航空发动机喘振先兆在线检测方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种航空发动机喘振先兆在线检测方法，通过对航空发动机的压气机出口静压低频采样信号进行时频分析来获取喘振先兆特征，并根据所述喘振先兆特征与预设阈值的比较结果实现喘振先兆在线检测；所述时频分析包括：模态分解、Hilbert变换、时频谱分析这三个步骤；所述模态分解为带自适应噪声的改进完备集成经验模态分解方法。本发明专利技术还公开了一种航空发动机喘振先兆在线检测装置。相比现有技术，本发明专利技术可以极低成本实现在线喘振先兆预警，且预警时间大幅提高。且预警时间大幅提高。且预警时间大幅提高。

【技术实现步骤摘要】
航空发动机喘振先兆在线检测方法及装置


[0001]本专利技术涉及一种航空发动机喘振先兆在线检测方法，属于航空发动机健康监测及控制


技术介绍

[0002]航空发动机压气机喘振是指气流沿压气机轴线方向发生的低频率(5～30Hz)、高振幅(强烈的压强和流量波动)的气流振荡现象，它是旋转失速在流量进一步减少后的结果。
[0003]研究学者根据压气机喘振机理和信号特征提出了许多喘振检测方法，如快速傅里叶变换、小波分析法、相关度法、时间序列分析法、压差脉动法和均方根法等。但目前上述这些方法对分布在压气机上的传感器数量和位置具有很高的要求，如需要在压气机周向均匀布置多个压力传感器以提取对喘振敏感性较强的压力信号。虽然有研究表明采用信号转换方法，对压气机单通道传感器的动压信号进行圆周方向重构，可以解决传感器数量有限、采集误差大的问题。但其传感器采样频率达6kHz，而在机载环境下，发动机控制器的计算周期一般是5～20ms(50～200Hz)，这很难达到高频喘振信号检测的要求。因此，从机载应用角度针对发动机在翼运行时，控制系统只能依靠有限的机载测量参数进行喘振的检测和预处理，当前研究报道了一种基于压气机出口静压(Ps3，采样频率为50Hz)变化率的喘振检测方法[王玉东.基于压气机出口静压变化率的喘振检测方法[J].航空动力学报,2020,35(06):1131
‑
1139.]，此方法主要通过导数离散算法实时计算压气机出口静压的一阶和二阶变化率，并基于转速等辅助参数形成联合判喘逻辑实现喘振的检测，即首先通过检测高压转速和压气机出口静压一阶变化率是否同时穿越阈值来初步确认喘振，再在计时周期内通过判断压气机出口静压二阶变化率或高压转速变化率是否穿越阈值来最终确定喘振。其测试结果表明系统响应时间短，检测时间低于半个喘振周期，实时检测成功率达到100％，虚警率低至0％，通过调节判喘阈值可实现喘振先兆的检测。但该方法需要设置较多的判断阈值(转速及转速变化率，静压一阶和二阶变化率的阈值)，而且这些阈值严重依赖于大量的发动机逼喘试验数据，试验成本高，且具有极大的试验风险。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种航空发动机喘振先兆在线检测方法，可以极低成本实现在线喘振先兆预警，且预警时间大幅提高。
[0005]本专利技术具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
[0006]一种航空发动机喘振先兆在线检测方法，通过对航空发动机的压气机出口静压低频采样信号进行时频分析来获取喘振先兆特征，并根据所述喘振先兆特征与预设阈值的比较结果实现喘振先兆在线检测；所述时频分析包括：模态分解、Hilbert变换、时频谱分析这三个步骤；所述模态分解为带自适应噪声的改进完备集成经验模态分解方法，具体包括以下步骤：
(t)＝<M(x
(i)
(t))>；其中，ε0为原始信号与第一次加入的噪声的信噪比的倒数，w
(i)
(t)表示第i次加入的零均值单位方差的高斯白噪声，常数β
k
＝ε
k
std(r
k
(t))，β＞0，ε为信噪比的倒数，std表示求标准差函数，E
k
(
·
)是产生对信号进行EMD后获得的第k个模态分量的算子，M(
·
)是产生当前信号局部均值的算子，<
·
>表示平均值计算符号；
[0020]步骤2、计算第一个模态
[0021]步骤3、k＝2，i＝2，将步骤1获得的残差信号r1(t)加入所述高斯白噪声，得到r1(t)+β1E2(w
(i)
(t))，并通过计算其局部均值获得第2个残差信号r2(t)，计算第2个模态
[0022]步骤4、k＝k+1，i＝i+1，计算第k个残差信号r
k
(t)：r
k
(t)＝<M(r
k
‑1(t)+β
k
‑1E
k
(w
(i)
(t)))>；步骤5、计算第k个模态)>；步骤5、计算第k个模态
[0023]步骤6、判断残差信号(r
k
)是否满足模态分解的结束条件：如果满足，则结束；否则返回到步骤4。
[0024]进一步地，所述时频分析单元还包括：
[0025]数据段添加模块，设置于模态分解模块之前，用于在进行所述时频分析之前，先在航空发动机的压气机出口静压低频采样信号的首、尾分别添加一段数据段；数据段去除模块，设置于Hilbert变换模块与时频谱分析模块之间，用于从Hilbert变换后所得到的时频谱的首、尾分别去除首、尾所添加数据段对应的时频谱。
