一种航空发动机功能逻辑方案设计方法与流程

1.本技术属于航空发动机架构设计领域，特别涉及一种航空发动机功能逻辑方案设计方法。


背景技术：

2.在航空发动机的架构设计过程中，普遍需要针对功能逻辑条件开展设计工作，尤其是一些关键状态模式的切换，直接影响到发动机的工作安全。部分功能逻辑的设置直接决定了这些状态模式的转换条件和时机，对于发动机正常运行意义重大，如果设计结果存在缺陷，将会导致发生故障的概率增加，后期排故成本上升，甚至影响整个项目的研制进度。
3.在航空发动机工程研制领域，基于行业的共识，这些设计缺陷往往在设计的早期阶段就已经引入，随着设计开发过程，由整机向部件/子系统传递。从现有的技术手段分析，在早期总体设计阶段，缺乏对功能逻辑条件有效检查手段，仍主要凭借工程师的设计经验，以文本分析检查为主。大量的验证检查工作要推迟到发动机控制系统的仿真和半物理试验阶段才能发现部分逻辑错误，但那些因总体设计意图和逻辑实现存在细微偏差的隐性缺陷，很难在子系统的设计阶段发现，因为这些这些缺陷已经固化到了子系统的设计输入中。尤其是很多情况下面临新需求、新技术的挑战，由于缺乏相应的经验积累，潜在的缺陷在总体设计阶段识别不充分，直至后期的实物验证阶段才暴露，甚至有些逻辑条件在特定的使用环境和个别产品的使用过程中才会暴露，尽管发生此类故障问题的概率较小，但由于部分故障严重危害飞行安全，由此导致的排故攻关、后期维护成本增加对产品的使用会产生重大影响。
4.总得来说，当前没有针对航空发动机早期设计阶段的功能逻辑设计缺陷检查的规范技术方案，依赖个人经验，基于文本的检查手段检查效率低，结果有效性难以保证，无法满足日益复杂的发动机功能逻辑设计和质量保证需求。
5.相关缺点列举如下：
6.1)现有早期设计阶段的功能逻辑检查技术方案过多依赖个人工程经验，过程不规范，导致检查质量波动大，大量设计缺陷被传递至下游；
7.2)现有检查方法仍以文本分析为主要载体，部分描述和定义存在二义性问题，在跨专业协同设计过程，存在语义传递缺失甚至错误的隐患；
8.3)在功能逻辑复杂度显著提升的现代航空发动机研发过程，传统的基于文本的检查方式已经很难应对因系统复杂度提升可能引入的问题，导致复杂功能逻辑运行过程中故障频发，导致产品全生命期成本增加。


技术实现要素：

9.本技术的目的是提供了一种航空发动机功能逻辑方案设计方法，以解决现有技术中难以对功能逻辑的设计缺陷进行高效检查的问题。
10.本技术的技术方案是：一种航空发动机功能逻辑方案设计方法，包括：
11.依据上层输入，定义航空发动机的各层级的工作状态/模式，而后通过航空发动机的设计输入对该航空发动机的顶层工作状态/模式进行划分；
12.根据定义的各层级的工作状态/模式初步定义发动机各工作状态/模式之间的状态转换逻辑；
13.根据定义的各层级的工作状态/模式和发动机各工作状态/模式之间的状态转换模式，初步构建状态机模型，对构建完成的状态机模型开展逻辑条件分析，判断是否存在逻辑错误，若否，则执行下一步骤；若存在，则重新进行对应工作状态/模式的状态转换逻辑的定义；
14.分析发动机工作状态/模式与对应的发动机功能运行状态之间的关联，确定任一工作状态/模式下的功能执行与切换逻辑；
15.在确定所有的工作状态/模式下的功能执行与切换逻辑后，进行发动机功能架构设计及性能仿真试验，确定任一状态转换逻辑内变量的参数及阈值范围，而后对所有状态转换逻辑进行量化设计；
16.根据所有状态转换逻辑的量化设计结果对相应的逻辑条件进行细化，并对状态机模型进行重新配置，得到新的状态机模型；
17.对新的状态机模型通过进行发动机整机试验开展状态偏离分析，判断现有的状态转换逻辑是否存在缺陷，若是，则再次判断缺陷的类型，若为参数设定或者阈值范围与发动机整机试验数据偏离，则再次进行发动机功能架构设计及性能仿真试验，直至满足参数设定或者阈值范围要求；若存在逻辑缺陷，则变更对应的状态转换逻辑，并重复开展状态偏离分离，直至为发现逻辑缺陷；
