毕业设计(论文)课题任务书.doc
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1、 毕业设计(论文)报告纸共 27 页 第 1 页基于径向基神经网络的航空发动机性能趋势预测基于径向基神经网络的航空发动机性能趋势预测摘摘 要要发动机的性能监控和预测不仅能保障航空器的飞行安全,而且可以在保障飞行安全的前提下,为寻找一个最优的送修时机提供依据,从而降低发动机维修费用,为航空公司节约运营成本。本文提出用径向基神经网络预测发动机性能趋势,以期达到上述目的。论文主要研究工作包括:总结发动机性能衰减的常见方式和发动机性能预测的常用方法,归纳需要监测的发动机性能参数,介绍神经网络的特点,用途及分类,提出建立径向基神经网络预测模型对发动机性能趋势进行预测的新方法。最后用实际的发动机性能数据对
2、本文建立的径向基神经网络预测模型进行了验证。结果表明了预测模型的正确有效性。本论文的研究将为发动机的状态维修提供重要的决策依据。关键字:发动机性能 预测 神经网络 径向基函数毕业设计(论文)报告纸共 27 页 第 2 页Forecasting Engine Performance Based On RBF Neural NetworkABSTRACTMonitoring and forecasting engine performance can not only ensure the flight safety of aircraft, but also provide the founda
3、tion for deciding the optimum maintenance time, reducing the cost of engine maintenance, and saving the aviation companies operation cost. This paper presents a method that uses RBF neural network to forecast engine performance to attain the purpose.This papers main contents are: Summing up the comm
4、on ways of engine performance forecasting; inducing the parameters of engine performance which needs be inspected; introducing the characteristics of neural network; putting forward a new method that uses RBF neural network model to forecast engine performance. In the end, using the practical data o
5、f engine performance to verify the RBF neural network model, which is put forward in the paper. The result indicates that the forecasting model is right and efficiency .The study of this paper will offer important gist to the engines condition maintenance.Keywords: Engine Performance; Forecasting; N
6、eural Network; RBF毕业设计(论文)报告纸共 27 页 第 3 页第一章第一章 绪论绪论性能衰退是发动机性能的负向变化,是发动机老化的象征,发动机投入使用后,由于各种原因造成耗油率增加,排气温度上升,推力下降等现象,称为发动机性能衰退。发动机的使用性能逐渐下降。发动机衰退是由几种原因产生的,针对其起因,我们可以采取相对的方式进行预防或补救,进而减少、减缓发动机性能的衰退。在实际操作中,对发动机性能的监控有油路分析,气路分析,滑油质量分析等手段,不同的方法所监控的参数也各不相同,但相同的目的是通过参数的变化推测发动机的各部件性能,并及时发现或预防可能出现的故障。人工神经网络作为一
