RU2779250C2 - Mixed system for aviation engine control and corresponding regulation method - Google Patents
Mixed system for aviation engine control and corresponding regulation method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2779250C2 RU2779250C2 RU2020109647A RU2020109647A RU2779250C2 RU 2779250 C2 RU2779250 C2 RU 2779250C2 RU 2020109647 A RU2020109647 A RU 2020109647A RU 2020109647 A RU2020109647 A RU 2020109647A RU 2779250 C2 RU2779250 C2 RU 2779250C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- control
- operating parameters
- control unit
- engine
- feedback
- Prior art date
Links
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 title claims description 6
- 230000003068 static Effects 0.000 claims description 24
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims description 20
- 230000001052 transient Effects 0.000 claims description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000004321 preservation Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 19
- 239000011295 pitch Substances 0.000 description 14
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 7
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 7
- 230000002194 synthesizing Effects 0.000 description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 241000711975 Vesicular stomatitis virus Species 0.000 description 5
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 5
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 3
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 230000002427 irreversible Effects 0.000 description 2
- 238000001308 synthesis method Methods 0.000 description 2
- URWAJWIAIPFPJE-YFMIWBNJSA-N SISOMICIN Chemical compound O1C[C@@](O)(C)[C@H](NC)[C@@H](O)[C@H]1O[C@@H]1[C@@H](O)[C@H](O[C@@H]2[C@@H](CC=C(CN)O2)N)[C@@H](N)C[C@H]1N URWAJWIAIPFPJE-YFMIWBNJSA-N 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 230000001808 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000000670 limiting Effects 0.000 description 1
- 230000000051 modifying Effects 0.000 description 1
- 238000011045 prefiltration Methods 0.000 description 1
- 230000002829 reduced Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
- 230000001131 transforming Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Чтобы оптимизировать характеристики авиационных (газотурбинных) двигателей во всей области полета, одной из возможностей является добавление «органов с изменяемой геометрией» (разгрузочные вентили, лопатки или лопасти с регулируемым углом установки, сопловые створки переменного сечения и т.д.). В общем, органы с изменяемой геометрией представляют собой узлы, оснащенные подвижными элементами, положением которых можно управлять для изменения таких параметров, как прохождение газового потока, и которые позволяют, таким образом, получать степени свободы при управлении газотурбинным двигателем. Обычно ими управляет вычислительное устройство, и их действия должны быть согласованными, чтобы быть оптимальными с точки зрения эффективности и оставаться в допустимых пределах управляемости и безопасности работы газотурбинного двигателя (в частности, что касается давления, температуры, скоростных режимов, крутящих моментов…).In order to optimize the performance of aircraft (gas turbine) engines over the entire flight area, one possibility is to add "variable geometry elements" (unloader valves, variable angle blades or vanes, variable cross-section nozzle flaps, etc.). In general, variable geometry bodies are assemblies equipped with movable elements whose position can be controlled to change parameters such as the passage of a gas flow, and which thus allow degrees of freedom to be obtained in controlling a gas turbine engine. Usually they are controlled by a computing device and their actions must be coordinated in order to be optimal in terms of efficiency and remain within the acceptable limits of controllability and safety of operation of a gas turbine engine (in particular with regard to pressure, temperature, speed conditions, torques ...).
Обычно говорят о многомерной системе, когда система имеет несколько входов и/или несколько выходов. Классические одномерные стратегии архитектуры и регулирования не подходят для этих систем по причине взаимодействий между различными переменными.One usually speaks of a multidimensional system when the system has multiple inputs and/or multiple outputs. Classical one-dimensional architecture and control strategies are not suitable for these systems due to interactions between different variables.
Случай турбовинтового двигателяTurboprop case
Турбовинтовой двигатель классически содержит газогенератор (турбину), приводящий во вращение воздушный винт с изменяемым шагом.A turboprop engine classically comprises a gas generator (turbine) driving a variable pitch propeller.
Главной задачей системы регулирования турбовинтового двигателя является обеспечения требуемой тяги с одновременным сохранением постоянной скорости вращения воздушного винта. С точки зрения управления турбовинтовой двигатель можно рассматривать как многомерную систему, имеющую:The main task of the turboprop control system is to provide the required thrust while maintaining a constant propeller speed. From the point of view of control, a turboprop engine can be considered as a multidimensional system having:
- две входные величины:- two input quantities:
- расход топлива, в дальнейшем обозначаемый WF,- fuel consumption, hereinafter referred to as WF,
- шаг воздушного винта (называемый также углом установки), в дальнейшем обозначаемый β;is the propeller pitch (also called pitch angle), hereinafter referred to as β;
- две выходные величины:- two output quantities:
- мощность воздушного винта, в дальнейшем обозначаемую SHP,- propeller power, hereinafter referred to as SHP,
- скорость вращения воздушного винта, в дальнейшем обозначаемую XNP.- the speed of rotation of the propeller, hereinafter referred to as XNP.
Как правило, мощностью SHP управляют за счет воздействия на расход топлива WF, тогда как скоростью вращения XNP воздушного винта управляют посредством воздействия на шаг β воздушного винта. Скорость XNP автоматически регулируется вокруг нескольких горизонтальных участков скорости, определяемых относительно условий полета и относительно состояния турбовинтового двигателя.Generally, the power SHP is controlled by affecting the fuel consumption WF, while the propeller speed XNP is controlled by affecting the pitch β of the propeller. The XNP speed is automatically adjusted around a number of horizontal speeds determined by the flight conditions and the state of the turboprop.
Основной проблемой регулирования является то, что запрос на изменение SHPref мощности приводит к нежелательному изменению скорости вращения XNP воздушного винта. Точно так же, запрос на изменение XNPref заданной скорости вращения воздушного винта затрагивает мощность SHP газогенератора. Это связано с тем, что каждая из команд действует на каждый из выходов.The main control problem is that a request to change the power SHP ref results in an undesirable change in the propeller speed XNP. Similarly, a request to change the set propeller speed XNP ref affects the gas generator power SHP. This is due to the fact that each of the commands acts on each of the outputs.