18.若不存在缺陷，则输出设计完成的功能逻辑方案。
19.优选地，所述状态偏离分析的具体分析方法为：开展给定逻辑条件与理论设计意图的偏离分析，判断不同的工况条件下，是否存在导致状态转换逻辑出现偏差的影响因素，若存在，则通过仿真或测量评估对应影响因素的偏离范围；
20.而后分析检查状态转换逻辑内变量的阈值范围，判断上述影响因素的偏离范围是否影响对应的状态转换逻辑的正常执行以及计算相同逻辑条件下的其它工作状态/逻辑的误跳转的概率，若影响因素的偏离范围影响状态转换逻辑的正常执行或者状态转换逻辑的误跳转的概率大于期望的概率，则再次进行发动机功能架构设计及性能仿真试验，并重新界定新的阈值范围。
21.优选地，在进行发动机功能架构设计及性能仿真试验时，运行任一状态转换逻辑，判断其功能执行与实现程度，而后获取其执行切换逻辑所需的参数及阈值范围，从而给出量化的逻辑条件。
22.优选地，在对状态转换逻辑对应的逻辑条件进行细化时，如果存在进一步分解需求，则继续细化子工作状态/模式。
23.优选地，所述航空发动机的顶层工作状态/模式包括静止模式、运行模式、应急模式，所述运行模式包括慢车状态、节流状态、最大状态、加力状态、以及状态转换所需的过渡模式。
24.优选地，所述逻辑错误分析包括确认状态/模式转换过程是否与设计意图保持了
一致，具体的逻辑参数组合是否能够满足具体的逻辑转换需求，转换逻辑条件之间是否存在矛盾、错误或疏漏；若存在否，则判断出现逻辑错误。
25.本技术的一种航空发动机功能逻辑方案设计方法，先通过航空发动机的设计输入对该航空发动机的顶层工作状态/模式进行划分，初步定义发动机各工作状态/模式之间的状态转换逻辑；初步构建状态机模型，对构建完成的状态机模型开展逻辑条件分析，判断是否存在逻辑错误，若否，分析发动机工作状态/模式与对应的发动机功能运行状态之间的关联，确定任一工作状态/模式下的功能执行与切换逻辑；对状态机模型进行重新配置，得到新的状态机模型；对新的状态机模型通过进行发动机整机试验开展状态偏离分析，并修改状态转换逻辑缺陷，修改完成后，输出设计完成的功能逻辑方案。提升航空发动机功能逻辑方案设计及优化过程的规范性，减少设计缺陷的发生概率。
附图说明
26.为了更清楚地说明本技术提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本技术的一些实施例。
27.图1为本技术整体流程示意图；
28.图2为本技术涡扇发动机工作状态/模式层次划分示意图；
29.图3为本技术航空发动机状态机模型示意图；
30.图4为本技术航空发动机状态机模型与系统仿真分析的联合分析示意图。
具体实施方式
31.为使本技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
32.一种航空发动机功能逻辑方案设计方法，如图1所示，包括如下步骤：
33.步骤s100，依据上层(用户、飞机设计开发部门)输入，定义航空发动机的各层级的工作状态/模式，而后通过航空发动机的设计输入为依据，考虑发动机具体的运行使用需求，对该航空发动机的顶层工作状态/模式进行划分；
34.如图2所示，本例以典型小涵道比涡扇发动机的设计输入和运行使用需求为例，确定发动机顶层工作状态/模式为静止模式、运行模式、应急模式，其中静止模式下本例仅举装机停车状态。运行模式则进一步分析细化地面起动模式和工作运行状态。其中工作运行状态又涵盖了飞机常规使用所需的慢车状态、节流状态、最大状态、加力状态、以及状态转换所需的过渡模式。在本例的应急模式中列举了应急动作模式和空中起动模式。
35.步骤s200，根据定义的各层级的工作状态/模式初步定义发动机各工作状态/模式之间的状态转换逻辑；
36.具体逻辑的实现可能涉及到外部操作指令、外部环境变量、相关系统参数、发动机参数等的组合应用。通过设计定义，在划分的状态/模式之间，将这些指令、变量、参数等的信息，转换为一组逻辑条件，并初步给出能够代表设计意图的变量范围或取值条件，部分逻辑条件在此步骤无法精确量化时，可以暂时给出粗略的预估。
