
图6是本发明的一个实施例的偏差观测曲线图；
图7是本发明的一个实施例的故障检测曲线图。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
下面将参照附图1至附图7更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
为了更好地理解，一种航空发动机控制系统的漂移类故障检测方法，所述方法包括以下步骤：
第一步骤s1中，在离线情况下对航空发动机控制系统进行输入，通过传感器采集相应的输出，基于所述输入和所述输出采用非线性建模以辨识控制系统，并作为漂移类故障检测的基准模型，所述基准模型包括线性的iir滤波器和自适应样条插值器，
第二步骤s2中，在控制系统正常运行过程中，实时观测所述基准模型的输出与实际控制系统的所述输出之间的偏差，
第三步骤s3中，对所述偏差进行指数中值平滑滤波以降低噪声干扰，
第四步骤s4中，根据基准模型输出自适应确定误差阈值，利用滤波后的偏差和所述误差阈值对比以进行故障判别。
所述的方法的优选实施方式中，第一步骤s1中，线性iir滤波器输出为
其中，ai(i＝1，2，...，n)和bj(j＝0，1，...，m-1)为iir滤波器系数。
所述的方法的优选实施方式中，第一步骤s1中，iir滤波器后面相连接的自适应样条插值器接受线性iir滤波器输出、系统输入以及系统输出作为其插值输入。
所述的方法的优选实施方式中，第一步骤s1中，自适应样条插值器包括q个单独的自适应样条插值器，其输入依次为s1，s2，...，sq，其中，sl(l＝1，2，...，q)是s[n]，...，s[n-ns 1]、x[n]，...，x[n-nx 1]或者y[n-1]，...，y[n-ny]，y[n]为自适应样条插值器的输出，ns、nx和ny为输入阶数，且满足ns nx ny＝q，第l个自适应样条插值器由nl 1个插值点组成，所述插值点的横坐标向量为
所述的方法的优选实施方式中，样条插值基矩阵c为
所述的方法的优选实施方式中，第二步骤s2中，实时观测所述自适应样条插值器组的输出y[n]与实际控制系统输出d[n]之间的偏差，e[n]＝d[n]-y[n]对滤波器参数进行自适应调整，其中，针对每个单独的样条自适应滤波器中的样条插值点进行调整，参数调整如下：
iir滤波器，其参数调整过程如下：
其中，
所述的方法的优选实施方式中，控制系统和基准模型有相同的输入x[n]。
所述的方法的优选实施方式中，第三步骤中，对实时观测的偏差e[n]进行指数中值滤波，得到滤波后偏差r[n]，滤波过程为
r[n]＝λ·r[n-1] (1-λ)·med(en)，
其中，λ为平滑参数，med(·)为取中值符号，en＝[e2[n]，e2[n-1]，...，e2[n-nr 1]]t为窗长为nr的近邻观测误差的平方值。
所述的方法的优选实施方式中，平滑参数λ为零到一之间的常数。
所述的方法的优洗实施方式中，第四步骤s4中，根据基准模型输出自适应确定误差阈值，其中，基准模型输出y[n]的能量值ey通过
所述的方法的优选实施方式中，航空发动机控制系统的输入x[n]为，
s[n]＝-0.2s[n-1] 0.5s[n-2]-0.1s[n-3] 0.6x[n]-0.4x[n-1]，
航空发动机控制系统的输出d[n]为，
d[n]＝s[n] 0.1x[n]3 0.5arctan(d[n-1]) v[n]
其中，x[n]为系统输入，s[n]为iir滤波器输出，d[n]为系统输出，v[n]为噪声干扰。
为了进一步理解本发明，如图1所示，在一个实施例中，航空发动机控制系统漂移类故障检测方法包括如下步骤：
第一步骤中，在离线情况下采集航空发动机控制系统的输入信号x[n]和输出信号d[n]，采用一种非线性建模方法对航空发动机控制系统进行建模。该非线性建模方法由一个线性的iir滤波器和一组自适应样条插值器构成。线性iir滤波器输出表示为
其中，ai(i＝1，2，...，n)和bj(j＝0，1，...，m-1)为iir滤波器系数。iir滤波器后面相连接的自适应样条插值器组由一系列自适应样条插值器组成，其接受线性iir滤波器输出、系统输出以及系统输出作为其插值输入。规定自适应样条插值器组由q个单独的自适应样条插值器组成，它们的输入依次为s1，s2，...，sq，其中，sl(l＝1，2，...，q)可以是s[n]，...，s[n-ns 1]、x[n]，...，x[n-nx 1]或者y[n-1]，...，y[n-ny，此处y[n]为自适应样条插值器组的输出，ns、nx和ny为输入阶数，且满足ns nx ny＝q。第l个自适应样条插值器由nl 1个插值点组成，这些插值点的横坐标向量为