Эти изменения отрицательно сказываются на турбовинтовом двигателе. В частности, они приводят к значительным превышениям крутящего момента, которые влияют на усталостный износ компонентов, в частности, редуктора.These changes adversely affect the turboprop engine. In particular, they lead to significant overtorques, which affect the fatigue wear of the components, in particular the gearbox.
Другие примеры примененийOther application examples
Все вышесказанное относится также к управлению двигателями в других примерах применений.All of the above also applies to motor control in other application examples.
Например, это относится к управлению двигателем, содержащим не закрытые обтекателем сдвоенные воздушные винты с противоположным вращением (или “Open Rotor” - двигатель с открытым ротором - в терминологии, обычно используемой в данной области), который является примером, подобным турбовинтовому двигателю с точки зрения управления: система использует три входные величины (расход топлива и соответствующие шаги двух воздушных винтов с противоположным вращением), чтобы управлять тремя выходными величинами (скорость вращения камеры низкого давления и скорости вращения каждого из двух воздушных винтов).For example, this refers to the control of an engine containing non-faired counter-rotating twin propellers (or “Open Rotor” in the terminology commonly used in the field), which is an example similar to a turboprop in terms of control: the system uses three inputs (fuel flow and corresponding pitches of two counter-rotating propellers) to control three outputs (rotation speed of the low pressure chamber and rotation speeds of each of the two propellers).
Это относится также к случаю турбореактивных двигателей, в которых дополнительно к расходу топлива можно управлять также сечением реактивного сопла. Эта дополнительная степень свободы в основном позволяет воздействовать на скорость выброса газа и, следовательно, на тягу.This also applies to turbojet engines, in which, in addition to the fuel consumption, the section of the jet nozzle can also be controlled. This additional degree of freedom basically allows you to influence the speed of the release of gas and, therefore, thrust.
В турбореактивные двигатели можно также встроить различные элементы с изменяемой геометрией. Хотя заданные значения для изменяемых геометрий и для расхода топлива разрабатываются согласованно, их системы регулирования (токи сервоклапана) синтезируются независимо и могут влиять на некоторые общие рабочие параметры, такие как скорости вращения или кривая производительности компрессоров.Variable geometry elements can also be integrated into turbojet engines. Although the setpoints for variable geometries and for fuel flow are developed in concert, their control systems (servo valve currents) are synthesized independently and may affect some common operating parameters such as rotational speeds or compressor performance curve.
Основные задачи при синтезе правил управленияThe main tasks in the synthesis of control rules
Основными задачами при синтезе правил управления для этих систем являются:The main tasks in the synthesis of control rules for these systems are:
- Соблюдение спецификаций, заданных техническими требованиями (время реагирования, превышение, запасы стабильности),- Compliance with the specifications given by the technical requirements (response time, exceedance, stability margins),
- Ограничение взаимодействий между различными переменными: изменение заданного значения одной из величин должно приводить к наименьшему возможному отклонению на других величинах,- Limitation of interactions between different variables: changing the set value of one of the quantities should lead to the smallest possible deviation on the other quantities,
- Стойкость управления к отклонениям и к погрешностям моделирования.- Stability of control to deviations and modeling errors.
Кроме задач обеспечения эффективности, правила управления должны быть легко корректируемыми и иметь разумную сложность, чтобы облегчать регулирование, коррекцию во время испытаний и применение в вычислительных устройствах.In addition to efficiency objectives, control rules should be easily adjustable and of reasonable complexity to facilitate regulation, correction during testing, and application in computing devices.
Существующие решения многомерного управления с развязкойExisting Decoupled Multidimensional Control Solutions
В этих решениях синтезирование правил управления осуществляют на основании линейной модели, идентифицированной вокруг рабочих точек. Указанные ниже схемы известных систем представлены с линейными моделями турбовинтового двигателя. Эти модели обозначены G, если применяют форму матрицы перехода. Когда используют форму состояния, модель турбовинтового двигателя состоит из матриц состояния, управления и выхода А, В и С (при этом в рассматриваемых случаях управления двигателем матрица прямого действия D является нулевой).In these solutions, the synthesis of control rules is carried out on the basis of a linear model identified around the operating points. The following diagrams of known systems are presented with linear models of a turboprop engine. These models are designated G if the form of the transition matrix is used. When the state form is used, the turboprop model consists of the state, control, and output matrices A, B, and C (while in the considered cases of engine control, the direct-acting matrix D is zero).
Как показано на фиг. 1, известны так называемые централизованные решения типа Н2, Н∞ (как решение, описанное в документе G. Zames, Feedback and Optimal Sensitivity Model Reference Transformations, Multiplicative Seminorms, and Approximations, IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 26, issue n° 4, 1981).As shown in FIG. 1, the so-called centralized solutions of the type H 2 , H ∞ are known (as the solution described in the document G. Zames, Feedback and Optimal Sensitivity Model Reference Transformations, Multiplicative Seminorms, and Approximations, IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 26, issue n ° 4, 1981).
Эти подходы позволяют синтезировать многомерный корректор 11, напрямую учитывая мощность SHP и скорость XNP воздушного винта.These approaches make it possible to synthesize a
Хотя эти решения являются относительно эффективными, их разработка требует сложных вычислений, и получаемые корректоры, как правило, являются сложными. Кроме того, эти правила управления не являются интуитивными, что создает очевидную проблему для коррекции регулировок во время испытаний двигателей.Although these solutions are relatively efficient, their development requires complex calculations, and the resulting equalizers are usually complex. In addition, these control rules are not intuitive, which creates an obvious problem for correcting adjustments during motor testing.
Как показано на фиг. 2, известны также варианты управления с обратной связью по состоянию (типа метода размещения полюсов, метода квадратичного линейного управления). Эти методы состоят в добавлении обратной связи, включающей в себя обратную связь по состоянию 12. Как правило, к обратной связи по состоянию 12 добавляют члены интегрального действия 13, чтобы добиться хорошей эффективности.As shown in FIG. 2, variants of state feedback control (such as the pole placement method, quadratic linear control method) are also known. These methods consist of adding a feedback that includes feedback on
Поскольку эти методы не предусматривают развязку, взаимодействия между контурами мощности SНP и винта XNP остаются слишком значительными. Кроме того, управление двигателем с обратной связью по состоянию практически не поддается коррекции на испытательном стенде.Since these methods do not provide decoupling, the interactions between the power loops of the SHP and the XNP propeller remain too significant. In addition, state-feedback motor control is virtually uncorrectable on the test bench.
