一種發動機工作狀態監測及自動關機方法與流程
2023-05-25 18:44:36 1
本發明屬於航天發動機試驗技術領域，具體涉及一種發動機工作狀態監測及自動關機方法。
背景技術：
發動機在研製初期，由於設計要求、加工工藝、材料選型等因素影響，發動機試驗過程中極有可能出現漏火、漏液、燒蝕、爆炸，試驗臺燒損，人員傷亡等嚴重後果，通過人工判斷，無法準確定位故障，並且不能及時對發動機實施快速關機控制。如果試驗過程中能對發動機工作狀態進行實時監測，並在故障發生之初對發動機進行自動及時關機控制，則將減少故障帶來的損失，保護髮動機和試驗設施、保證人身安全，同時為試驗後分析發動機故障提供故障現場。這樣，將加快發動機研製進度，節約研製成本。
技術實現要素：
為了解決背景技術中發動機試驗時的問題，本發明建立了一套試驗過程中能對發動機工作狀態進行實時監測，並在故障發生之初對發動機進行自動關機控制，同時能夠為試驗後分析發動機故障提供故障現場的發動機工作狀態監測及自動關機方法。
本發明的技術解決方案：
本發明提供了發動機工作狀態監測及自動關機方法，包括以下步驟：
步驟1)獲取特徵參數數據；
在發動機的各個測點完成傳感器的部署，根據傳感器來獲取各個測點需要的特徵參數數據；特徵參數數據包括轉速、壓力、流量以及以及溫度；
步驟2)閾值設定；
通過傳感器多次獲取發動機各個測點在起動時段、穩定時段以及調整工況時段的特徵參數數據，計算出上述各時段的特徵參數數據的平均數值作為各個時段的閾值；所述閾值將作為監控下次試驗發動機工作情況的報警條件；
步驟3)數據採集；
通過傳感器採集特徵參數數據並轉換成其對應的電信號後再通過信號調節裝置的調節後發送至數據採集單元，數據採集單元再將信號傳輸至數據處理與傳輸模塊；
步驟4)數據傳送；
通過UDP協議，數據處理與傳輸模塊以數據包的形式將特徵參數數據發送至監控模塊；
步驟5)監控模塊進行數據接收並對時長進行判斷：
監控模塊接收步驟5)發送的特徵參數數據；若時長滿足試驗要求時長總數，則停止接收數據，監控模塊停止工作，發動機試驗工作停止；
相反，若時長總數不滿足試驗要求時長總數，則監控模塊在UDP協議下繼續接收特徵參數數據包，並進行下一步驟；
步驟6)數據轉換
監控模塊解析特徵參數數據包並將數據包進行電壓量數據到物理量數據的量綱轉換；
步驟7)數據過濾；
通過監控模塊判斷特徵參數數據是否能夠作為判斷發動機工作異常的依據；若是異常依據，則進行步驟8)，若不是異常依據，則剔除該特徵參數數據；
步驟8)規則判斷；
8.1)監控模塊根據判斷規則完成對發動機起動時段、穩定時段以及調整工況時段的特徵參數數據實時值是否滿足安全範圍的監測；低於安全帶下限或高於安全帶上限均視為報警條件；
步驟8.2)當監測有3個及以上特徵參數數據連續三次超出安全帶，滿足關機條件，執行步驟9)；若否，則返回步驟4)
步驟9)發動機試驗停止關機結束。
步驟9)發動機試驗停止關機結束；
其中，步驟8)中所說的判斷規則包括起動時段判斷規則、穩定時段判斷規則以及調整工況時段判斷規則；
A：起動時段判斷規則
所述起動時段判斷規則是針對發動機開始起動的工作情況下，制定的規則，起動時段特徵參數數據的安全帶為(K1·M,K2·M)；
K1為特徵參數閥值的波動下限係數；K2為特徵參數閥值的波動上限係數；M為發動機起動工作段時獲取的閥值；
若起動時獲取的特徵參數數據超出安全帶的範圍，則滿足報警條件，反之不滿足報警條件；