其中，
根据滤波输出结果与实测系统输出之间的误差e[n]＝d[n1-y[n]对滤波器参数进行自适应调整。对于样条自适应滤波组，针对每个单独的样条自适应滤波器中的样条插值点进行调整，参数调整如下：
对于iir滤波器，其参数调整过程如下：
其中，
第二步骤中，在控制系统正常运行过程中，实时观测控制系统与基准模型的输出偏差。控制系统和基准模型有相同的输入x[n]，实际控制系统输出为d[n]，基准模型输出为y[n]，实时偏差为e[n]＝d[n]-y[n]。
第三步骤中，对实时观测的偏差e[n]进行指数中值滤波，得到滤波后偏差r[n]。滤波过程可表示为
r[n]＝λ·r[n-1] (1-λ)·med(en)
其中，λ为平滑参数(0＜λ＜1)，med(·)为取中值符号，en＝[e2[n]，e2[n-1]，...，e2[n-nr 1]]t为窗长为nr的近邻观测误差的平方值。通过综合近邻若干个观测误差的平方值，取其中值，可以有效地降低扰动对观测误差的影响，得到的滤波后偏差r[n]能够更加真实地反映系统故障的演化过程。
第四步骤中，根据基准模型输出的能量值确定系统故障阈值。基准模型输出y[n]的能量值ey可以通过
如图2所示为本发明的一个实施例中的非线性系统建模的方法框图。该建模方法由一个线性iir滤波器和一个非线性的样条滤波器组串联而成。在一个实施例中，滤波器输入为x[n]，经过线性iir滤波后得到中间值s[n]，最后通过样条滤波器组得到滤波输出y[n]。利用滤波输出与实际控制系统的输出d[n]之间的误差e[n]进行滤波器参数的自适应。在样条插值滤波方法中，非线性样条滤波器组可以将{s[n]，...，s[n-ns 1]，x[n]，...，x[n-nx 1]，y[n-1]，...，y[n-ny 1]}中的任意组合作为输入，其中ns、nx和ny为输入的阶数。
如图3所示为本发明的一个实施例中非线性系统建模方法中样条滤波器组具体配置的框图。假设第l个自适应样条插值器由nl 1个插值点组成，这些插值点的横坐标向量为
如图4所示为本发明的一个实施例的偏差滤波与故障判别原理图。对实时观测的偏差e[n]进行指数中值滤波，得到滤波后偏差r[n]。滤波过程可表示为r[n]＝λ·r[n-1] (1-λ)·med(en)，其中λ为平滑参数(0＜λ＜1)，med(·)为取中值符号，en＝[e2[n]，e2[n-1]，...，e2[n-nr 1]]为窗长为nr的近邻观测误差的平方值。故障判别通过判断滤波后偏差是否大干故障阈值来实现，其中故障阈值通过基准模型输出的能量值
图5-图7是本发明的一个实施例的仿真结果。在这个实施例中，航空发动机控制系统由如下模型进行描述：
s[n]＝-0.2s[n-1] 0.5s[n-2]-0.1s[n-3] 0.6x[n]-0.4x[n-1]
d[n]＝s[n] 0.1x[n]3 0.5arctan(d[n-1]) v[n]
其中，x[n]为系统输入，s[n]为iir滤波器输出，d[n]为系统输出，v[n]为噪声干扰。
如图5所示为本发明的一个实施例的非线性建模方法的结果测试曲线图。其中，建模信号x[n]为一个零均值、单位方差的高斯白噪声序列，iir滤波器输出为s[n]，样条插值滤波方法的输出为y[n]。iir滤波器参数a1，a2，a3，b0，b1均初始化为0。样条滤波器组由三个独立的样条滤波器构成，其插值点坐标初始化为
如图6所示为本发明的一个实施例的偏差观测曲线图。选择正弦信号x[n]＝2sin(2π×0.01n)作为系统输入，利用传感器测量实际控制系统输出d[n]，利用建立好的样条插值滤波方法模型计算基准模型输出y[n]，并求其偏差e[n]。此实施例中，取500个时刻的样本作为输入，在第300个样本之后控制系统发生漂移故障，每个时刻系统输出值向上偏移1.5×10-3。并且传感器收到30db的噪声干扰，且在第100、150、200、250和400个样本点处受到冲击干扰。从最终结果可以看出，若不考虑冲击干扰带来的偏差，在第300个样本之前，实际控制系统输出和基准模型输出基本一致，而在第300个样本之后，二者之间产生一个逐渐增大的偏差。
如图7所示为本发明的一个实施例的故障检测曲线图。在图6所示内容的基础上，对实时观测的带有噪声和冲击干扰的偏差进行指数中值平滑滤波，滤波参数λ＝0.9，窗长nr＝9。同时估计基准模型输出y[n]的能量值ey，并利用δ＝α·ey确定故障阈值，其中故障阈值系数α＝0.003。从图中可以看出，直接观测得到的实时偏差波动较大，而经过滤波后的偏差则非常平滑，并且可以抵抗冲击干扰的影响。随着控制系统漂移故障累积的误差越来越大，通过本发明中的故障判别机制，大约在第350个样本时，算法可以对漂移故障进行报警。作为对比，在图5所示的偏差观测结果中，在第350个样本时很难直接判断系统发生了故障，因此本发明中的故障检测方法能够快速、准确地对故障特征非常微弱的漂移类故障进行检测。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。