Как показано на фиг. 3, известны подходы развязки обратной связи по состоянию (например, такие как синтез Фальбе-Волович (описанный в работе «Многомерное управление и оценка», Ostertag, 2006) или полный модальный синтез). Эти методы состоят в добавлении обратной связи, включающей в себя обратную связь по состоянию 14 и статическую компенсацию М 14b для развязки системы.As shown in FIG. 3, state feedback decoupling approaches are known (eg, such as Falbe-Volovich synthesis (described in Multivariate Control and Evaluation, Ostertag, 2006) or full modal synthesis). These methods consist of adding feedback including
Преимуществом этих методов является то, что они обеспечивают полную развязку при использовании относительно простых корректоров.The advantage of these methods is that they provide complete decoupling using relatively simple equalizers.
Однако эти методы не совместимы с добавлением интегральных действий. Действительно, эти методы основаны на перемещении ограниченного числа полюсов, зависящих от системы, и добавление интеграторов и, следовательно, нестабильных полюсов приводит к перемещению последних вместо полюсов системы. Достигаемая эффективность является недостаточной, в частности, с точки зрения устранения помех. Кроме того, на практике трудно корректировать системы управления с обратной связью по состоянию.However, these methods are not compatible with adding integral actions. Indeed, these methods are based on moving a limited number of system dependent poles, and adding integrators and hence unstable poles results in moving the latter instead of the system poles. The efficiency achieved is insufficient, in particular in terms of interference elimination. In addition, in practice it is difficult to correct control systems with feedback on the condition.
Как показано на фиг. 4, известны также частотные методы развязки (такие как метод псевдо-диагонализации, метод разложения на собственные значения и на сингулярные значения, метод упрощенной схемы развязки или идеальной схемы развязки), которые позволяют развязать систему при помощи компенсаторов 15, прежде чем использовать одномерные регуляторы 16 типа ПИД, позволяющие автоматически регулировать систему.As shown in FIG. 4, there are also known frequency decoupling methods (such as the pseudo-diagonalization method, the eigenvalue and singular value decomposition method, the simplified decoupling scheme or the ideal decoupling scheme method), which allow the system to be decoupled using
Преимуществом этих методов является то, что этапы синтеза компенсаторов 15 и одномерных регуляторов 16 являются раздельными. Следовательно, можно относительно просто корректировать апостериори регулировки одномерных регуляторов 16.The advantage of these methods is that the stages of synthesis of
Проблемой является то, что, как правило, простые компенсаторы не обеспечивают удовлетворительной развязки. Надлежащей или идеальной развязки можно достичь, используя только сложные компенсаторы, которые практически не поддаются внедрению и интерполяции.The problem is that, as a rule, simple compensators do not provide satisfactory decoupling. Proper or ideal decoupling can only be achieved using complex compensators that are almost impossible to implement and interpolate.
Некоторые методы состоят только в применении матрицы 15 компенсации в качестве смещений, добавляемых в команды для компенсации помех различных контуров. Проблемой этих методов является то, что смещения трудно вычислять и что они не всегда являются достаточно точными.Some methods consist only of using the
Вышеуказанные подходы позволяют:The above approaches allow:
- получить среднюю развязку, или- get an average interchange, or
- получить правильную развязку за счет относительно сложных правил управления и методов синтеза.- get the correct outcome due to relatively complex control rules and synthesis methods.
Кроме того, из документа US 5274558 известна система авиационного двигателя, которая содержит:In addition, an aircraft engine system is known from US 5,274,558 which contains:
- следящий контур, который получает на входе заданное значение крутящего момента QCMD,- the servo circuit, which receives at the input the set torque value QCMD,
- контур скорости вращения (фиг. 3 - заданное значение скорости NPSFLT).- rotation speed loop (Fig. 3 - speed setpoint NPSFLT).
Система содержит также блок 18, 35 развязки, который выдает сигнал, показывающий развязанный крутящий момент QDC, который позволяет отделить контур крутящего момента от контура скорости, чтобы на резкие изменения скорости вращения двигателя реагировал только контур скорости.The system also includes a decoupler 18, 35 which outputs a signal indicating the decoupled torque QDC, which allows the torque loop to be separated from the speed loop so that only the speed loop responds to abrupt changes in engine speed.
Здесь не предусмотрено никакого управления с обратной связью по состоянию.No status feedback control is provided here.
В документе US 5001646 описана электрическая система управления (“fly-by-wire”) вертолета.US 5001646 describes an electrical control system (“fly-by-wire”) for a helicopter.
Эта система содержит по меньшей мере один следящий контур, который получает на входе заданные значения параметров (крен, тангаж, рыскание, вертикаль), поступающие от ручки управления.This system contains at least one servo circuit, which receives at the input the specified values of the parameters (roll, pitch, yaw, vertical) coming from the control stick.
Контур обратной связи регулирует рабочие параметры двигателя.The feedback loop regulates the operating parameters of the motor.
В этой системе тоже не предусмотрено управление с обратной связью по состоянию.This system also does not provide state feedback control.
В документе US 5920478 описана общая динамическая система управления со следящим контуром.US 5920478 describes a general dynamic control system with a servo loop.
Блок развязки обрабатывает данные MIMO и преобразует их в данные, обеспечивающие простую одномерную обработку SISO, учитывая при этом сложные взаимодействия между переменными.The decoupler processes the MIMO data and transforms it into data that provides simple one-dimensional SISO processing while taking into account the complex interactions between variables.
