图 1 某型飞机高压除水环控系统原理图 Fig11 ECS based on bootstrap air cycle
11 2 飞机环控系统热交换器动态特性模型
热交换器是飞机环控系统中的重要元件 ,其可靠性直接决定飞机环控系统的可靠性 ,因此对热交换器进行准确有效的故障诊断是飞机环控系统可靠性的保证 [7]。
本文以航空领域常用的板翅式热交换器为例 ,说明基于 DMF滤波算法的环控系统动态故障诊断方法如何实现。采用集总参数法建立换热
冷边沿程温度变化 : dtc (x,τ)
(m.c cpc ) d x +(ηcαcdAcw ) ·
d x [tc (x,τ)-tw ]= 0
利用 Laplace变换和反变换得到冷边出口温度 :
γ
1
γ
tc ,out (τ) =tw (τ) +[tc ,in (τ)-tw (τ)] ·e -
式中 :γ1=ηcαc Acw ,γ2=ρc Ac vc cpc ;ηc为冷边换热表面效率 ;αc为冷边对流换热系数 (W/ m2 K) ;Acw为冷边有效换热面积 ( m2 );m.c为冷边质量流量 ( kg/ s) ,m.c=ρc Ac vc ,ρc ,Ac ,vc分别为冷边空气密度 ( kg/ m3 )、有效流通面积 ( m2 )、空气流速 ( m/
s) ;cpc为冷边空气定压比热容 (J/ (kg ·K) )。冷边平均温度 :
tpc (τ) =tw (τ) +[tc ,in (τ)-tw (τ)] ·
1
γ
γ1
1 -e -γ2 /
γ2
热边入口温度为发动机引气温度 : th ,in (τ) =tbleed (τ) 热边沿程温度变化 : dth (x,τ)
(m.h ·cph ) d x +(ηhαh A hw ) ·
d x
[tph (x,τ)-tw ]= 0
利用 Laplace变换和反变换得到热边出口温度 :
γ
3
th ,out (τ) =tw (τ) +[tc ,in (τ)-tw (τ)] ·e
-
γ4
式中 :γ3=ηhαh A hw ,γ4=ρh A h vh cph ,ηh为热边换热效率 ,αh为热边对流换热系数 ( W/ (m2 ·K) )。 A hw为热边有效换热面积 (m) 2 ;m.h=ρh A h vh为热边质量流量 ( kg/ s);ρh ,A h ,vh分别为热边空气密度、流通面积、空气流速 ;cph为热边空气定压比热
(J/ (kg ·K) )。
可以改善参数辨识和状态预测的精度。
mw ·cpw γ3Δτ (n) (n-1) DMF算法的原理如图 2所示 ,将 k时刻的滤
mw ·cpw (tph ,out
-tw
)
波输出的状态和方差分别作为滤波器 1和滤波器
显然上述方程模型具非线性特征 ,可以采用2的输入状态和方差 ,滤波器 1和滤波器 2采用
热边平均温度 : tph (τ) =tw (τ) +[th ,in (τ)-tw (τ)] · 3
γ
γ3
1 -e -
γ/
γ4
换热器壁面平均温度 : dtw
(mw ·cpw ) =(ηcαc Acw ) ·(tpc -tw )+
dτ (ηhαh A hw ) ·(tph -tw )
差分方程为
(n) (n-1) γ1Δτ (n) (n-1)
tw =tw + (tpc ,out -tw )+
扩展 Kalman滤波 ( EKF)来完成参数辨识与状态预测。但如采用单模型滤波算法 ,无法协调稳态过程和过渡 (故障 )过程之间的参数计算 ,不能最优匹配滤波器与变过程特征 [ 12 ]。本文提出采用 DMF滤波算法 ,同时采用多个并行的滤波模型分别跟踪系统的稳态过程和过渡过程 ,使得状态的在线辨识性能得到较大提高 ,从而准确地预测温度变化趋势 ,实现快速、准确地故障预测与诊断。
2 飞机环控系统故障模型
故障检测与诊断方法基本思想是许多故障可以看做是过程系数的变动 ,这些过程系数可以隐含在过程模型的参数中 ,它们可以是定常的 ,也可以是时变的。无论采用何种故障诊断方法 ,均需对系统的故障现象进行分析 [13 ]。热交换器最常见的故障为泄漏、堵塞和结垢 [14 ]。
(1)泄漏 :热交换器泄漏主要表现为质量流量会突然减小 ,影响到 m.h cph或 m.c cpc二者乘积。而 m.h=ρh A h vh ,若 ρh cpc为先验已知 ,则影响到 A h vh。在故障模型中表现为 ρh A h vh cph的乘积 ,实
时监控 ρh A h vh cph总值或 ρc Ac vc cpc的显著变化能够诊断出热交换器的泄漏故障。
(2)结垢 :结垢可导致热交换器的传热系数
αc或αh降低 ,严重时还会堵塞板片通道 ,使换热效率大为降低。实时监控 ηhαh A hw或ηcαc Acw总的乘积变化能够诊断出热交换器的结垢故障。
(3)堵塞 :对于换热器堵塞故障 ,有效流通面积值 A h或 Ac会有显著的变化 ,所以在运行当中 ,实时监控总 ρh A h vh cph或ρc Ac vc cpc的乘积的显著变化能够诊断出热交换器的堵塞故障。
利用这些估计值与相关参数的标称值进行比较 ,即可获得故障特征值 ,进行故障诊断。
3 DM F算法
采用一个滤波模型完成系统参数辨识与状态预测时 ,如该模型与系统的稳态过程匹配得较好 ,一般对过渡过程的跟踪性能会较差 ;反之 ,该模型与系统过渡过程匹配得较好 ,一般对稳态过程的跟踪性能会较差。本文提出采用两个滤波模型 ,分别与系统的稳态和过渡过程 (故障 )匹配 ,这样
两个不同的系统模型 ,经过滤波分别得到两个不同滤波输出 ,根据两个滤波器的似然函数来选择滤波器的输出结果。
图 2 双模型算法原理图 Fig12 DMF algorithm图中 Zk +1表示 k +1时刻的观测 ,Λ1和 Λ2的算法如下 :
11
1
′1 )-
-v(i)k+1( S(i)k+v(i)k+1
Λ(i)k+1 =
exp
S( i)
2
(2π)M| k+1 |
( i)
式中 :M为观测维数 ; vk +1为 k +1时刻的第 i个滤波器的滤波新信息和新信息方差。每个滤波器仍采用 EKF ,算法如下 :
X^k+1|k = ΦX^k| k
Pk+1|k = ΦPk| kΦ+ Qk
′
^Zk+1|k P^Z^ZP^X^Z=
h( X^k+1| k ) Hk+1Pk+1|k H′k+1Pk+1|k H′k+1
中国航空网 www.aero.cn
航空翻译 www.aviation.cn
本文链接地址：航空学报08大飞机专刊(88)