37.如果该逻辑条件未通过步骤s300的逻辑错误检查，或者在步骤s700分析后，发现该逻辑条件存在逻辑缺陷，则需要重复开展逻辑条件的迭代设计工作；
38.本例以某一“应急动作模式”为例，设计定义了一组能够满足跳转该模式的组合变量为“逻辑变量1(l1)+发动机参数变量1(v1)+飞机参数变量2(v2)”，并初步给出l1、v1、v2的变量范围，本例为“l1＝＝1&&v1《xx&&v2》xx”。
39.如图3所示，步骤s300，根据定义的各层级的工作状态/模式和发动机各工作状态/模式之间的状态转换模式，初步构建状态机模型，包括状态/模式的模块化定义、逻辑条件的初步定义，对构建完成的状态机模型开展逻辑条件分析，判断是否存在逻辑错误，若否，则执行下一步骤；若存在，则返回至步骤s200，重新进行对应工作状态/模式的状态转换逻辑的定义；
40.这里的逻辑错误分析包括确认状态/模式转换过程是否与设计意图保持了一致，具体的逻辑参数组合是否能够满足具体的逻辑转换需求，转换逻辑条件之间是否存在矛盾、错误或疏漏，导致无法执行或跳转至错误的状态/模式等。
41.步骤s400，分析发动机工作状态/模式与对应的发动机功能运行状态之间的关联，确定任一工作状态/模式下的功能执行与切换逻辑；
42.具体包括分析发动机处于特定的状态/模式之下时，哪些功能会关联执行，分析发动机处于给定的状态/模式下或者状态/模式切换过程中，具体的功能运行状态，如“执行”、“执行中断”、“未执行”、“禁用”是如何切换的。
43.在本例“应急动作模式”下，发动机的“飞发通讯”“信号测量”“信号处理”“机械调节限位”等功能均处于“执行”的功能运行状态，当该“应急运行模式”跳转回“工作运行状态”时，该应急限位功能将处于“禁用”状态。
44.步骤s500，在确定所有的工作状态/模式下的功能执行与切换逻辑后，进行发动机功能架构设计及性能仿真试验，确定任一状态转换逻辑内变量的参数及阈值范围，而后对所有状态转换逻辑进行量化设计；
45.如定义的组合条件中的参数变量涉及发动机自身或者相关系统(如飞机、设备)的功能实现，则往往需要借助相应的仿真(或联合仿真)计算或测试手段，对量化的范围进行设计和优化。仿真或测试的内容一般包括，功能及其实现程度(如性能、速率、精度、能力等)，在此阶段，应详细考虑逻辑条件所需的参数及阈值，给出量化的逻辑条件。如果在步骤s700分析后，发现该逻辑条件中的具体参数定义或阈值设定不满足设计需求，则需要重复开展具体参数选定和阈值设定的迭代设计工作。
46.本例结合发动机功能架构设计及性能仿真计算结果，针对已设计定义的组合逻辑条件“逻辑变量1(l1)+发动机参数变量1(v1)+飞机参数变量2(v2)”，及初步给出的变量范围或取值条件进行详细设计。涉及l1、v1、v2变量的测量功能及其实现精度、信号传输功能及传输速率、信号处理功能及处理能力，以及产生相应参数变量本身的性能仿真计算结果或测试结果，例如本例中的发动机参数变量选取为“高压转速”，则应结合发动机功能架构的设计过程，给出性能仿真中的转速变化曲线，并给出组合逻辑中该变量范围的量化分析结果，对第2)步给出的初步设计结果进行细化。在此阶段，给出所有逻辑条件的量化设计结果。
47.步骤s600，根据所有状态转换逻辑的量化设计结果对相应的逻辑条件进行细化，并对状态机模型进行重新配置，得到新的状态机模型；
48.在对状态转换逻辑对应的逻辑条件进行细化时，如果存在进一步分解需求，则继
续细化子工作状态/模式，其逻辑条件的设置过程即重复步骤s200～步骤s500。
49.步骤s700，对新的状态机模型通过进行发动机整机试验开展状态偏离分析，判断现有的状态转换逻辑是否存在缺陷，若是，则再次判断缺陷的类型，若为参数设定或者阈值范围与发动机整机试验数据偏离，则再次进行发动机功能架构设计及性能仿真试验，直至满足参数设定或者阈值范围要求；若存在逻辑缺陷，则变更对应的状态转换逻辑，并重复开展状态偏离分离，直至为发现逻辑缺陷；