Применяемая развязка не является развязкой типа обратной связи по состоянию, но соответствует развязкам, представленным выше со ссылками на фиг. 4. Как было указано выше, недостатком этих схем развязок является то, что они не обеспечивают удовлетворительной развязки, если только не использовать исключительно сложные компенсаторы.The applied decoupling is not a state feedback type decoupling, but corresponds to the decouplings presented above with reference to FIGS. 4. As mentioned above, the disadvantage of these decoupling schemes is that they do not provide satisfactory decoupling, unless extremely complex compensators are used.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Общей задачей изобретения является обеспечение необходимой эффективности, в частности, что касается развязки, с одновременным сохранением возможности регулировать корректоры простым и интуитивным способом.The general object of the invention is to provide the necessary efficiency, in particular with regard to decoupling, while maintaining the possibility of adjusting the equalizers in a simple and intuitive way.
Для этого предложена система управления авиационным двигателем, которая содержит:For this, an aircraft engine control system is proposed, which contains:
- по меньшей мере один следящий контур, который получает на входе заданные значения рабочих параметров двигателя и который управляет системой вместе с контуром обратной связи по этим рабочим параметрам, при этом указанный следящий контур включает в себя блок децентрализованного управления с одномерными регуляторами,- at least one servo loop, which receives at the input the set values of the engine operating parameters and which controls the system together with the feedback loop according to these operating parameters, while the specified servo loop includes a decentralized control unit with one-dimensional controllers,
- по меньшей мере один блок управления с обратной связью по состоянию, встроенный в следящий контур, при этом указанный блок управления получает на входе выходные данные блока децентрализованного управления с одномерными регуляторами и является контуром обратной связи между рабочими параметрами двигателя и выходами указанного блока децентрализованного управления, при этом указанный контур обратной связи выдает параметры управления двигателем,- at least one control unit with status feedback built into the servo loop, wherein the specified control unit receives at the input the output data of the decentralized control unit with one-dimensional controllers and is a feedback loop between the operating parameters of the engine and the outputs of the specified decentralized control unit, at the same time, the specified feedback loop outputs the engine control parameters,
при этом блок управления c обратной связью по состоянию выполнен с возможностью развязки рабочих параметров, при этом одномерные регуляторы децентрализованного управления выполнены с возможностью автоматического регулирования рабочих параметров по заданным значениям этих параметров.wherein the control unit with status feedback is configured to decouple operating parameters, while one-dimensional controllers of decentralized control are configured to automatically control operating parameters according to the specified values of these parameters.
Под децентрализованным управлением в данном случае следует понимать управление, которое не является централизованным, а которое использует множество локальных и независимых правил управления для различных управляемых подсистем.Decentralized control in this case should be understood as control that is not centralized, but that uses a variety of local and independent control rules for various managed subsystems.
Управление с обратной связью может включать в себя статический компенсатор и контур с корректором обратной связи по состоянию, при этом указанный статический компенсатор и указанный контур с корректором обратной связи по состоянию выполнены с возможностью развязки рабочих параметров.The feedback control may include a static compensator and a state feedback corrector circuit, wherein said static compensator and said state feedback corrector circuit are configured to decouple operating parameters.
Такая система сочетает в себе преимущества решений развязки обратной связи по состоянию и методов частотной развязки.Such a system combines the advantages of state feedback decoupling solutions and frequency decoupling techniques.
В частности, схема развязки и регуляторы разделены.In particular, the decoupling circuit and regulators are separated.
Поскольку схема развязки выполнена с применением подхода развязки обратной связи по состоянию, можно обеспечить полную развязку при помощи очень простого корректора состояния и матрицы М компенсации, сохраняя при этом, в отличие от классических методов развязки, основные динамические факторы способа (что выражается в матрице значениями, равными 0, на недиагональных элементах, и ненулевыми значениями на диагональных элементах).Since the decoupling scheme is implemented using a state feedback decoupling approach, it is possible to achieve full decoupling with a very simple state equalizer and a compensation matrix M, while maintaining, unlike classical decoupling methods, the main dynamic factors of the method (which is expressed in the matrix by values, equal to 0, on off-diagonal elements, and non-zero values on diagonal elements).
Таким образом, уменьшение связей является очень эффективным. Кроме того, развязывающая обратная связь по состоянию представляет собой две простые матрицы коэффициентов усиления: обратной связи по состоянию и статической компенсации.Thus, reducing ties is very effective. In addition, decoupling state feedback consists of two simple gain matrices: state feedback and static compensation.
Предпочтительно одномерные регуляторы децентрализованного управления являются пропорционально-интегральными корректорами (ПИ-корректорами).Preferably, the one-dimensional decentralized control controllers are proportional-integral correctors (PI correctors).
ПИ-корректоры позволяют получить требующиеся характеристики.PI-correctors make it possible to obtain the required characteristics.
Их преимущество заключается в их простоте, и их установки облегчаются благодаря развязки. Кроме того, их можно легко корректировать/переустанавливать, причем независимо от развязывающей обратной связи по состоянию. Эти корректировки/переустановки можно осуществлять во время фаз проектирования, в ходе стендовых испытаний, а также в течение эксплуатации турбовинтового двигателя. Действительно, в ходе старения системы ее поведение меняется. В этом случае ПИ-корректоры можно адаптировать с целью поддержания требующихся характеристик (в частности, что касается времени отклика и выхода за установленные пределы).Their advantage lies in their simplicity, and their installations are facilitated by the decoupling. In addition, they can be easily adjusted/reset, regardless of decoupling state feedback. These adjustments/resets can be made during the design phases, during bench tests, and also during the operation of the turboprop. Indeed, as a system ages, its behavior changes. In this case, the PI equalizers can be adapted to maintain the desired performance (particularly with regard to response time and overshoot).
Объектом изобретения является также способ параметризации вышеупомянутой системы управления авиационного двигателя, содержащий этапы, на которых:The subject of the invention is also a method for parameterization of the aforementioned aircraft engine control system, comprising the steps of:
- определяют линейную модель двигателя, при этом модель имеет переходную функцию и представление состояния;- define a linear model of the engine, while the model has a transient function and state representation;
- определяют статический компенсатор и корректор обратной связи по состоянию таким образом, чтобы развязать состояния, образованные рабочими параметрами регулируемого двигателя;- determine the static compensator and the status feedback corrector in such a way as to decouple the states formed by the operating parameters of the regulated motor;
- определяют одномерные регуляторы, так чтобы автоматически регулировать указанные рабочие параметры по заданным значениям.- define one-dimensional controllers, so as to automatically adjust the specified operating parameters to setpoints.
