朱日兴

(中国民航大学 适航学院 民用航空器适航审定技术重点实验室， 天津 300300)

0 引言

航空发动机中应用了多种传感器，以检测系统运行过程中的各种参数，其中的风扇转速是发动机的关键控制变量。《航空发动机适航规定》(CCAR-33部)的33.28条款对发动机控制系统提出“单点故障”的要求[1]。现有对发动机控制系统的研究都是在传感器正常状态下进行，然而，随着发动机研制的不断发展，其性能水平不断提高，使得测试部位常常处于更恶劣的工况环境中[2,3]。据统计，一般控制系统中传感器故障占总故障的80%以上[4]，而某型飞机减小转速信号的故障中，传感器故障占比超过50%[5]。

由于传感器故障情况比较复杂，国内外研究人员从不同的角度提出了多种传感器故障分类方法。传感器失效模式根据故障程度大小可分为故障变化幅度大且突然的硬故障及变化幅度小且缓慢的软故障，这是最普遍的分类方法[6]。而根据故障的产生原因则又可将其分为偏置故障、漂移故障、冲击故障、开路故障、短路故障及周期性干扰故障等[7]。通常对于传感器失效的分析都是在硬故障与软故障两类故障模式中进行，鲜有在更为细致的传感器失效模式中进行失效影响的研究。本文针对航空发动机转速控制系统进行转速传感器失效影响研究。通过MATLAB/Simulink仿真平台，以不同电流信号来表征偏置、漂移、冲击、开路、短路和周期性干扰故障等传感器失效模式，观测控制系统的风扇转速响应、燃料流量输出、偏差信号、传感器输出信号等的变化趋势，综合分析传感器各失效模式对转速控制系统的影响。从传感器不同失效模式角度研究发动机转速控制系统，既扩展了发动机控制系统的相关研究，也为转速控制系统的适航审定给予了相应的审查关注重点。

1 转速控制模型建立

经典的稳态控制器通常使用根轨迹法进行单输入单输出的控制设计，并将其应用于风扇转速控制问题中[8，9]。航空发动机需要高安全性及可靠性，因此，有必要研究传感器各种失效模式对发动机转速控制系统的影响。

由于发动机推力在飞行中不能有效测量，因此，需要选择其他发动机变量作为反馈回路中被调节的输出变量，且该变量与推力具有一定的关系，在发动机控制中转子转速n能够满足这一需求。图1为稳态控制器的转速控制回路框图，其中稳态控制器由根轨迹法设计。图1中，ncmd为转速的输入指令，e为控制系统偏差，Wf为燃油流量，n为最终输出转速指令。

图1 稳态控制器的转速控制回路框图

以NASA的CAMPSS-40k作为发动机的仿真模型[10]，该发动机的线性模型矩阵，即状态空间模型矩阵形式为：

(1)

其中：A、B、C、D分别为模型的系统矩阵、输入矩阵、输出矩阵、直接传递矩阵(通常为一个常数矩阵)；x为状态矢量；u为输入矢量；y为输出矢量。

式(1)中输入、输出及状态量为偏离稳态点的增量。其中，状态矢量x=[ΔNfΔNc]T，ΔNf为风扇转速增量，ΔNc为高压转子的转速增量；控制输入u=ΔWf，ΔWf为燃油流量增量；输出y=ΔNf。以发动机的地面慢车状态为例，由状态空间模型矩阵得到y=ΔNf到ΔWf的传递函数模型为：

(2)

2 转速传感器失效对转速控制系统的影响分析

当转速传感器发生偏置、漂移、冲击、开路、短路和周期性干扰等故障，且失效程度不断加大时，以航空发动机转速控制系统的风扇转速响应、燃油流量输出、偏差及传感器输出信号四个方面共同进行转速传感器失效影响分析。

2.1 传感器失效对风扇转速响应的影响

传感器失效发生时，带有PI控制律的转速响应变化趋势如图2所示。由图2可知：偏置故障时，转速输出响应会偏离转速给定值且维持在一个新的稳定，可见偏置故障对系统影响较小；漂移故障时，转速响应始终不能达到新的稳定状态，因此，漂移故障对转速响应影响随着时间增大；冲击故障发生一段时间后，输出的转速响应依旧满足转速给定值，可见冲击故障对转速响应的影响很小；开路故障时转速响应出现猛增，其对转速响应影响非常大；短路故障时，一段时间后转速响应趋近于0，对转速响应影响很大；周期性干扰故障时，输出转速响应不断振荡，系统输出响应处于不稳定状态，故该故障对系统影响较大。通过分析可知，对控制系统影响程度最小的是冲击故障，最大的是开路故障。

图2 传感器失效时带有PI控制律的转速响应的变化趋势

2.2 传感器失效对燃油流量输出的影响

传感器失效时燃油流量的变化趋势如图3所示。由图3可知：当偏置故障发生时，失效导致燃油流量的增量减少，并维持在某一值上，其减少程度与偏置幅值呈正相关；漂移故障导致燃油流量的增量按一定速率随着时间推移不断减少；冲击故障时，失效后燃油流量的增量经过一段时间后依旧维持初始状态；周期性干扰故障失效后输出的燃油流量增量振动加剧，处于输出不稳定状态；开路故障失效导致燃油流量增量猛增；短路故障失效导致燃油流量增量为0。因此，传感器失效时，对系统影响最小的是冲击故障，影响最大的是开路故障。

图3 传感器失效时燃油流量的变化趋势

2.3 传感器失效对偏差的影响

传感器失效时控制系统偏差的变化趋势如图4所示。偏差量重新回归为0时，系统重新回归稳定状态，由此可以看出控制系统实质是对偏差进行控制，即经过控制器及负反馈作用后输入与反馈的偏差再次为0。通过分析可知：冲击故障对偏差影响最小，其次是偏置故障及短路故障；开路故障影响最大，其次是周期性干扰故障及漂移故障。

图4 传感器失效时控制系统偏差的变化趋势

2.4 传感器失效对传感器输出信号的影响

传感器失效对输出信号的影响如图5所示，当传感器发生失效后，传感器的输出信号均偏离初始状态，但随后经控制器调节，传感器输出信号分为两种状态：一种是回归初始状态，如偏置故障、冲击故障和短路故障发生；另一种是无法回归初始状态，如漂移故障发生后，传感器信号维持在某一数值，其数值大小与漂移的速率呈正相关。周期性干扰故障发生时，传感器输出信号以振荡状态上下穿越初始状态。开路故障发生时，传感器输出的电流信号为0。由分析可知，传感器失效时对输出信号影响最小的是冲击故障，影响最大的是开路故障。

图5 传感器失效时传感器输出信号的变化趋势

3 结论

现有对发动机控制系统的研究都是在传感器正常状态下进行的，然而CCAR-33中第33.28条款针对发动机控制系统提出了“单点故障”的规定。为给予局方在适航审定过程中提供审查关注点及相应的技术支持，针对航空发动机转速控制系统，在转速传感器出现偏置、漂移、冲击、开路、短路及周期性干扰等故障下，从风扇转速响应、燃料流量输出、偏差、传感器输出等方面分别进行失效影响研究，仿真验证了控制系统的实质是对系统的偏差进行控制，偏差为0时系统重新进入新的稳定状态；传感器失效程度与系统影响程度呈正相关，在各失效模式中，冲击故障对发动机转速控制系统影响最小，开路故障对系统影响最大。