50.开展状态偏离分析时，一是，开展给定逻辑条件与理论设计意图的偏离分析。现代发动机一般采用分段多变量控制策略，以适应复杂的工况，不同的工况条件下，变量与理论值的偏离原因存在差异；二是，计算评估可能的偏离范围。导致这些偏离的因素往往是复杂的，涉及控制策略、设计容差、产品特性、加工制造偏差、产品特性分散度等；三是，分析检查发生非预期转换的发生条件或发生概率。一方面分析设计给定的逻辑条件中变量的阈值范围满足许用偏离范围的概率，本例即高压转速的实际偏离量落入给定逻辑区间的概率是否满足要求。另一方面分析是否存在发生非预期的错误跳转的可能性。根据分析结论，确认现有的逻辑设计是否存在缺陷，如果存在的逻辑缺陷可以通过调整优化具体的参数设定或阈值范围，则返回步骤s500步进行迭代。如果存在的逻辑缺陷需要通过变更逻辑条件解决，则返回步骤s200进行迭代。如果未发现逻辑缺陷，则转入步骤s800。
51.本例以逻辑条件中的v1变量选取为发动机“高压转速”为例。一是，分析各种工况条件下，导致v1实现偏差的可能影响因素，在部分工况下，以限制高压转速变量为控制目标，此时与理论值的偏离量主要来源于控制精度偏差。部分工况下以限制低压转速变量为控制目标，此时与理论值的偏离量不但要考虑控制精度偏差，还有发动机复杂的气动匹配特性和不同发动机产品的个体之间存在的转差分散度的影响；二是，计算高压转速的偏离范围，本例中以限制低压转速变量为控制目标的工况为例，可能影响高压转速的偏离范围包括：低压转速的控制容差、发动机高低压转子匹配特性、产品可能的转差分散度，这些偏离量需要通过仿真、测量或基于现有设计经验的评估获得；三是，分析检查组合逻辑条件中给定的高压转速变量的阈值范围，一方面分析确认实际的可能偏差范围是否影响逻辑条件的正常执行。另一方面分析是否存在相同逻辑条件的其他状态/模式的误跳转的概率，有些复杂情况，需要设定状态/模式跳转的优先级。本例中如图4所示，融合状态机模型中的组合逻辑条件模型，以及系统仿真的特性计算模块，分析实际转速量满足给定分布律的v2阈值范围的相应概率，如发现高压转速的实际偏离量值不满足期望的概率，返回步骤s500，重新调整优化逻辑条件的变量范围后，重复步骤s500-s700，直至确认无逻辑缺陷后，转入步骤s800。
52.步骤s800，若不存在缺陷，综合发动机工作状态/模式定义及分解细化结果、功能状态分析结果、状态偏离分析结果、状态机模型细化结果，完成发动机功能逻辑方案的设计结果输出。当存在满足条件的多个备选方案时，则需要在更高的层面进行权衡取舍。
53.本技术先通过航空发动机的设计输入对该航空发动机的顶层工作状态/模式进行划分，而后定义的各层级的工作状态/模式初步定义发动机各工作状态/模式之间的状态转换逻辑；初步构建状态机模型，对构建完成的状态机模型开展逻辑条件分析，判断是否存在逻辑错误，若否，分析发动机工作状态/模式与对应的发动机功能运行状态之间的关联，确定任一工作状态/模式下的功能执行与切换逻辑；而后进行发动机功能架构设计及性能仿
真试验，而后对所有状态转换逻辑进行量化设计，并状态机模型进行重新配置，得到新的状态机模型；对新的状态机模型通过进行发动机整机试验开展状态偏离分析，判断现有的状态转换逻辑是否存在缺陷，若不存在缺陷，则输出设计完成的功能逻辑方案。提升航空发动机功能逻辑方案设计及优化过程的规范性，减少设计缺陷的发生概率；通过状态机模型的表达方式，减少逻辑组合条件设置的二义性问题，提升专业协同效率；以基于模型和仿真分析的技术手段取代基于经验的文本分析方式，提升针对发动机功能逻辑设计过程中的复杂度增加的设计分析和应对能力。