Таким образом, реализуют смешанную развязку, при которой:Thus, a mixed decoupling is implemented, in which:
- осуществляют развязку посредством обратной связи по состоянию;- perform decoupling by means of status feedback;
- синтезируют регуляторы (в частности, ПИ-регуляторы) при помощи способа, развязанного посредством обратной связи по состоянию.- synthesize controllers (in particular, PI controllers) using a method decoupled by means of state feedback.
В частности, корректор обратной связи по состоянию и статический компенсатор могут быть выполнены таким образом, чтобы переходная функция системы управления имела коэффициенты усиления и полюсы, соответствующие коэффициентам усиления и полюсам переходной функции модели двигателя.In particular, the condition feedback corrector and the static compensator can be configured such that the control system transient function has gains and poles corresponding to the gains and poles of the motor model transient function.
Способ может дополнительно содержать этап интерполяции одномерных корректоров в зависимости от переменных условий полета.The method may further comprise the step of interpolating one-dimensional correctors depending on variable flight conditions.
Параметры одномерных корректоров могут быть интерполированы индивидуально посредством задания последовательности коэффициентов усиления.The parameters of the one-dimensional equalizers can be interpolated individually by specifying a sequence of gain factors.
Способ может также содержать этап интерполяции корректора обратной связи по состоянию и статического компенсатора в зависимости от переменных условий полета.The method may also comprise the step of interpolating the status feedback corrector and the static compensator depending on the variable flight conditions.
Изобретение относится также к применению предложенной системы для различных приложений.The invention also relates to the use of the proposed system for various applications.
Следует отметить, что предложенное изобретением решение является исключительно эффективным в случае системы, рассматривающей 2 или 3 элементов управления и выходных параметров, при этом можно предусмотреть более значительное число переменных, но, возможно, с менее точными результатами. Действительно, обычно правила управления синтезируют на номинальной линейной модели. Поскольку эта модель не является идеальной, то правила управления не обеспечивают одинаковый уровень эффективности на нелинейной модели. Это же касается и развязки, которая, как известно, является довольно чувствительной к погрешностям модели. Матрицы М и L учитывают все переходы многомерной системы и могут оказаться менее точными, когда число переменных увеличивается.It should be noted that the solution proposed by the invention is extremely effective in the case of a system considering 2 or 3 controls and outputs, while it is possible to provide for a larger number of variables, but perhaps with less accurate results. Indeed, usually control rules are synthesized on a nominal linear model. Since this model is not ideal, the control rules do not provide the same level of efficiency on a non-linear model. The same applies to decoupling, which is known to be quite sensitive to model errors. The M and L matrices account for all transitions in the multidimensional system and may become less accurate as the number of variables increases.
В случае управления двигателем с воздушным винтом с переменным шагом, таким как турбовинтовой двигатель, автоматически регулируемые рабочие параметры включают в себя мощность (SHP) воздушного винта и скорость его вращения (XNP), управляемыми параметрами являются расход топлива и шаг винта.In the case of controlling a variable pitch propeller engine such as a turboprop, the automatically controlled operating parameters include propeller power (SHP) and propeller speed (XNP), the controlled parameters are fuel consumption and propeller pitch.
В случае управления двигателем, имеющим сдвоенные воздушные винты с противоположным вращением (сдвоенные винты противоположного вращения с переменным шагом, не закрытые обтекателем “Open Rotor” или закрытые обтекателем “Contrafan”), в котором автоматически регулируемые рабочие параметры включают в себя режим камеры низкого давления (NBP) и режим двух воздушных винтов (N1 и N2), а управляемые параметры включают в себя расход топлива (WF) и шаг винтов (β1 и β2).In the case of an engine with counter-rotating twin propellers (contra-rotating twin variable-pitch propellers, not “Open Rotor” or “Contrafan”), in which the automatically controlled operating parameters include the low pressure chamber mode ( NBP) and two propeller mode (N1 and N2), and controlled parameters include fuel consumption (WF) and propeller pitch (β 1 and β 2 ).
Для управления турбореактивным двигателем с регулируемым сечением сопла автоматически регулируемые рабочие параметры включают в себя режим камеры низкого давления (NBP) и положение (хТ) силового цилиндра или силовых цилиндров, управляющих регулируемым сечением сопла, при этом управляемые параметры включают в себя расход топлива (WF) и ток (iTuy) сервоклапана, питающий силовой цилиндр или силовые цилиндры.To control a variable nozzle turbojet, the automatically controlled operating parameters include the low pressure chamber (NBP) mode and the position (xT) of the power cylinder or power cylinders controlling the variable nozzle, while the controlled parameters include fuel consumption (WF) and current (iTuy) of the servo valve supplying the power cylinder or power cylinders.
В случае управления турбореактивным двигателем с элементами с изменяемой геометрией, автоматически регулируемые рабочие параметры включают в себя режим камеры низкого давления (NBP) и положение силовых цилиндров (xVSV и xVBV) (при этом можно также предусмотреть другие рабочие параметры, такие как кривая производительности гидроусилителя), а управляемые параметры включают в себя расход топлива (WF) и токи управления (iVSV и iVBV) сервоклапанами.In the case of variable geometry turbojet control, automatically controlled operating parameters include low pressure chamber (NBP) mode and power cylinder position (xVSV and xVBV) (other operating parameters such as power steering performance curve can also be provided) , and controlled parameters include fuel consumption (WF) and control currents (iVSV and iVBV) of the servo valves.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
Другие признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, которое представлено исключительно в качестве иллюстративного и не ограничительного примера со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых:Other features and advantages of the invention will become more apparent from the following description, which is presented by way of illustrative and non-limiting example only, with reference to the accompanying figures, in which:
Фиг. 1 - схема известной централизованной системы регулирования.Fig. 1 is a diagram of a known centralized control system.
Фиг. 2 - схема известной системы регулирования с обратной связью по состоянию.Fig. 2 is a diagram of a known state feedback control system.
Фиг. 3 - схема известной системы развязки с обратной связью по состоянию.Fig. 3 is a diagram of a known state feedback decoupling system.
