一种用于燃气涡轮发动机的传感器故障注入装置及方法

本发明属于发动机控制系统试验，具体涉及一种用于燃气涡轮发动机的传感器故障注入装置及方法。

背景技术：

1、容错控制是保障发动机安全高效运行的核心技术。燃气涡轮发动机容错控制试验验证技术是检验容错控制算法有效性的重要手段，传感器故障注入技术是发动机容错控制评价的重要手段。与试车相比，发动机半物理试验具有低成本、多次迭代、快速高效、接近实际工况的特点。在发动机半物理仿真系统中对各种飞行场景下的发动机进行传感器故障注入，能够验证算法的可靠性。

2、传感器故障是燃气涡轮发动机的常见故障之一，由于发动机在高温、高压、强振动环境下工作，传感器容易发生故障，因此需要有完善的传感器信号容错控制方案。单一类型故障注入无法有效说明容错控制方法的普适性，故需要一种快捷、有效的故障注入方式。但是目前的传感器故障注入装置存在无法完全涵盖所有故障类型、故障程度无法编程的缺点。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于燃气涡轮发动机的传感器故障注入装置及方法，解决了目前的传感器故障注入装置存在无法完全涵盖所有故障类型、故障程度无法编程的问题。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、一种用于燃气涡轮发动机的传感器故障注入装置，包括：

4、多通道模拟量信号输入接口、多路传感器故障模拟线路、多通道模拟量信号输出接口及主控芯片；

5、主控芯片用于发送故障注入指令给多路传感器故障模拟线路，故障注入指令包括故障通道指令、故障类型指令和偏移信号指令；

6、每路传感器故障模拟线路包括线路切换控制电路、和与线路切换控制电路分别连接的正常工作线路、短路故障线路、漂移故障线路及断路故障线路，正常工作线路、短路故障线路、漂移故障线路及断路故障线路并联设置；

7、主控芯片与多路传感器故障模拟线路连接，根据故障通道指令确定向某路传感器故障模拟线路注入故障；

8、主控芯片与线路切换控制电路连接，线路切换控制电路用于根据故障类型指令控制正常工作线路、短路故障线路、漂移故障线路及断路故障线路的通断；

9、主控芯片与漂移故障线路连接，当漂移故障线路接通时，漂移故障线路用于将主控芯片发送的偏移信号与输入的传感器信号进行处理，生成漂移故障信号；

10、多路传感器故障模拟线路的后端均与多通道模拟量信号输出接口连接，用于将注入故障后的传感器信号经多通道模拟量信号输出接口输出。

11、进一步，多通道模拟量信号输入接口接收来自于发动机模型仿真机输出的传感器信号；

12、传感器信号包括压力信号、温度信号和转速信号。

13、进一步，故障通道指令能够同时包含多个传感器通道，则故障注入装置能够同时向多个传感器信号注入故障。

14、进一步，正常工作线路上配置继电器k1、短路故障线路上配置继电器k2、漂移故障线路上配置继电器k3，断路故障线路上配置继电器k4；

15、继电器k1、继电器k2、继电器k3、继电器k4分别与线路切换控制电路连接。

16、进一步，线路切换控制电路用于控制多路传感器故障模拟线路的通断，具体为：

17、线路切换控制电路控制k1闭合，且k2、k3、k4断开时，接入正常工作线路；

18、线路切换控制电路控制k2闭合，且k1、k3、k4断开时，接入短路故障线路；

19、线路切换控制电路控制k3闭合，且k1、k2、k4断开时，接入漂移故障线路；

20、线路切换控制电路控制k4闭合，且k1、k2、k3断开时，接入断路故障线路。

21、进一步，主控芯片通过lan接口连接上位机，上位机用于设置故障注入指令。

22、进一步，漂移故障线路包括dac模块和可编程调理电路；可编程调理电路分为正漂移故障的可编程信号调理电路和负漂移故障的可编程信号调理电路；

23、主控芯片和dac模块连接，dac模块与可编程调理电路连接；

24、接入漂移故障线路时，主控芯片接收偏移数字信号，dac模块将偏移数字信号转化为电压模拟量信号；

25、可编程信号调理电路将生成的电压模拟量信号与多通道模拟量信号输入接口接收到的传感器输入信号进行叠加，生成漂移故障信号。

26、进一步，正漂移故障的可编程信号调理电路包括电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5和运算放大器；电阻r1与电阻r4串联，电阻r2与电阻r3并联，电阻r2用于接收传感器输入信号，电阻r3与dac模块连接；电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r5分别与运算放大器的输入端连接，电阻r4和运算放大器并联；

27、当r2＝r3＝r5时，有：

28、vout(t)＝vin(t)+δv(t)

29、式中：vout(t)代表注入正漂移故障的输出信号；vin(t)代表传感器输入信号；δv(t)代表上位机设置的偏移信号。

30、进一步，负漂移故障的可编程信号调理电路包括电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4和运算放大器；电阻r1与电阻r3串联，电阻r2与电阻r4并联，电阻r2用于接收传感器输入信号，电阻r1与dac模块连接；电阻r1、电阻r2、电阻r4分别与运算放大器的输入端连接，电阻r3和运算放大器并联；

31、当r1＝r2＝r3＝r4时，有

32、vout(t)＝vin(t)-δv(t)