7、种新的方法体系,具有分布并行处理、非线性映射、自适应学习和鲁棒容错等特性,这使得它在模式识别、控制优化、智能信息处理以及故障诊断等方面都有广泛的应用。通过神经网络来对参数进行分析并预测,预测值和实际值吻合较好。人工神经网络分类有很多,现在实际通常用于发动机性能预测的主要是 BP 神经网络和径向基神经网络,而本文主要介绍的是采用训练速度和函数逼近能力更强的径向基神经网络进行预测的方法。在结构方面,文章围绕对发动机性能预测的主题进行说明,首先罗列了发动机性能衰减部件的种类及造成其衰减的原因,以及不同种类故障对监测手段以及监控参数;阐述人工神经网络的特点,原理以及如何应用径向基神经网络完成对发动机性
8、能的预测;最后是基于 MATLAB 的发动机性能预测软件编制。毕业设计(论文)报告纸共 27 页 第 4 页第二章第二章 民航发动机监控技术民航发动机监控技术2.1 民航视情维修与民航发动机监控民航视情维修与民航发动机监控发动机状态监控,主要有以下四个发展阶段:(1)人工记录在飞机稳定巡航状态,由机组人工记录驾驶舱仪表数据,然后录入计算机,再利用件进行分析。该方法易出现读出、抄写和输入错误,工作效率低,监控参数少,存在时间差,准确性差,数据的再开发利用比较困难。但是,费用较低。对飞机设备无特殊要求,易于制订程序,它是早期发动机监控的通用方式。(2)机载记录利用数字飞行记录器(DFDR)或快速记
9、录器(QAR)中连续记录的参数重放,对发动机的工作状况进行监控,该方法避免了中间环节的错误,提高了性能监控的准确度,可随时译码或重放,获得大量数据,但获得的发动机监控参数种类和数据有限,不能选择记录器规定数据以外的参数监控(3)飞机状态监控系统利用飞机状态监控系统(ACMS)连续监控飞行数据链(ARINC)并汇总数据,以报告的方式记录。该方法操作简单,监控范围广,减少了输出的数据量,提高了精度。但最初投入费用高,对监控人员的专业水平要求高。(4)实时监控和人工智能飞机状态监控系统(ACMS)与飞机通性寻址和报告系统(ACARS)联用,实时将发动机工作状态传递给地面维修工程部门,同时利用人工智能
10、系统进行故障隔离和判断,及时分析研究,并采取措施。该方法除具有飞机状态监控的优点外,还增加了“实时(Real Time) ”性,能及时分析研究并采取措施,地面能对机组的操作及时给予指导,提前做好地面维修准备。这样可以提高飞行安全性。减少地面维修停场时间。以上四种方法,实际上反映了发动机状态监控的发展过程,该过程可形象的表示为图 2.1。它由 100的人工监控发展到 100的机器监控,形成了完善的监控方法。发动机状态监控主要包括系统化的数据采集;采集的数据由单个的点参数改变为趋势参数;使用计算机网络,又使监控数据构成全机队的综合数据库。机载记录和飞机状态监控系毕业设计(论文)报告纸共 27 页
11、第 5 页统,均可用以下几种方式获取数据:机载打印机;快速存取记录器转录或取下光盘(光学 QAR) ;取下机载数据装载器(ADC)的软盘。还可以通过飞机数据链系统实时取得数据。图 2.1 发动机监控的发展现代民用民航发动机采用视情维修策略,必然要求实行状态监控工作。实行状态监控的具体意义如下:(1)帮助调查由下述原因造成的问题 由于发动机工作小时数和循环次数的增长或气路损伤造成的发动机气路状态的改变; 控制系统和引气系统的故障; 判断仪表故障。(2)及时有效的维修,将单个发动机性能指标与整个机队的发动机性能机队比较;针对发动机性能监控发现的问题,及时和有效地进行维修,可以减少发动机空中停车、飞
12、机延误和取消,以及发动机的非计划拆换。(3)帮助平衡发动机送修(进厂)的工作量和费用。(4)根据状态监测和故障诊断的结果而形成的维修决策,既可控制计划维修中的“早修”,又可防止“失修” 。(5)以许多定期监测点代替计划维修中的定期维修点,因而减少了材料消耗和维修工作量。可避免修理不当而引起的人为故障,从而保障了设备的可靠性。(6)以可靠性理论为依据,以状态监控结论为前提,可有针对性地实施修理或保养。发动机监控的主要好处可以用图 2.2 和图 2.3 表示:毕业设计(论文)报告纸共 27 页 第 6 页图 2.2 发动机监控的好处图 2.3 某型发动机监控的经济效益2.2 民航发动机主要监控技术