Фиг. 4 схематично иллюстрирует известный метод частотный развязки.Fig. 4 schematically illustrates a known method of frequency decoupling.
Фиг. 5 - система со смешанной стратегией управления согласно возможному варианту выполнения изобретения.Fig. 5 shows a mixed control strategy system according to an exemplary embodiment of the invention.
Фиг. 6 - управление системы, показанной на фиг. 5, с обратной связью по состоянию.Fig. 6 shows the control of the system shown in FIG. 5, with status feedback.
Фиг. 7 - пример применения изобретения для управления турбовинтовым двигателем.Fig. 7 is an example of the application of the invention to the control of a turboprop.
Описание вариантов осуществления изобретенияDescription of embodiments of the invention
В примере, представленном на фиг. 5, рассмотрен случай двух заданных значений, команд и выходов, причем эта архитектура и способ регулирования в дальнейшем обобщены для N заданных значений, команд и выходов.In the example shown in FIG. 5, the case of two setpoints, commands and outputs is considered, and this architecture and control method is further generalized to N setpoints, commands and outputs.
Архитектура этой системы 100 управления включает в себя:The architecture of this control system 100 includes:
- децентрализованный контур 101 управления с компенсаторами;-
- систему 103 развязки с обратной связью по состоянию, встроенную в указанный контур 101.- a
Контур 101 получает N заданных значений Yref и содержит блок 102 децентрализованного управления, выходы которого питают систему 103 развязки с обратной связью по состоянию и корректоры которого выбраны таким образом, чтобы контур 101 мог обеспечивать функцию автоматического регулирования способа.The
Развязка с обратной связью по состояниюStatus feedback decoupling
Система развязки с обратной связью по состоянию более конкретно показана на фиг. 6 и содержит:The state feedback decoupling system is shown more specifically in FIG. 6 and contains:
- статический компенсатор 104, выполненный с возможностью развязывать заданные значения на выходе децентрализованного блока управления 101 (матрица М предварительного фильтра (или матрица компенсации));a
- корректор 105 обратной связи по состоянию (матрица L обратной связи по состоянию).- status feedback corrector 105 (state feedback matrix L).
В дальнейшем предполагается, что соблюдены следующие гипотетические условия:In what follows, it is assumed that the following hypothetical conditions are met:
- Способ является линейным.- The method is linear.
- Число команд равно числу регулируемых выходов. Речь идет о классической гипотезе для развязки (и в любом случае невозможно развязать систему, если не располагать необходимым числом степеней свободы).- The number of commands is equal to the number of controlled outputs. We are talking about the classical hypothesis for decoupling (and in any case it is impossible to decouple the system if you do not have the necessary number of degrees of freedom).
- Матрица прямого действия является нулевой. Это является классической гипотезой, соблюдаемой большинством систем управления с обратной связью по состоянию (команды не действуют мгновенно на выходы).- The matrix of direct action is zero. This is the classical hypothesis followed by most state feedback control systems (commands do not act instantly on outputs).
- Матрица В управления является необратимой.- The control matrix B is irreversible.
- Способ не содержит нестабильного нуля (как и в случае других методов развязки с обратной связью по состоянию, нестабильный ноль привел бы к нестабильному полюсу в решении).- The method does not contain an unstable zero (as in the case of other state feedback decoupling methods, an unstable zero would lead to an unstable pole in the solution).
Рассмотрим также случай, когда число состояний системы равно числу выходов (все рассматриваемые состояния измеряются). В этом случае можно корректировать А и В, чтобы рассматривать выходную матрицу С как матрицу тождества.Let us also consider the case when the number of system states is equal to the number of outputs (all considered states are measured). In this case, you can adjust A and B to treat the output matrix C as an identity matrix.
Вместе с тем, эту гипотезу можно обойти. В частности, в случае, когда система имеет число состояний, превышающее число входов/выходов, можно добавить алгоритм наблюдения.However, this hypothesis can be circumvented. In particular, in the case when the system has a number of states that exceeds the number of inputs/outputs, an observation algorithm can be added.
С учетом вышеупомянутых гипотетических условий выходная матрица С схемы на фиг. 3 равна тождеству по предположению, поэтому:Considering the above hypothetical conditions, the output matrix C of the circuit in FIG. 3 equals identity by assumption, so:
и and
Представление состояния d можно записать следующим образом:The state representation d can be written as follows:
: столбец, представляющий N переменных состояния : column representing N state variables
: столбец, представляющий N команд : column representing N commands
: столбец, представляющий N выходов : column representing N outputs
: Матрица состояния : Status Matrix
: Матрица управления : Matrix control
Рассматриваемую систему можно полностью представить в виде нижеследующего выражения (1). Затем можно использовать обозначения выражения (2).The system under consideration can be fully represented in the form of the following expression (1). Then you can use the notation of expression (2).
Следовательно, управление, осуществляемое системой развязки, показанной на фиг. 6, является таким, что:Therefore, the control exercised by the decoupling system shown in FIG. 6 is such that:
Что касается L и М, их выбирают таким образом, чтобы:As for L and M, they are chosen in such a way that:
где параметры pi и Gi являются скалярными величинами.where the parameters p i and G i are scalar values.
Действительно, такое управление обеспечивает идеальную развязку:Indeed, such a control provides an ideal decoupling:
- каждый элемент, включенный в , зависит только от его соответствующего элемента в векторе х (например, должен зависеть только от , но не от других элементов х),- each element included in , depends only on its corresponding element in the vector x (for example, should only depend on , but not from other elements x),
- на каждый элемент, включенный в , влияет только соответствующий ему элемент в векторе u (например, на влияет только , но не другие элементы u).- for each element included in , affects only the element corresponding to it in the vector u (for example, on affects only , but not other elements of u).
Действительно, с такими матрицами L и М:Indeed, with such matrices L and M:
Получаем (7), комбинируя выражения (3), (5) и (6). Переход к (8) и (9) использует только тот факт, что и .We obtain (7) by combining expressions (3), (5) and (6). Passing to (8) and (9) only uses the fact that and .
