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基于自组织竞争网络的航空发动机地面起动过程点火异常诊断方法.pdf
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1、-51-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024中国科技信息 2024 年第 9 期航空航天航空发动机作为结构复杂的气动热力学系统,在高温、高速、高振动的恶劣环境下工作。其中起动过程作为发动机正常运行的首个阶段,是发动机及飞机正常工作的重要基础。起动过程作为航空发动机的一种复杂的非线性动态过程,故障率高,其中由于发动机点火系统异常导致起动时间过长、起动超温甚至起动失败等故障经常出现,对发动机的工作稳定性、安全性和可靠性有不利的影响。近年来国外在航空发动机起动故障诊断领域的研究主要有 Sunil Menon 采用隐式马尔科夫模型、人工神经
2、网络模型等机器学习方法对发动机的起动过程进行故障检测与诊断、Kyusung Kim 通过定性模型的方法对发动机起动故障进行检测与诊断。而国内在航空发动机起动故障诊断与预测方面的研究较少,南京航空航天大学的张琦等人提出了通过建立发动机起动部件级模型来检测典型发动机起动故障的诊断方法。由于国内在航空发动机起动故障领域的研究起步较晚,因此针对航空发动机起动时点火异常导致的起动失败等问题进行故障诊断研究具有重要意义。本文采用自组织竞争神经网络对航空发动机地面起动时的相关数据进行处理,对起动时发动机状态进行评估,从而判断发动机起动过程中点火系统是否存在异常,评估发动机起动过程的健康情况并判断是否存在故障
3、隐患。自组织神经网络原理自组织神经网络(SOM)属于机器学习中的无监督学习算法,即在神经网络的训练阶段不需要样本标签,能够在不知道具体类别的情况下,对输入样本进行聚类。不同于一般的基于损失函数的反向传递来进行训练的神经网络,自组织神经网络考虑到了生物神经系统中的侧抑制现象,即一个神经细胞受到刺激后,会对周围的神经细胞产生抑制作用,这会使得神经细胞之间产生竞争,最终某些神经细胞获胜。自组织神经网络采用了类似的竞争学习(Competitive Learning)策略,依靠网络中神经元之间的相互竞争来更新与优化神经元之间的权值。自组织(竞争)神经网络的结构有两层:输入层、竞争层(或输出层)。其结构如
4、图 1 所示。竞争层的神经元之间相互竞争以求被激活,在每一时刻只有一个输出神经元被激活,这个被激活的神经元成为竞争获胜神经元,而其他竞争失败的神经元则被抑制。自组织竞争神经网络通过对输入样本与神经元之间进行行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度基于自组织竞争网络的航空发动机地面起动过程点火异常诊断方法尤黎明尤黎明中国飞行试验研究院中国科技信息 2024 年第 9 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024-52-航空航天相似度比较来进行分类。首先对输入样本 X 和竞争层神经元对应的权重向量 j进行归
5、一化,是得 X 和 j的模为 1;其次将竞争层中各神经元对应的权重向量进行相似性比较,具体过程如下式:1,2,.,max()TTjjjmXX=(1)式(1)中,输入向量和权重向量归一化后的内积最大即代表相似度最大。最后获得获胜神经元的输出,并调整神经元的权重,如下式所示:()jjjjjX=+=+(2)式中,为学习参数,01。发动机地面起动点火机理分析及模型关键参数确定。发动机地面起动过程是通过点火系统、燃油系统、控制系统以及燃气涡轮起动机等多个系统及附件的协同工作,按照一定的控制逻辑和燃油供油规律,将发动机从零转速过渡到慢车转速的过程。发动机地面起动时,首先由数字电子控制器向动力装置控制终端发
6、出点火指令,随后动力装置控制终端同时向两路发动机点火装置供电,点火装置再分别通过两根点火电缆传向点火电嘴供电,点火电嘴产生火花,原理如图 2 所示。同时,飞机油箱的燃油经飞机增压泵、管路、燃油离心增压泵、低压燃油滤进入主泵-控制装置,随着发动机压气机转子转速上升,主泵-控制装置中逐渐建立燃油压力,此时数字电子控制器按照预设的供油计划将指令发给主泵-控制装置,改变主泵-控制装置计量活门的开度,燃油通过计量活门后经停车消喘装置、燃-滑油散热器、燃油分布器进入副油路燃油总管,最后经喷嘴对燃油进行雾化,雾化后的燃油在燃烧室内被点火电嘴产生的电火花点燃。原理如图 3所示。通过上文对发动机地面起动点火过程
7、的具体分析,可确定影响发动机地面起动状态的主要因素。(1)发动机地面起动状态与起动时当地的气象条件及大气环境有关,例如地面起动时的气压高度、大气压力以及发动机进口总温等。(2)若发动机地面起动过程中存在故障,则会对发动机的状态参数造成相应的影响,例如高低压转子转速、压气机整流器角度、风扇、压气机及涡轮等部件的相应截面温度与压力等。(3)若地面起动时发动机控制系统存在故障从而导致点火过程异常,则发动机相应控制参数会出现异常,例如发动机给定燃油流量、给定压气机整流器角度、主泵-控制装置的给定燃油计量活门开度等。(4)若地面起动过程中发动机燃油系统存在故障导致点火过程异常,则发动机燃油系统相关参数会
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