B：平穩時段判斷規則
所述平穩時段判斷規則是針對發動機工況平穩後制定的判斷規則；平穩時段安全帶寬範圍根據起動工作段後t時段(單位為秒)內參數的實測平均值和標準偏差確定，安全帶表達式見公式(1)；
其中：
式中：N1——為下限帶寬係數；
N2——為上限帶寬係數；
Sj(t)——為起動工作段後t時段(單位為秒)內實測特徵參數數據的標準偏差(公式見3)，j為從0到n個連續參數的求平均值或標準偏差的時段(單位為秒)數量；
Xi(t)——為平穩時段的特徵參數數據的實測值，i為某個特徵參數從0到n個連續的監測參數數據記錄值，從監測開始至結束；
——為起動工作段後t時段(單位為秒)內實測特徵參數數據的平均值(公式見2)，j為從0到n個連續參數求平均值或標準偏差的時段(單位為秒)數量；
表示安全帶下限值；
表示安全帶下限值；
當平穩時段的特徵參數數據的實測值Xi(t)滿足超出公式(1)的安全帶範圍，則滿足報警條件，若達到三次報警條件，則滿足關機條件；反之不滿足；
C：調整工況時段判斷規則
所述調整工況時段判斷規則是針對發動機調整工況情況下，制定的判斷規則；對於調整工況，下一個工況時間內的安全帶的上限或下限根據上一個t時段(單位為秒)內實測參數的實測平均值確定；
當工況下調時，首先把安全帶下限按照預先設定的幅度降低；上限延續上一個工況的上限數值不變，直到調整時間結束，進入平穩工況；進入穩定段一段時間後，安全帶根據預先設定的調整段t時段(單位為秒)內的實測參數平均值和標準偏差確定；
安全帶具體表達式為：
其中：C1為下調程度，為初始下調時預先設定的常數；
當調整工況時段為下調時：若特徵參數數據的實測值Xi(t)滿足超出公式(4)的安全帶範圍，則滿足報警條件，若達到三次報警條件，則滿足關機條件；反之不滿足；
當工況上調時，首先把安全帶上限按照預先設定的幅度升高；，下限延續上一個工況的下限數值不變，直到調整時間結束，進入平穩工況；進入穩定段一段時間後，安全帶根據調整段的t時段內(單位為s)監測參數的平均值和標準偏差確定；
安全帶具體表達式為：
其中：C2為上調程度，為初始上調時預先設定的常數；
當調整工況時段為上調時：若特徵參數數據的實測值Xi(t)滿足超出公式(5)的安全帶範圍，則滿足報警條件，當達到三次報警條件，則滿足關機條件；反之不滿足。
本發明的有益效果是：
本發明的方法能夠實現多測點特徵參數同步的測量採集，實現實時的狀態監測，並通過判斷準則針對特徵數據進行狀態判斷，及時進行報警提示和自動關機控制，另外本發明的系統應用於發動機研製試驗過程中，減少了因發動機故障引起的發動機損壞和試驗條件破壞的次數，提高了發動機或組件重複利用率，節約了研製成本，縮短了研製周期。
附圖說明
圖1為本發明的系統框架圖；
圖2為本發明的方法流程圖。
具體實施方式
為了實現發動機工作狀態監測及自動關機的方法，首先先對該方法的採用的系統進行介紹，如圖1所示：該系統主要由硬體模塊和軟體模塊兩大部分組成。
系統硬體由傳感器、信號調節裝置、數據採集單元、數據處理與傳輸單元、網絡交換機、監控模塊、DIO板卡、關機報警裝置、試驗關機控制開關組成。見圖1所示。
傳感器將發動機上測點信號轉換成電信號，經信號調節裝置調節後傳送至數據採集單元，數據採集單元採集實時數據的同時通過數據處理與傳輸單元和網絡交換機向監控模塊發送數據，監控模塊通過判斷準則實時判定參數是否達到關機條件，達到關機條件DIO板卡輸出關機信號，關機報警裝置傳送關機信號至試驗關機控制開關，發動機試驗終止；
