基于Petri网的航空发动机控制器单粒子效应故障诊断.pdf
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1、现 代 制 造 技 术 与 装 备42023 年第 9 期总第 322 期基于 Petri 网的航空发动机控制器单粒子效应 故障诊断束怡(江苏航空职业技术学院 航空工程学院,镇江 212134)摘要:航空发动机控制器是航空发动机的核心元件,若发生故障,将对航空发动机甚至飞机安全性造成很大影响,而单粒子效应是影响航空发动机控制器的重要因素。文章建立航空发动机控制器单粒子效应的故障树模型,并转换成对应的 Petri 网模型进行优化,简化计算过程,有利于后续进行快速的单粒子效应故障诊断动态分析。关键词:航空发动机控制器;故障诊断;Petri 网;故障树Single Event Effect Faul
2、t Diagnosis Model of Aeroengine Controller Based on Petri NetSHU Yi(School of Engineering,Jiangsu Aviation Technical College,Zhenjiang 212134)Abstract:The aviation engine controller is the core component of the aviation engine.If it fails,it will have a significant impact on the safety of the aviati
3、on engine and even the aircraft,and the single particle effect has gradually become an important factor affecting the aviation engine controller.In this paper,the fault tree model of single event effect of aeroengine controller is established and transformed into the corresponding Petri net model fo
4、r optimization,which simplifies the calculation process and facilitates the subsequent rapid dynamic analysis of single event effect fault diagnosis.Keywords:aeroengine controller;fault diagnosis;Petri net;fault tree随着科技的发展,射入电子器件内部敏感区而导致的单粒子效应逐渐成为影响航空发动机控制系统乃至飞机安全性与可靠性的重要因素。作为航空发动机控制系统的核心,控制器对单粒子效应
5、尤其敏感,若故障无法解决,飞机将有可能发生灾难性故障1-2。故障树能够反映系统故障的发生和传播,但是当利用故障树进行复杂的故障系统诊断时,计算量大。Petri 网能用简洁的表示形式简化故障树,不仅能诊断故障元件,还能显示故障的传播过程,展示每个故障事件动态时序变化和传递过程,可提高航空发动机控制器单粒子效应故障诊断的效率。1故障树与 Petri 网基本概念1.1故障树故障树分析是由上往下的演绎式失效分析法3,主要用来描述每个故障事件中的因果关系。它一般由事件、逻辑门和其他符号组成。逻辑门的输入事件是输出事件的“因”,输出事件是输入事件的“果”,可以进行定量分析或定性分析。故障树的事件分为顶事件
6、、中间事件与基本事件。通常将灾难性故障作为顶事件,将不能再分解的故障作为基本事件,通过逻辑符号将各个事件连接形成树状图。最常用的逻辑符号如表 1 所示。表 1故障树逻辑符号逻辑门故障树表示与门或门1.2Petri 网Petri 网是对离散并行系统的数学表示,可以用来进行系统描述和模拟4,且应用于多个领域,如机械、计算机、航空航天等。Petri 网可以由一个 6 元组N=(P,T,I,O,M,M0)定义5。其中:P代表库所;T代表变迁;I代表输入函数,方向由P到T;O代表输出函数,方向由T到P;M表示 Petri 网内所有库所的标识分布;M0表示 Petri 网内所有库所的初始标识分布。在 Pe
7、tri 网中,分别用空心圆“”、小短线“”基金项目:2022 年度院级课题资助项目(JATC22010113)。设 计 与 研 究5和有向弧“”来表示库所节点、变迁节点以及流关系,并用实心圆圈“”表示托肯,表示此事件发生。托肯的数量代表了系统的发生状态。Petri 网的基本结构如图 1 所示。库所托肯变迁有向弧图 1Petri 网的基本结构2故障模型的建立2.1航空发动机控制器具体结构某型航空发动机数字电子控制器的内部结构,如图 2 所示。它包括两个相互冗余的主控制通道与备份通道。无错误信号时,两个通道会进行相同的信号处理。一旦主通道出现错误信号,会依据情况让备份通道运行,防止出现安全隐患。根
8、据功能分类,数字电子控制器可以分为 4 大模块,分别为输入模块、核心控制模块、输出模块与电源模块6。输入模块包括模拟量输入调理电路、频率量输入调理电路以及开关量输入调理电路;核心控制模块是核心模块,主要针对的是中央处理器(Central Processing Unit,CPU)电路;输出模块包括模拟量输出调理电路和开关量输出调理电路。此外,该控制器中包括机内自检(Built in Test,BIT)电路,主要用于在检测到故障后切换通道7。2.2故障树模型单粒子效应具有随机性,是一个随机事件,因此可以通过故障树模型分析单粒子效应。航空发动机控制器单粒子效应可能会导致控制输出异常、错误或指令错误等
9、故障模式,而其造成的航空发动机控制系统灾难性事件共有 3 种,分别为可变放气活门(Variable Bleed Valve,VBV)异常、丧失高压涡轮间隙控制活门(High Pressure Turbine Active Clearance Control,HPTACC)控制以及由数控系统导致发动机停车。以VBV 异常为例,建立故障树如图 3 所示。评估图 3的故障树可以得出,没有单粒子效应造成的单一故障引起顶事件的产生,可以后续计算单粒子效应故障树顶事件的概率。模拟量输入频率量输入开关量输入开关量输入频率量输入楔拟量输入模拟量调理模块模拟量输出模块模拟量输出模块模拟量输出模拟量输出频率量调理
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