Early warning method for compressor aerodynamic instability using phase-locked averaging filtering and moment function neural network

Ping HUANG; Yuxi CHEN; Mingsui YANG; Zhibo ZHANG; Aina WANG; Pan QIN

doi:10.7527/S1000-6893.2026.33560

ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA >

2026 , Vol. 47 >Issue 15: 633560 - 633560

DOI: https://doi.org/10.7527/S1000-6893.2026.33560

Special Topic: Aeroengine Intelligent Control and Health Management

Early warning method for compressor aerodynamic instability using phase-locked averaging filtering and moment function neural network

Ping HUANG ,
Yuxi CHEN ,
Mingsui YANG ,
Zhibo ZHANG ,
Aina WANG ,
Pan QIN

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^1.AECC Shenyang Engine Research Institute，Shenyang 110015，China
^2.School of Information，Liaoning University，Shenyang 110036，China
^3.School of Control Engineering and Automation，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China

E-mail： yangmingsui@126.com

Received date: 2026-03-10

Revised date: 2026-04-20

Accepted date: 2026-05-20

Online published: 2026-06-04

Supported by

Industry-University-Research Collaboration Project of AECC(HFZL2024CXY007)

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Abstract

Diagnosis and early warning of compressor instability in aero engines are among the current research hotspots and challenges in the field of aero engines. To address the issues， such as capturing non-integer order frequency components in dynamic pressure signals， limited feature dimensionality， complex stall mechanisms， and the difficulty in quantifying evolution trajectories of compressor instability， a compressor aerodynamic instability early warning method is proposed based on phase-locked averaging filter and moment function neural network， using a multi-stage high-speed compressor as the research object. The method first employs phase-locked averaging filter to extract non-integer order frequency disturbance features under high-load conditions. Subsequently， an instability early warning model based on moment function neural network is constructed， which utilizes moment functions to capture global statistical features of instability and local detail features of asymmetric separation and intermittent pulses in early-stage weak signals. Next， Box-Cox transformation is introduced to eliminate heterogeneity among higher-order moment features， and multi-layer perceptron network layers are adopted to achieve early warning and diagnosis of compressor instability. Finally， the effectiveness of the proposed method is validated through test data at different rotational speeds. Results demonstrate that the method accurately characterizes the evolutionary laws of higher-order moment feature spaces， enabling efficient visualization， identification， and separation of instability precursors and steady-state data. Compared with the traditional surge detection method on the compressor rig， it can provide instability warning up to 4.8 s in advance.

Key words： compressor instability; fault early warning; moment function; phase-locked averaging filter; neural network

Cite this article

Ping HUANG , Yuxi CHEN , Mingsui YANG , Zhibo ZHANG , Aina WANG , Pan QIN . Early warning method for compressor aerodynamic instability using phase-locked averaging filtering and moment function neural network[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2026 , 47(15) : 633560 -633560 . DOI: 10.7527/S1000-6893.2026.33560