54.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种航空发动机功能逻辑方案设计方法，其特征在于，包括：依据上层输入，定义航空发动机的各层级的工作状态/模式，而后通过航空发动机的设计输入对该航空发动机的顶层工作状态/模式进行划分；根据定义的各层级的工作状态/模式初步定义发动机各工作状态/模式之间的状态转换逻辑；根据定义的各层级的工作状态/模式和发动机各工作状态/模式之间的状态转换模式，初步构建状态机模型，对构建完成的状态机模型开展逻辑条件分析，判断是否存在逻辑错误，若否，则执行下一步骤；若存在，则重新进行对应工作状态/模式的状态转换逻辑的定义；分析发动机工作状态/模式与对应的发动机功能运行状态之间的关联，确定任一工作状态/模式下的功能执行与切换逻辑；在确定所有的工作状态/模式下的功能执行与切换逻辑后，进行发动机功能架构设计及性能仿真试验，确定任一状态转换逻辑内变量的参数及阈值范围，而后对所有状态转换逻辑进行量化设计；根据所有状态转换逻辑的量化设计结果对相应的逻辑条件进行细化，并对状态机模型进行重新配置，得到新的状态机模型；对新的状态机模型通过进行发动机整机试验开展状态偏离分析，判断现有的状态转换逻辑是否存在缺陷，若是，则再次判断缺陷的类型，若为参数设定或者阈值范围与发动机整机试验数据偏离，则再次进行发动机功能架构设计及性能仿真试验，直至满足参数设定或者阈值范围要求；若存在逻辑缺陷，则变更对应的状态转换逻辑，并重复开展状态偏离分离，直至为发现逻辑缺陷；若不存在缺陷，则输出设计完成的功能逻辑方案。2.如权利要求1所述的航空发动机功能逻辑方案设计方法，其特征在于，所述状态偏离分析的具体分析方法为：开展给定逻辑条件与理论设计意图的偏离分析，判断不同的工况条件下，是否存在导致状态转换逻辑出现偏差的影响因素，若存在，则通过仿真或测量评估对应影响因素的偏离范围；而后分析检查状态转换逻辑内变量的阈值范围，判断上述影响因素的偏离范围是否影响对应的状态转换逻辑的正常执行以及计算相同逻辑条件下的其它工作状态/逻辑的误跳转的概率，若影响因素的偏离范围影响状态转换逻辑的正常执行或者状态转换逻辑的误跳转的概率大于期望的概率，则再次进行发动机功能架构设计及性能仿真试验，并重新界定新的阈值范围。3.如权利要求1所述的航空发动机功能逻辑方案设计方法，其特征在于：在进行发动机功能架构设计及性能仿真试验时，运行任一状态转换逻辑，判断其功能执行与实现程度，而后获取其执行切换逻辑所需的参数及阈值范围，从而给出量化的逻辑条件。4.如权利要求1所述的航空发动机功能逻辑方案设计方法，其特征在于：在对状态转换逻辑对应的逻辑条件进行细化时，如果存在进一步分解需求，则继续细化子工作状态/模式。5.如权利要求1所述的航空发动机功能逻辑方案设计方法，其特征在于：所述航空发动机的顶层工作状态/模式包括静止模式、运行模式、应急模式，所述运行模式包括慢车状态、
节流状态、最大状态、加力状态、以及状态转换所需的过渡模式。6.如权利要求1所述的航空发动机功能逻辑方案设计方法，其特征在于：所述逻辑错误分析包括确认状态/模式转换过程是否与设计意图保持了一致，具体的逻辑参数组合是否能够满足具体的逻辑转换需求，转换逻辑条件之间是否存在矛盾、错误或疏漏；若存在否，则判断出现逻辑错误。

技术总结
本申请属于航空发动机架构设计领域，为一种航空发动机功能逻辑方案设计方法，先对该航空发动机的顶层工作状态/模式进行划分，初步定义发动机各工作状态/模式之间的状态转换逻辑；初步构建状态机模型，对构建完成的状态机模型开展逻辑条件分析，而后分析发动机工作状态/模式与对应的发动机功能运行状态之间的关联，确定任一工作状态/模式下的功能执行与切换逻辑；对状态机模型进行重新配置，得到新的状态机模型；对新的状态机模型通过进行发动机整机试验开展状态偏离分析，并修改状态转换逻辑缺陷，修改完成后，输出设计完成的功能逻辑方案。提升航空发动机功能逻辑方案设计及优化过程的规范性，减少设计缺陷的发生概率。减少设计缺陷的发生概率。减少设计缺陷的发生概率。


技术研发人员：王常亮 王相平 张德志 杨琳 谷艳萍 王浩森 宁怀松
受保护的技术使用者：中国航发沈阳发动机研究所
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/8/31