Перейдя в область Лапласа, получаем:Passing to the Laplace region, we get:
Таким образом, отклики системы развязаны и соответствуют переходным функциям первого порядка с полюсами pi и коэффициентами усиления Gi.Thus, the responses of the system are decoupled and correspond to first-order transient functions with poles p i and gains G i .
Значения коэффициентов усиления Gi и полюсов pi определяют, приближая диагональные члены способа при помощи первых порядков уравнения (10). Различные методы упрощения позволяют сделать выбор коэффициентов усиления Gi и полюсов pi на основании диагональных переходов системы.The values of the gains G i and the poles p i are determined by approximating the diagonal terms of the method using the first orders of equation (10). Various simplification methods make it possible to choose the gains G i and poles p i based on the diagonal transitions of the system.
Например, для этого применяют методы упрощения модели, например, такие как метод усечения, и сравнивают частотные отклики первоначальных переходов и частотные отклики уменьшенных переходов, стараясь при этом сохранить статический коэффициент усиления и частоту отсечки.For example, model simplification techniques such as the clipping method are used to do this, and the frequency responses of the original transitions and the frequency responses of the reduced transitions are compared while trying to maintain the static gain and cutoff frequency.
В частности, коэффициенты усиления Gi и полюсы pi можно выбрать таким образом, чтобы статические коэффициенты усиления и частоты отсечки были подобными.In particular, the gains G i and the poles p i can be chosen such that the static gains and cutoff frequencies are similar.
Следует отметить, что с предложенной схемой управления получаемая развязка является полной, при этом установку автоматического регулирования осуществляют не на контур 103 с обратной связью по состоянию, а на корректорах/компенсаторах контура 101.It should be noted that with the proposed control scheme, the resulting decoupling is complete, while the installation of automatic control is carried out not on the
Таким образом, в отличие от так называемого метода Фальбе-Волович [Многомерные управление и оценка, Ostertag, 2006] задачей системы с обратной связью по состоянию является не способ автоматическое регулирования, а способ его развязки.Thus, in contrast to the so-called Falbe-Volovich method [Multidimensional control and evaluation, Ostertag, 2006], the task of a state feedback system is not a method of automatic control, but a method of its decoupling.
Это позволяет коэффициентам усиления корректоров (см. ниже) наилучшим образом сохранять динамику переходов.This allows the corrector gains (see below) to best preserve the dynamics of the transitions.
Одномерные корректорыOne-dimensional correctors
Корректоры децентрализованного блока управления 102 выбирают таким образом, чтобы корректировать необходимое автоматическое регулирование на основании развязанной системы.The correctors of the
В частности, когда эти корректоры являются ПИ-корректорами, их относительно простая структура значительно облегчает установки параметров. Действительно, форма ПИ-корректоров позволяет сохранить определенный физический смысл, что делает установки параметров более интуитивными. Их можно корректировать независимо от развязки в ходе стендовых испытаний.In particular, when these equalizers are PI equalizers, their relatively simple structure greatly facilitates parameter settings. Indeed, the shape of the PI-correctors makes it possible to retain a certain physical meaning, which makes parameter settings more intuitive. They can be adjusted independently of the decoupling during bench tests.
Если применяют другой метод развязки и если развязка не является полной, необходимо применять так называемые многоконтурные методы синтеза (методы “detuning”, циклические методы…). Такие методы позволяют учитывать взаимодействия между контурами SHP и XNP во время синтеза корректоров, но они являются более сложными, чем классические методы регулирования.If a different decoupling method is used and if the decoupling is not complete, the so-called multiloop synthesis methods (detuning methods, cyclic methods...) must be used. Such methods make it possible to take into account the interactions between the SHP and XNP circuits during the synthesis of correctors, but they are more complex than the classical control methods.
Поскольку развязка с обратной связью по состоянию является полной, можно применять классические методы установки параметров для настройки корректоров. Эти методы являются простыми в применении, так как настройки можно осуществлять независимо для автоматического регулирования выходов системы.Since the state-feedback decoupling is complete, classical parameter setting methods can be used to tune the equalizers. These methods are easy to use as settings can be made independently to automatically adjust system outputs.
В частности, для осуществления этих настроек можно применять метод ПИД-IMC (Internal Model Control - модель внутреннего контроля) на основании переходных функций развязанного процесса и спецификаций, выраженных в виде переходных функций первого порядка. Настройки ПИ-регуляторов являются относительно простыми и могут происходить автоматически при помощи этого метода, на основании переходных функций развязанного процесса и спецификаций.In particular, the PID-IMC (Internal Model Control) method can be used to make these adjustments based on the decoupled process transients and specifications expressed as first order transients. Adjustments of PI controllers are relatively simple and can be done automatically with this method, based on decoupled process transients and specifications.
Тем не менее, вместо метода ПИД-IMC можно использовать другие одномерные корректоры и другие методы настроек.However, other 1D correctors and other tuning methods can be used instead of the PID-IMC method.
ПараметризацияParameterization
Систему управления параметризуют в соответствии со способом параметризации, содержащим этапы, на которых:The control system is parameterized in accordance with the method of parameterization, containing the steps in which:
- Е1 определяют модель рассматриваемой механической системы двигателя;- E1 determine the model of the considered mechanical system of the engine;
- Е1 определяют корректор 105 обратной связи по состоянию и статический компенсатор 104 таким образом, чтобы развязать управляемые параметры выходов, сохраняя при этом основные динамические характеристики системы;- E1 determine the
- Е3 определяют корректоры блока 102 децентрализованного управления (например, одномерные ПИ-корректоры), чтобы автоматически регулировать выходные параметры в соответствии с выбранным правилом.- E3 determine the correctors block 102 decentralized control (for example, one-dimensional PI-correctors) to automatically adjust the output parameters in accordance with the selected rule.
Факультативно, способ может содержать этап Е4 интерполяции корректоров блока 102 децентрализованного управления, корректора 105 обратной связи по состоянию и статического компенсатора 104.Optionally, the method may comprise the step E4 of interpolating the equalizers of the
Применение для турбовинтового двигателяApplication for turboprop
На фиг. 7 представлено применение для управления турбовинтовым двигателем Т.In FIG. 7 shows an application for controlling a turboprop engine T.