[0026]进一步优选地，首、尾所添加的数据段中的数据值全部填充压气机出口静压低频采样信号的首、尾数据值。
[0027]优选地，所述喘振先兆特征为喘振先兆强度SPI，SPI值越大表明出现喘振的概率越大，其定义如下：
[0028][0029]其中，A(t)为Hilbert时频谱分析得到的当前时刻的幅值序列，Ind1和Ind2为当前时刻时频谱中低频段幅值序列索引，3≤Ind1≤Ind2≤50。
[0030]相比现有技术，本专利技术具有以下有益效果：
[0031](1)本专利技术克服了现有技术无法实现对航空发动机机载环境下低频采样信号实时进行喘振先兆准确检测的难题，实现了机载环境下，基于低采样率压气机出口静压实时测量数据实现喘振先兆信号的准确检测。
[0032](2)本专利技术解决了传统Hilbert
‑
Huang变换算法中存在的模态混叠、难以实现信号重构、噪声残留、杂散模态以及端点效应等诸多不足问题，保证了对信号进行时频分析结果的准确性。
[0033](3)本专利技术的检测成功率达100％，喘振先兆预警时间长达0.05～0.3s，为机载环境下的压气机主动稳定控制提供了更好的条件和更坚实的基础。
附图说明
[0034]图1为改进Hilbert
‑
Huang变换时频分析算法的流程示意图；
[0035]图2为检测信号首尾数据处理方法原理图；
[0036]图3为滑动窗口原理图；
[0037]图4为本专利技术航空发动机喘振先兆在线检测装置的结构框架示意图；
[0038]图5为逻辑判断模块原理流程图。
[0039]图6为本专利技术所述方法试验检测结果图。
具体实施方式
[0040]针对现有技术无法实现对航空发动机机载环境下低频采样信号实时进行喘振先兆准确检测的难题，本专利技术的解决思路是通过对航空发动机的压气机出口静压低频采样信号进行时频分析来获取喘振先兆特征，并根据所述喘振先兆特征与预设阈值的比较结果实现喘振先兆在线检测，从而实现机载环境下，基于低采样率实时测量数据实现喘本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种航空发动机喘振先兆在线检测方法，其特征在于，通过对航空发动机的压气机出口静压低频采样信号进行时频分析来获取喘振先兆特征，并根据所述喘振先兆特征与预设阈值的比较结果实现喘振先兆在线检测；所述时频分析包括：模态分解、Hilbert变换、时频谱分析这三个步骤；所述模态分解为带自适应噪声的改进完备集成经验模态分解方法，具体包括以下步骤：步骤1、k＝1，i＝1，在原始信号x(t)中加入噪声β0E1(w
(i)
(t))，并通过EMD算法对加入噪声的信号x
(i)
(t)＝x(t)+β0E1(w
(i)
(t))计算局部均值以获得第一个残差信号r1(t)：r1(t)＝<M(x
(i)
(t))>；其中，ε0为原始信号与第一次加入的噪声的信噪比的倒数，w
(i)
(t)表示第i次加入的零均值单位方差的高斯白噪声，常数β
k
＝ε
k
std(r
k
(t))，β＞0，ε为信噪比的倒数，std表示求标准差函数，E
k
(
·
)是产生对信号进行EMD后获得的第k个模态分量的算子，M(
·
)是产生当前信号局部均值的算子，<
·
>表示平均值计算符号；步骤2、计算第一个模态步骤3、k＝2，i＝2，将步骤1获得的残差信号r1(t)加入所述高斯白噪声，得到r1(t)+β1E2(w
(i)
(t))，并通过计算其局部均值获得第2个残差信号r2(t)，计算第2个模态步骤4、k＝k+1，i＝i+1，计算第k个残差信号r
k
(t)：r
k
(t)＝<M(r
k
‑1(t)+β
k
‑1E
k
(w
(i)
(t)))>；步骤5、计算第k个模态>；步骤5、计算第k个模态步骤6、判断残差信号(r
k
)是否满足模态分解的结束条件：如果满足，则结束；否则返回到步骤4。2.如权利要求1所述航空发动机喘振先兆在线检测方法，其特征在于，在进行所述时频分析之前，先在航空发动机的压气机出口静压低频采样信号的首、尾分别添加一段数据段，并对添加了数据段的压气机出口静压低频采样信号进行模态分解、Hilbert变换，然后从Hilbert变换后所得到的时频谱的首、尾分别去除首、尾所添加数据段对应的时频谱，最后对所得到的时频谱进行时频谱分析。3.如权利要求2所述航空发动机喘振先兆在线检测方法，其特征在于，首、尾所添加的数据段中的数据值全部填充压气机出口静压低频采样信号的首、尾数据值。4.如权利要求1～3任一项所述航空发动机喘振先兆在线检测方法，其特征在于，所述喘振先兆特征为喘振先兆强度SPI，SPI值越大表明出现喘振的概率越大，其定义如下：其中，A(t)为Hilbert时频谱分析得到的当前时刻的幅值序列，Ind1和Ind2为当前时刻时频谱中低频段幅值索引，3≤Ind1≤Ind2≤50。5.一种航空发动机喘振先兆在线检测装置，其特征在于，包括时频分...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈芊，盛汉霖，杨杰，路引，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：