傳感器用於將發動機上測點信號轉換成電信號；
信號調節裝置用於將電信號進行調節發送給數據採集單元；
所述信號標準源用於提供數據採集單元一個激勵信號，數據採集單元開始工作；
數據採集單元用於採集信號調節裝置發送的信號；數據採集單元包括兩個子模塊：
a、參數設置模塊：用於對故障判斷數據處理過程中用到的特徵參數的基本信息進行設置；
b、數據採集模塊：用於採集多路特徵參數數據；
數據處理與傳輸單元用於接收對採集的信號進行傳輸和處理；數據處理與傳輸單元包括數據傳輸模塊和數據處理模塊；
a.數據傳輸，數據傳輸採用UDP網絡協議，將數據以數據包形式按固定速率通過網絡傳輸至指定IP位址或主機名的故障監控主機。
b.數據處理，依據處理要求完成所有測量參數數據處理。
監控模塊用於提供參數是否超限的判斷準則，並通過判斷準則進行實時判定；
監控模塊包括數據接收模塊、實時判斷模塊、數據展示模塊以及模擬測試模塊；
a、數據接收模塊用於將數據包轉換成物理量數值並保存；
b、實時判斷模塊用於物理量數據的有效性判別、均值計算、偏差計算以及準則判斷；
c、數據展示模塊用於實時曲線繪製以及數據顯示、報警及關機信號輸出；試驗全過程均提供監控數據展示。展示形式包括曲線和數值兩部分。監控特徵參數數值以1點/秒的速率進行顯示。同時在某個階段的對應閥值也將在界面中顯示，用於監控提醒。曲線以以1點/秒的速率在界面上繪製。當發動機工作正常時，數值和曲線以綠色呈現；當發動機達到故障條件時，以黃色顯示相應的數值和曲線；當達到關機條件時，以紅色顯示相應的數值和曲線；
d、模擬測試模塊用於試車數據或測試數據的瀏覽、測試文件生成和列印輸出。
DIO板卡用於輸出關機信號給關機報警裝置；
關機報警裝置控制試驗關機控制開關從而控制發動機關機。
通過上述系統，現對本發明的實現方法結進行敘述：
基於上述對的發動機工作狀態監測及自動關機系統的描述，現結合圖2對該發動機工作狀態監測及自動關機方法進行描述，其具體包括以下步驟：
步驟1)獲取特徵參數數據；
根據傳感器來獲取各個測點需要的特徵參數數據；特徵參數數據包括轉速、壓力、流量以及以及溫度；測點的選取是通過判斷是否是發動機的關鍵部位、是否方便測量以及是否能快速響應發動機狀態情況來確定的；
步驟2)閾值設定；
通過傳感器多次獲取發動機各個測點在起動時段、穩定時段以及調整工況時段的特徵參數數據，計算出上述各時段的特徵參數數據的平均數值作為各個時段的閾值；所述閾值將作為監控下次試驗發動機工作情況的報警條件；
步驟3)數據採集；
通過傳感器採集特徵參數數據並轉換成其對應的電信號後再通過信號調節裝置的調節後發送至數據採集單元，數據採集單元再將信號傳輸至數據處理與傳輸模塊；
步驟4)數據傳送；
通過UDP協議，數據處理與傳輸模塊以數據包的形式將特徵參數數據發送至監控模塊；
步驟5)監控模塊進行數據接收並對時長進行判斷：
監控模塊接收步驟5)發送的特徵參數數據；若時長滿足試驗要求時長總數，則停止接收數據，監控模塊停止工作，發動機試驗工作停止；
相反，若時長總數不滿足試驗要求時長總數，則監控模塊在UDP協議下繼續接收特徵參數數據包，並進行下一步驟；
步驟6)數據轉換
監控模塊解析特徵參數數據包並將數據包進行電壓量數據到物理量數據的量綱轉換；
步驟7)數據過濾；