33、式中：vout(t)代表注入负漂移故障的输出信号；vin(t)代表传感器输入信号；δv(t)代表上位机设置的偏移信号。

34、本发明还公开了所述传感器故障注入装置的传感器故障注入方法，包括以下过程：

35、启动电源后，刚开始，多路传感器故障模拟线路中的正常工作线路接通；

36、主控芯片接收到故障注入指令后，根据故障注入指令内容，先根据故障通道指令确定注入故障的传感器通道；

37、主控芯片根据故障类型指令控制线路切换控制电路对多路传感器故障模拟线路进行切换，进入不同的工作模式；

38、若是切换到漂移故障线路，主控芯片发送偏移信号指令，漂移故障线路将偏移信号与输入的传感器信号进行处理，生成漂移故障信号；

39、多路传感器故障模拟线路将注入故障后的传感器信号经多通道模拟量信号输出接口输出。

40、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

41、本发明公开了一种用于燃气涡轮发动机的传感器故障注入装置，在燃气涡轮发动机半实物仿真系统中，可实现传感器信号的故障注入。主控芯片发送故障注入指令给多路传感器故障模拟线路，发送故障注入指令包括故障通道指令、故障类型指令和偏移信号指令，包含了传感器的所有故障类型，实现了模拟传感器现实情况下的工作状态及各类故障模式。根据故障通道指令，选择给那一路的传感器模拟线路注入故障；然后再通过线路切换控制电路进行故障类型选择，当切换到漂移故障线路，主控芯片将偏移信号指令输入漂移故障线路，漂移故障线路将传感器原信号与偏移信号叠加，实现漂移故障注入。本发明以硬件方式模拟传感器故障输入输出机理，可以更真实地模拟传感器故障信号；同时由于各路传感器信号彼此独立，能够做到同时多个传感器的不同故障注入，具有操作简单、快捷的特点。本发明在燃气涡轮发动机模型仿真及和控制器之间进行传感器信号故障注入，用于验证容错控制算法和故障隔离算法。本发明能够在上位机中控制故障注入的时间，便于对发动机故障进行复现和试验分析，具备良好的工程应用能力。

42、进一步，本发明设计了漂移故障线路，具体包括dac模块和可编程调理电路，dac模块将偏移数字信号转化为电压模拟量信号；可编程信号调理电路将生成的电压模拟量信号与多通道模拟量信号输入接口接收到的传感器输入信号进行叠加，生成漂移故障信号。通过将原始传感器信号与电压模拟量信号进行叠加，就可以简单得到漂移故障信号，一方面弥补了现有技术的不足，另一方面本发明的漂移故障模块可以对叠加的偏移信号通过上位机进行编程。

技术特征：

1.一种用于燃气涡轮发动机的传感器故障注入装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种用于燃气涡轮发动机的传感器故障注入装置，其特征在于，多通道模拟量信号输入接口接收来自于发动机模型仿真机输出的传感器信号；

3.根据权利要求1所述的一种用于燃气涡轮发动机的传感器故障注入装置，其特征在于，故障通道指令能够同时包含多个传感器通道，则故障注入装置能够同时向多个传感器信号注入故障。

4.根据权利要求1所述的一种用于燃气涡轮发动机的传感器故障注入装置，其特征在于，正常工作线路上配置继电器k1、短路故障线路上配置继电器k2、漂移故障线路上配置继电器k3，断路故障线路上配置继电器k4；

5.根据权利要求4所述的一种用于燃气涡轮发动机的传感器故障注入装置，其特征在于，线路切换控制电路用于控制多路传感器故障模拟线路的通断，具体为：

6.根据权利要求1所述的一种用于燃气涡轮发动机的传感器故障注入装置，其特征在于，主控芯片通过lan接口连接上位机，上位机用于设置故障注入指令。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种用于燃气涡轮发动机的传感器故障注入装置，其特征在于，漂移故障线路包括dac模块和可编程调理电路；可编程调理电路分为正漂移故障的可编程信号调理电路和负漂移故障的可编程信号调理电路；

8.根据权利要求7所述的一种用于燃气涡轮发动机的传感器故障注入装置，其特征在于，正漂移故障的可编程信号调理电路包括电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5和运算放大器；电阻r1与电阻r4串联，电阻r2与电阻r3并联，电阻r2用于接收传感器输入信号，电阻r3与dac模块连接；电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r5分别与运算放大器的输入端连接，电阻r4和运算放大器并联；

9.根据权利要求7所述的一种用于燃气涡轮发动机的传感器故障注入装置，其特征在于，负漂移故障的可编程信号调理电路包括电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4和运算放大器；电阻r1与电阻r3串联，电阻r2与电阻r4并联，电阻r2用于接收传感器输入信号，电阻r1与dac模块连接；电阻r1、电阻r2、电阻r4分别与运算放大器的输入端连接，电阻r3和运算放大器并联；

10.基于权利要求1-9任意一项所述传感器故障注入装置的传感器故障注入方法，其特征在于，包括以下过程：

技术总结
本发明属于发动机控制系统试验技术领域，涉及一种用于燃气涡轮发动机的传感器故障注入装置及方法，该装置包括多通道模拟量信号输入接口和输出接口、多路传感器故障模拟线路及主控芯片；主控芯片用于发送故障注入指令给多路传感器故障模拟线路，故障注入指令包括故障通道指令、故障类型指令和偏移信号指令；每路传感器故障模拟线路包括线路切换控制电路、正常工作线路、短路故障线路、漂移故障线路及断路故障线路；线路切换控制电路用于根据故障类型指令控制四个线路的通断；漂移故障线路用于将偏移信号与传感器信号进行处理，生成漂移故障信号。解决了目前的传感器故障注入装置存在无法完全涵盖所有故障类型、故障程度无法编程的问题。

技术研发人员：刘金鑫,王信驰,金泽熙,张雅文,徐茂峻,苗慧慧
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23