References

[1]	GENCHI G. Aircraft engines［M］∥ The Museum of Engines and Mechanisms of the University of Palermo. Cham： Springer Nature Switzerland， 2024： 59-141.
[2]	薛飞，雷雨宸，秦宇奇，等. 轴流压气机旋转失速研究进展与展望［J］. 推进技术， 2026，47（6）： 213-238.
	XUE F， LEI Y C， QIN Y Q， et al. Research progress and prospect of rotating stall in axial flow compressors［J］. Journal of Propulsion Technology， 2026， 47（6）： 213-238 （in Chinese）.
[3]	张靖煊. 一种捕捉预示压气机失稳预警信号的新方法的研究［J］. 航空动力学报， 2004， 19（2）： 270-277.
	ZHANG J X. Study of a new method for giving warning signals of instability［J］. Journal of Aerospace Power， 2004， 19（2）： 270-277 （in Chinese）.
[4]	李扬，李应红，吴云. 基于方差分析的某轴流式压气机失速征兆起始检测［J］. 航空计算技术， 2005， 35（1）： 104-105.
	LI Y， LI Y H， WU Y. Detection of rotating stall inception precursor of axial flow compressor with variance analysis［J］. Aeronautical Computer Technique， 2005， 35（1）： 104-105 （in Chinese）.
[5]	李继超，童志庭，聂超群，等. 基于互相关分析的前失速先兆检测分析［J］. 航空学报， 2013， 34（1）： 28-36.
	LI J C， TONG Z T， NIE C Q， et al. Detection and analysis of early stall warning based on cross-correlation［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2013， 34（1）： 28-36 （in Chinese）.
[6]	胡竞涛，吴伟明，张志博，等. 多级高速压气机喘振失稳的确定学习建模与预警［J/OL］. 控制理论与应用，（2025-07-18）. .
	HU J T， WU W M， ZHANG Z B， et al. Deterministic learning and surge warning for a multistage high-speed compressor［J/OL］. Control Theory & Applications，（2025-07-18）. （in Chinese）.
[7]	LIU Y， DU J， ZHAO D. Advances in early warning and active control of compressor instabilities for aerospace applications［J］. Progress in Aerospace Sciences， 2025， 159： 101156.
[8]	WILSON K N， JAMAN G G， THAPA A， et al. A review of stall detection in subsonic axial compressors［J］. Machines， 2025， 13（1）： 13.
[9]	PING Y， WANG M， ZHANG X， et al. Centrifugal compressor instability and the reverse propagation mechanism in diffusers［J］. Journal of Applied Fluid Mechanics， 2025， 18（12）： 3101-3115.
[10]	THAPA A， LI J， SCHOEN M P. Spike Stall precursor detection in a single-stage axial compressor： A data-driven dynamic modeling approach［J］. Machines， 2025， 13（4）： 338.
[11]	汪松柏，郝玉扬，吴亚东，等. 航空发动机压气机旋转不稳定现象研究进展［J］. 航空学报， 2024， 45（16）： 029851.
	WANG S B， HAO Y Y， WU Y D， et al. Research progress on rotating instability of aeroengine compressor［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2024， 45（16）： 029851 （in Chinese）.
[12]	ZHANG K， PARK W G. The investigation of rotating instability under distortion based on a compressor rotor［J］. International Journal of Aeronautical and Space Sciences， 2022， 23（3）： 471-483.
[13]	李育卉. 基于多源数据融合的压气机失速预警研究［D］. 大连：大连理工大学， 2023.
	LI Y H. Research on stall warning of compressors based on multi-source data fusion［D］. Dalian： Dalian University of Technology， 2023 （in Chinese）.
[14]	陈禹西，杨明绥，杨国安. 压气机气动失稳故障的声学诊断技术研究进展［J］. 测控技术， 2023， 42（12）： 1-10.
	CHEN Y X， YANG M S， YANG G A. Research progress of acoustic diagnosis technology for compressor aerodynamic instability faults［J］. Measurement & Control Technology， 2023， 42（12）： 1-10 （in Chinese）.
[15]	孙晓峰，胡宗安，冯毓诚，等. 压气机旋转失速特征参数的一种声学测量方法［J］. 航空动力学报， 1991， 6（2）： 129-130， 191.
	SUN X F， HU X A， FENG Y C， et al. An acoustic method for measuring characteristics of rotating stall in a compressor［J］. Journal of Aerospace Power， 1991， 6（2）： 129-130， 191 （in Chinese）.
[16]	SUNDSTR?M E， SEMLITSCH B， MIH?ESCU M. Acoustic signature of flow instabilities in radial compressors［J］. Journal of Sound and Vibration， 2018， 434： 221-236.