13、民航发动机主要监控技术现代航空公司的发动机一般采用视情维修方式,视情维修的重要基础就是及时掌握发动机的工作状况,也就是对发动机进行状态监控。发动机状态监控是对发动机的工作状态参数进行监控,发现异常信息,通过分析、判断异常及时发现、排除故障和潜在故毕业设计(论文)报告纸共 27 页 第 7 页障,保障航空安全,延长发动机的装机寿命,同时也可节约维修费用。发动机的监控包括下面几个方面:(1)发动机工作状态监控,通常由发动机的指示系统来完成;(2)发动机振动监控;(3)滑油监控;(4)EGT 裕度影响因数分析;(5)发动机气路参数分析,即目前各发动机厂家所采用的“飞机发动机状态监控系统”。2.2.1
14、 发动机工作状态监控对发动机工作状态的监控通常包括发动机工作参数和发动机各系统工作状况的显示及相应的警告信息。在老型飞机上,这些通常在驾驶舱内的仪表板上显示。显示的发动机工作参数包括发动机的主要工作参数,如:转速、发动机压比(EPR)、排气温度(EGT)和燃油流量,发动机的次要参数如:滑油量、滑油压力和温度。这些显示不仅为驾驶员对发动机的控制操纵提供了必要的显示和反映,而且也显示了发动机的工作和健康状况,从中可以看出发动机工作是否正常,有没有出现超转、超温等现象或征兆。发动机各系统的显示通常包括油滤填塞警告,启动活门开关指示,防冰活门开关指示等。随着电子技术的不断发展,发动机的指示系统也由当初
15、的机械电气式仪表发展到模拟电子线路式和现代的由计算机控制的“发动机指示和机组警告系统(EICAS)” 。波音公司首先在其 B757 飞机上采用了这套技术。EICAS 用显示屏替代了原先的仪表板,它不仅能显示有关发动机的工作情况的参数,而且还能显示有关发动机维护的信息,告戒警告信息和与飞机派遣有关的发动机状况的信息。维护信息:此信息供地勤人员使用,在飞行中这些信息被抑制。其主要是用来帮助维护人员排除故障和检查主要系统的情况,并记录飞行中发生故障时各系统的工作参数,以便在地面维护时读出。维护人员通过维护选择面板来选择所要看的系统的情况。状况信息:飞机派遣前作检查或地勤人员维护时使用此信息,来检查发
16、动机是否满足派遣条件,或帮助维护人员采取必要的维护措施。其所显示的内容可通过控制面板来选择,除发动机的信息之外,还有与飞机各系统有关的信息,如:方向舵、襟翼、副翼等的位置。在工作过程中,EICAS 计算机还能根据对输入 EICAS 系统的参数的监控情况,自动产生警告(WARNING)、告戒(CAUTION)和提醒(ADVISORY)三种警告信息,以便让驾驶员及时了解发动机的异常情况,并做出相应的反应。(1)警告信息:表示一种要求立即采取修正或补偿措施的工作情况。是警告信息中最严重的,如发动机火警。这种信息通常用红色文字显示,且伴有警告声音。毕业设计(论文)报告纸共 27 页 第 8 页(2)告
17、戒信息:表示要求驾驶员即刻知道并应很快就应采取修正或补偿措施的工作情况。其告警等级稍低于警告信息,通常用琥珀色文字来显示,且无警告声音。(3)提醒信息:只是为驾驶员提供一些不正常的工作情况,以便在适当的时候予以改正,此信息也用琥珀色文字来显示。为了与告戒信息区别,其显示格式与告戒信息不同。在发动机工作过程中,若某些参数超限,EICAS 不但可以给出相应的告警信息(包括文字、灯光和声音三种),而且还会自动储存超限情况(包括超限的最大值,持续时间及相关的其他参数)。地面维护时,把这些记录读出,以帮助维护人员分析超限原因及故障排除方法。但这种存储要受内存空间的限制,维护人员应根据维修手册的要求定期检
18、查存储情况,以避免存储数据的丢失。2.2.2 发动机振动监控涡轮发动机的转子是由盘、轴、叶片等零部件组装而成。这些部件在加工制造过程中都有一定的偏差,相应组装成转子后,也不可能作到完全平衡,而发动机转子是一高速旋转部件,这种不平衡在旋转过程中就会产生一定程度的振动。发动机生产厂家对转子都有一定的不平衡度要求,发动机出厂时都应满足此要求,并且厂家也规定了发动机在使用过程中所允许的最大振动值,只要发动机的振动值不超过此限制值,则是允许的。发动机在使用过程中,由于磨损或损伤等原因也会引起转子的振动,因此在飞机上,都装有发动机振动监控系统,用来监测发动机的振动情况。发动机的振动监控系统包括振动信号传感