1.一种航空发动机控制系统的漂移类故障检测方法，所述方法包括以下步骤：
第一步骤(s1)中，在离线情况下对航空发动机控制系统进行输入，通过传感器采集相应的输出，基于所述输入和所述输出采用非线性建模以辨识控制系统，并作为漂移类故障检测的基准模型，基准模型包括线性的iir滤波器和自适应样条插值器组，
第二步骤(s2)中，在控制系统正常运行过程中，实时观测所述基准模型的输出与实际控制系统的所述输出之间的偏差，
第三步骤(s3)中，对所述偏差进行指数中值平滑滤波以降低噪声干扰，
第四步骤(s4)中，根据基准模型输出自适应确定误差阈值，利用滤波后的偏差和所述误差阈值对比以进行故障判别。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，优选的，第一步骤(s1)中，线性iir滤波器在n时刻的输出s[n]为
其中，αi和bj为iir滤波器系数，s[n-i]表示n-i时刻iir滤波器的输出，x[n-j]表示n-j时刻的系统输入，n为滤波器输出阶数，m为滤波器输入阶数，i为1到n之间的任一整数，j为0到m-1之间的任一整数。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，第一步骤(s1)中，iir滤波器后面相连接的自适应样条插值器接受线性iir滤波器输出、系统输入以及系统输出作为其插值输入。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，第一步骤(s1)中，自适应样条插值器组包括q个单独的自适应样条插值器，所有自适应样条插值器的输入依次为s1，s2，...，sq，其中sl(l＝1，2，...，q)可以是s[n]，...，s[n-ns 1]、x[n]，...，x[n-nx 1]以及y[n-1]，...，y[n-ny]中的任意值，ns、nx和ny为输入阶数，且满足ns nx ny＝q，y[n]为自适应样条插值器组的输出，l为1到q之间的任一整数，第l个自适应样条插值器由nl个插值区间组成，其插值点的横坐标向量为
5.根据权利要求4所述的方法，其中，样条插值基矩阵c为，
第二步骤(s2)中，实时观测所述自适应样条插值器组的输出y[n]与实际控制系统输出d[n]之间的偏差e[n]，e[n]＝d[n]-y[n]，然后对滤波器参数进行自适应调整，其中，针对每个单独的样条自适应滤波器中的样条插值点进行调整，参数调整如下：
其中μq为样条插值点的学习步长，
iir滤波器的参数调整过程如下：
其中，ls为0到ns-1之间的任一整数，ai和bj为iir滤波器系数，s[n-ls]表示n-ls时刻iir滤波器的输出，e[n]为n时刻的滤波误差，μiir为iir滤波器参数的学习步长，ns为输入阶数，
6.根据权利要求1所述的方法，其中，控制系统和基准模型有相同的输入x[n]。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，第三步骤中，对实时观测的偏差e[n]进行指数中值滤波，得到滤波后偏差r[n]，滤波过程为
r[n]＝λ·r[n-1] (1-λ)·med(en)，
其中，λ为平滑参数，med(·)为取中值符号，en为窗长为nr的近邻观测误差的平方值，en＝[e2[n]，e2[n-1]，...，e2[n-nr 1]]t。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，平滑参数λ为0到1之间的常数。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，第四步骤(s4)中，根据基准模型输出自适应确定误差阈值，其中，基准模型输出y[n]的能量值ey通过
10.根据权利要求1所述的方法，其中，航空发动机控制系统的输入x[n]为，s[n]＝-0.2s[n-1] 0.5s[n-2]-0.1s[n-3] 0.6x[n]-0.4x[n-1]，
航空发动机控制系统的输出d[n]为，
d[n]＝s[n] 0.1x[n]3 0.5arctan(d[n-1]) v[n]
其中，x[n]为系统输入，s[n]为iir滤波器输出，d[n]为系统输出，v[n]为噪声干扰，arctan(·)表示反正切函数。
技术总结