[17]	VO H D， TAN C S， GREITZER E M. Criteria for spike initiated rotating stall［J］. Journal of Turbomachinery， 2008， 130（1）： 011023.
[18]	MCDOUGALL N M， CUMPSTY N A， HYNES T P. Stall inception in axial compressors［J］. Journal of Turbomachinery， 1990， 112（1）： 116-123.
[19]	GARNIER V H， EPSTEIN A H， GREITZER E M. Rotating waves as a stall inception indication in axial compressors［J］. Journal of Turbomachinery， 1991， 113（2）： 290-301.
[20]	DAY I J. Stall inception in axial flow compressors［J］. Journal of Turbomachinery， 1993， 115（1）： 1-9.
[21]	PADUANO J D， GREITZER E M， EPSTEIN A H. Compressionsystemstability andactivecontrol［J］. Annual Review of Fluid Mechanics， 2001， 33： 491-517.
[22]	DAY I J. Active suppression of rotating stall and surge in axial compressors［J］. Journal of Turbomachinery， 1993， 115（1）： 40-47.
[23]	李宏新，贾博博，陈禹西，等. 多级高压比压气机气动失稳试验研究［J］. 航空动力学报， 2025， 40（7）： 20230302.
	LI H X， JIA B B， CHEN Y X， et al. Experimental investigation of aerodynamic instabilities in a multistage high pressure ratio compressor［J］. Journal of Aerospace Power， 2025， 40（7）： 20230302 （in Chinese）.
[24]	王聪，司文杰，文彬鹤，等. 轴流压气机旋转失速建模与检测Ⅱ：基于北航低速压气机试验台的实验研究［J］. 控制理论与应用， 2014， 31（10）： 1414-1422.
	WANG C， SI W J， WEN B H， et al. Modeling and detection of rotating stall in axial flow compressors， Ⅱ： Experimental study for a low-speed compressor in Beihang University［J］. Control Theory & Applications， 2014， 31（10）： 1414-1422 （in Chinese）.
[25]	王聪，文彬鹤，司文杰，等. 轴流压气机旋转失速建模与检测： Ⅰ—基于确定学习理论与高阶Moore-Greitzer模型的研究［J］. 自动化学报， 2014， 40（7）： 1265-1277.
	WANG C， WEN B H， SI W J， et al. Modeling and detection of rotating stall in axial flow compressors： Part Ⅰ—Investigation on high-order M-G models via deterministic learning［J］. Acta Automatica Sinica， 2014， 40（7）： 1265-1277 （in Chinese）.
[26]	潘若痴，刘德龙，孟德君. 多级高速压气机失稳模式［J］. 推进技术， 2025， 46（9）： 59-68.
	PAN R C， LIU D L， MENG D J. Instability mode of a multi-stage high-speed compressor［J］. Journal of Propulsion Technology， 2025， 46（9）： 59-68 （in Chinese）.
[27]	TRYFONIDIS M， ETCHEVERS O， PADUANO J D， et al. Prestall behavior of several high-speed compressors［J］. Journal of Turbomachinery， 1995， 117（1）： 62-80.
[28]	LIAO S F， CHEN J Y. Time-frequency analysis of compressor rotating stall by means of wavelet transform［C］∥ Volume 1： Turbomachinery. New York： American Society of Mechanical Engineers， 1996： V001T01A013.
[29]	TAHARA N， NAKAJIMA T， KUROSAKI M， et al. Active stall control with practicable stall prediction system using auto-correlation coefficient［C］∥ 37th Joint Propulsion Conference and Exhibit. Reston： AIAA， 2001.
[30]	杜军，文璧，刘元是. 轴流压气机喘振状态下的声学特征及诊断方法［J］. 燃气涡轮试验与研究， 2020， 33（5）： 33-37.
	DU J， WEN B， LIU Y S. Study on acoustic characteristics and diagnostic method of axial compressor under surge condition［J］. Gas Turbine Experiment and Research， 2020， 33（5）： 33-37 （in Chinese）.
[31]	DHINGRA M， NEUMEIER Y， PRASAD J V R， et al. Stall and surge precursors in axial compressors［C］∥ 39th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. Reston： AIAA， 2003.
[32]	LIU Y， LI J C， DU J， et al. Stall warning strategy based on fast wavelet analysis in a multistage axial flow compressor［J］. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power， 2022， 144（4）： 044501.