19、器,振动信号分析仪和振动指示三部分。振动信号传感器装在发动机上能感受发动机振动的部位,如轴承的支承座、涡轮机匣或风扇机匣等。振动信号传感器有三种,位移型、速度型和加速度型。在现代涡轮发动机上用的最多的为加速度型振动传感,这种振动传感器是利用压电晶体的压电效应来感受振动信号的。在选择振动信号传感器时,方向敏感性是应考虑的一个重要因素。当发动机工作时,振动信号传感器感受到振动时,就会产生一个电信号。对于加速度型振动信号传感器,其产生的信号正比于加速度的大小。这一信号被送到振动信号分析仪,在这里经滤波,对应于发动机的高低压转子的转速,把信号分成不同的波段,然后对不同的频率波段进行连续跟踪,找出其中最
20、大的振动值,并把此值传给显示装置。万一出现振动过大,则给出警告信息(在EICAS 系统中),以告知驾驶员,或自动储存起来,以方便维护人员检查。毕业设计(论文)报告纸共 27 页 第 9 页发动机振动增加或超限,可能由下列原因造成:(1)工作叶片折断或部分损坏。如风扇叶片或压气机叶片的外来物损伤。(2)工作叶片安装不合适,尤其是现代涡扇发动机的风扇叶片,可在外场更换。安装时一定要小口,确保各部件都要安装得恰当到位。(3)转子上有部件丢失,如螺栓、螺帽等。(4)工作叶片或转子变形。(5)转子轴承不同轴或轴承磨损。(6)在单元体更换时,联轴器的安装或联接螺栓拧紧不当。发动机振动监控系统为机组和维护人
21、员提供了一个连续不断的发动机振动指示,一旦发现振动值有不断增加的趋势或突然增加,则说明发动机结构出现了故障,应及时采取措施排除故障。2.2.3 涡轮发动机的滑油监控涡轮发动机的滑油监控,一般包括监控:(1)滑油系统工作状态。(2)滑油中的金属屑。(3)滑油的品质状况。滑油系统工作状态参数监控是通过机身上的机载设备来完成的,另外两项是利用地面实验室中的设备离线分析来完成的。(1)滑油系统工作状态监控滑油压力是滑油系统中的一个重要参数,它直接影响润滑油量的大小,近而影响润滑效果和冷却效果,所以对滑油压力的测量在早期活塞发动机上就有。在涡轮发动机上不但有滑油压力指示,而且还有滑油压力低警告指示。当滑
22、油压力低到一定值时,此指示会给出显示,以提醒驾驶员,并且作为强制性命令,发动机厂家都有规定:当滑油压力低到一定值时,发动机必须停车。滑油管路漏油或油泵故障等是造成油压低的原因之一。滑油温度也是一个很重要的参数。滑油温度不但能反映发动机轴承和齿轮等的工作状态,影响滑油的粘度;而且,滑油温度过高还会改变滑油的特性(焦化、氧化)或损坏轴承的封严。滑油温度即可在供油路上测量,也可在回油路上测量。在涡轮发动机上通常采用燃油/滑油热交换器来冷却滑油,所以散热器中燃油管路的堵塞、空气滑油散热器表面毕业设计(论文)报告纸共 27 页 第 10 页很脏都会造成滑油温度升高。另外,滑油通气系统堵塞也会造成滑油温度
23、升高。对于滑油量的监控,早期一般在滑油箱上采用油尺或目视镜,由地面维护人员在作日常维护时来检查油箱的滑油量。但现代的涡轮发动机在驾驶舱中也设有滑油量指示,在发动机工作过程中,其可提供连续不断的滑油量指示。通过对滑油量的监控,可发现滑油消耗量的变化趋势。轴承封严的损坏或滑油冷却器的故障都会造成滑油消耗量加大。因此,滑油消耗量的变化情况反映了发动机内部的磨损情况。滑油系统的另外一个警告是油滤旁通警告。滑油中的杂质或滑油温度太低都会造成油滤的堵塞。油滤上装有旁通活门,当油滤堵塞到一定程度时,旁通活门会打开,以保证滑油旁通过油滤而继续流动。在油滤的进、出口装一个压差电门,其感受油滤进出口的压差,当此压
24、差达到或接近油滤旁通活门打开压差时,此电门闭合,而使驾驶舱内的滑油滤旁通警告指示灯亮,以提醒驾驶员油滤已堵塞。飞机回场后,维护人员应及时采取措施,排除故障。有的发动机在油滤壳体上还设有机械式油滤旁通指示器(或叫弹出式油滤堵塞指示器),以便维护人员在做维护/检查时及时发现问题。(2)滑油中金属屑的分析发动机在运转过程中,尽管有滑油润滑,但相互接触的运动部件之间还是存在一定的磨损,因此,在滑油中可能悬浮有金属颗粒。若磨损严重,还会引起某些零件掉皮或掉块。尤其是发动机的主轴承,有可能出现掉皮或滑蹭现象。一般滚棒轴承容易出现的故障为掉皮或由于疲劳而引起的疲劳剥落(麻点)。这种损伤产生的金属颗粒较大,直
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