通過監控模塊判斷特徵參數數據是否能夠作為判斷發動機工作異常的依據；若是異常依據，則進行步驟8)，若不是異常依據，則剔除該特徵參數數據；
步驟8)規則判斷；
8.1)監控模塊根據判斷規則完成對發動機起動時段、穩定時段以及調整工況時段的特徵參數數據實時，若故障成立則執行步驟8.2)；若故障條件不成立，則返回步驟4)；
所述各個工作時段均制定安全帶作為判斷規則的依據，低於安全帶下限或高於上限均視為報警條件；
步驟8.2)當有3個及以上特徵參數數據連續三次達到報警條件，滿足關機條件；當滿足關機條件下，執行步驟9)；不滿足關機條件下，返回步驟4)
步驟9)發動機試驗停止關機結束；
其中，步驟8)中所說的判斷規則包括起動時段判斷規則、穩定時段判斷規則以及調整工況時段判斷規則；
A：起動時段判斷規則
所述起動時段判斷規則是針對發動機開始起動的工作情況下，制定的規則，起動時段特徵參數數據的安全帶為(K1·M,K2·M)；
K1為特徵參數閥值的波動下限係數；K2為特徵參數閥值的波動上限係數；M為發動機起動工作段時獲取的閥值；
若起動時獲取的特徵參數數據超出安全帶的範圍，則滿足報警條件，反之不滿足報警條件；
B：平穩時段判斷規則
所述平穩時段判斷規則是針對發動機工況平穩後制定的判斷規則；平穩時段安全帶寬範圍根據起動工作段後t時段(單位為秒)內參數的實測平均值和標準偏差確定，安全帶表達式見公式(1)；
其中：
式中：N1——為下限帶寬係數；
N2——為上限帶寬係數；
Sj(t)——為起動工作段後t時段(單位為秒)內實測特徵參數數據的標準偏差(公式見3)，j為從0到n個連續參數的求平均值或標準偏差的時段(單位為秒)數量；
Xi(t)——為平穩時段的特徵參數數據的實測值，i為某個特徵參數從0到n個連續的監測參數數據記錄值，從監測開始至結束；
——為起動工作段後t時段(單位為秒)內實測特徵參數數據的平均值(公式見2)，j為從0到n個連續參數求平均值或標準偏差的時段(單位為秒)數量；
表示安全帶下限值；
表示安全帶下限值；
當平穩時段的特徵參數數據的實測值Xi(t)滿足超出公式(1)的安全帶範圍，則滿足報警條件，若達到三次報警條件，則滿足關機條件；反之不滿足；
C：調整工況時段判斷規則
所述調整工況時段判斷規則是針對發動機調整工況情況下，制定的判斷規則；對於調整工況，下一個工況時間內的安全帶的上限或下限根據上一個t時段(單位為秒)內實測參數的實測平均值確定；
當工況下調時，首先把安全帶下限按照預先設定的幅度降低；上限延續上一個工況的上限數值不變，直到調整時間結束，進入平穩工況；進入穩定段一段時間後，安全帶根據預先設定的調整段t時段(單位為秒)內的實測參數平均值和標準偏差確定；
安全帶具體表達式為：
其中：C1為下調程度，為初始下調時預先設定的常數；
當調整工況時段為下調時：若特徵參數數據的實測值Xi(t)滿足超出公式(4)的安全帶範圍，則滿足報警條件，若達到三次報警條件，則滿足關機條件；反之不滿足；
當工況上調時，首先把安全帶上限按照預先設定的幅度升高；，下限延續上一個工況的下限數值不變，直到調整時間結束，進入平穩工況；進入穩定段一段時間後，安全帶根據調整段的t時段內(單位為s)監測參數的平均值和標準偏差確定；
安全帶具體表達式為：
其中：C2為上調程度，為初始上調時預先設定的常數；
當調整工況時段為上調時：若特徵參數數據的實測值Xi(t)滿足超出公式(5)的安全帶範圍，則滿足報警條件，當達到三次報警條件，則滿足關機條件；反之不滿足。