[33]	FAN Z G， DU J， LIU Y， et al. Instability warning method via fast wavelet transform in a high-speed axial flow compressor： From surge precursors to early warning［J］. Aerospace Science and Technology， 2026， 168： 111124.
[34]	LI J C， Deng Y Y， Zhang X Y，et al. Instability prediction under distorted inflow based on deep learning neural networks in an axial flow compressor［J］. Physics of Fluids， 2024， 36（12）： 127163.
[35]	范忠岗，刘洋，巴顿，等. 周向畸变进气下轴流压气机的失稳预报方法研究［J］. 推进技术， 2025， 46（4）： 109-117.
	FAN Z G， LIU Y， BA D， et al. Stall warning method investigation in an axial-flow compressor with circumferential distortion［J］. Journal of Propulsion Technology， 2025， 46（4）： 109-117 （in Chinese）.
[36]	张海波，徐植桂. 基于压力信号分析的轴流式压气机失速预测［J］. 南京航空航天大学学报， 2017， 49（5）： 684-692.
	ZHANG H B， XU Z G. Study on stall detection of axial compressor through pressure signal analysis［J］. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics， 2017， 49（5）： 684-692 （in Chinese）.
[37]	CHEN Y X， YANG M S， ZHANG Z B， et al. Study on the fault diagnosis method of compressor instability by fusing multiple time domain feature parameters［C］∥ 2023 Asia-Pacific International Symposium on Aerospace Technology （APISAT 2023） Proceedings. Singapore： Springer Nature Singapore， 2024： 1628-1638.
[38]	ECK M， TUZUNER E， ECKER R， et al. Advanced compressor stall warning using cross-correlation and deep learning-based approaches［J］. Journal of Turbomachinery， 2026， 148（8）： 081010.
[39]	CARRATTIERI L， CRAVERO C， MARSANO D， et al. The development of machine learning models for radial compressor monitoring with instability detection［J］. Journal of Turbomachinery， 2025， 147（5）： 051004.
[40]	全福祥. 航空发动机失稳预测和喘振主动控制研究［D］. 大连：大连理工大学， 2024.
	QUAN F X. Instability prediction and active surge control for the aviation engine［D］. Dalian： Dalian University of Technology， 2024 （in Chinese）.
[41]	吴家威. 基于生成对抗网络的轴流压气机失速预警研究［D］. 赣州：江西理工大学， 2024.
	WU J W. Study on stall warning of axial flow based on generative adversarial networks［D］. Ganzhou： Jiangxi University of Science and Technology， 2024 （in Chinese）.
[42]	邓雨阳，李继超，刘景源，等. 基于深度学习神经网络的轴流压气机失速预测［J］. 推进技术， 2025， 46（8）： 249-258.
	DENG Y Y， LI J C， LIU J Y， et al. Stall prediction based on deep learning in axial flow compressor［J］. Journal of Propulsion Technology， 2025， 46（8）： 249-258 （in Chinese）.
[43]	王颖. 轴流压气机前失速流动特征及失速预测研究［D］. 天津：天津大学， 2022.
	WANG Y. Study on front stall characteristics and stall prediction for an axial compressor［D］. Tianjin： Tianjin University， 2022 （in Chinese）.
[44]	司文杰. 基于确定学习理论的低速轴流压气机旋转失速检测—仿真与试验研究［D］. 广州：华南理工大学， 2015.
	SI W J. Detection of rotating stall in low-speed axial compressors via deterministic learning theory-simulation and experimental study［D］. Guangzhou： South China University of Technology， 2015 （in Chinese）.
[45]	赵宏阳. 基于深度学习的轴流压气机旋转失速预测研究［D］. 大连：大连理工大学， 2021.
	ZHAO H Y. Research on stall prediction of axial compressors based on deep learning［D］. Dalian： Dalian University of Technology， 2021 （in Chinese）.
[46]	尼克·坎普施缇. 压气机气动力学［M］. 张健，杜辉，董威，译. 上海：上海交通大学出版社， 2021： 58-66.
	CumPTY N A. Compressor aerodynamics［M］. ZHANG J， DU H， DONG W， translate. Shanghai： Shanghai Jiao Tong University Press， 2021： 58-66 （in Chinese）.
[47]	BOX G E P， COX D R. An analysis of transformations［J］. Journal of the Royal Statistical Society Series B： Statistical Methodology， 1964， 26（2）： 211-243.

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