Представленная на этой фигуре система управления получает на входе заданные значения мощности воздушного винта SHPref и скорости воздушного винта XNPref.The control system shown in this figure is given input propeller power SHPref and propeller speed XNPref.
Эти заданные значения генерирует, например, блок управления (не показан), вычисляющий указанные заданные значения мощности и скорости на основании заданного значения тяги, которое поступает от устройства 18 управления, как правило, ручки управления.These setpoints are generated, for example, by a control unit (not shown) which calculates said power and speed setpoints based on the thrust setpoint that comes from the control device 18, typically a control stick.
Указанная система выдает на выходе мощность воздушного винта SHP и скорость вращения воздушного винта XNP турбовинтового двигателя, которые измеряются датчиком 106 мощности воздушного винта SHP и датчиком 107 скорости вращения воздушного винта XNP.This system outputs the propeller power SHP and the propeller speed XNP of the turboprop, which are measured by the SHP
Система содержит два общих контура управления 101а и 101b, из которых один (101а) автоматически устанавливает мощность SHP по заданному значению мощности SHPref, а другой (101b) автоматически устанавливает скорость вращения воздушного винта XNP по заданному значению скорости вращения воздушного винта XNPref.The system comprises two
На входе общего контура мощности SHP 101а находится дифференциатор 108а, а на входе общего контура скорости вращения воздушного винта XNP 101b находится дифференциатор 108b.At the input of the common
Дифференциаторы 109а и 109b тоже получают на входе мощность воздушного винта SHP и скорость вращения XNP и перенаправляют их на входы обратной связи двух контуров 101а и 101b.
Каждый из этих двух контуров 101а, 101b содержит, в свою очередь, блок децентрализованного управления 110а, 110b и два контура развязки 103а, 103b, питаемые соответственно через выходы блоков децентрализованного управления 101а, 101b.Each of these two
Каждый блок децентрализованного управления 101а, 101b получает на входе сигнал ошибки контура, которому он соответствует.Each
Блок децентрализованного управления 110а содержит одномерный корректор мощности SHP, выполненный с возможностью автоматически регулировать мощность SHP по заданному значению SHPref, тогда как блок децентрализованного управления 110b содержит одномерный корректор скорости XNP, выполненный с возможностью автоматически регулировать скорость XNP по заданному значению XNPref.The
Контуры развязки 103а, 103b включают в себя корректор 105 обратной связи по состоянию, выполненный с возможностью развязывать мощность воздушного винта SHP и скорость вращения воздушного винта XNP турбовинтового двигателя 1 с точки зрения состояний системы.
Указанный корректор 105 получает на входе выходные данные дифференциаторов 109а и 109b.Said
Выходы корректора 105 образуют входы обратной связи указанных контуров 103а и 103b, которые получают на своем другом входе выходные данные статического компенсатора 104.The outputs of the
Указанные контуры 103а, 103b содержат также соответственно интегратор 111а, расположенный перед входом управления расходом топлива WF турбовинтового двигателя Т, и интегратор 111b, расположенный переход входом управления шагом воздушного винта β турбовинтового двигателя Т.Said
Эти два интегратора 111а и 111b генерируют соответственно команду расхода топлива WF и команду шага винта β для турбовинтового двигателя Т.These two
Определяют определенное число характеристических рабочих точек. Эти характеристические рабочие точки характеризуются условиями полета (число Маха, высота полета) и состояниями турбовинтового двигателя.A certain number of characteristic operating points are determined. These characteristic operating points are characterized by flight conditions (Mach number, flight altitude) and turboprop engine conditions.
Во время фазы проектирования для каждой из этих характеристических рабочих точек моделируют сценарии идентификации на основании нелинейной термодинамической модели двигателя. Управление, используемое для этих сценариев идентификации, представляет собой последовательность рассинхронизованных ступеней управления с белым шумом.During the design phase, identification scenarios are modeled for each of these characteristic operating points based on a non-linear thermodynamic model of the engine. The control used for these identification scenarios is a sequence of desynchronized control stages with white noise.
Затем используют результаты этих моделирований, чтобы характеризовать поведение турбовинтового двигателя и определить линейную модель турбовинтового двигателя, которая моделирует работу турбовинтового двигателя и входными данными которой являются расход топлива WF и шаг воздушного винта β, а выходными данными - мощность воздушного винта SHP и скорость вращения воздушного винта XNP.The results of these simulations are then used to characterize the behavior of the turboprop and define a linear turboprop model that models the operation of the turboprop and whose inputs are fuel consumption WF and propeller pitch β and whose outputs are propeller power SHP and propeller speed XNP.
После анализа результатов выбирают модель порядка 2 турбовинтового двигателя. Таким образом, модель турбовинтового двигателя имеет две переменные состояния, при этом порядок системы равен числу переменных состояния.After analyzing the results, a turboprop order 2 model is selected. Thus, the turboprop model has two state variables, with the order of the system being equal to the number of state variables.
Поскольку число переменных состояния равно одновременно числу входов и числу выходов модели турбовинтового двигателя, то можно напрямую связать переменные состояния с выходами модели турбовинтового двигателя. Таким образом, переменными состояния турбовинтового двигателя являются мощность воздушного винта SHP и скорость вращения воздушного винта XNP.Since the number of state variables is equal to both the number of inputs and the number of outputs of the turboprop model, it is possible to directly link the state variables to the outputs of the turboprop model. Thus, the turboprop state variables are propeller power SHP and propeller speed XNP.
На этапах Е2 и Е3 применяют компьютерное цифровое моделирование работы турбовинтового двигателя при помощи модели турбовинтового двигателя, определенной на этапе Е1.In steps E2 and E3, a computer numerical simulation of the operation of the turboprop is applied using the turboprop engine model determined in step E1.
Анализ этих данных привел к необходимости определения моделей порядка 2 без прямого действия.The analysis of these data led to the need to define order 2 models without direct action.
Матрицы перехода идентифицированных линейных систем имеют форму (11) в виде состояния и (12) в виде матрицы перехода. После анализа нулей и матриц В линейных систем на всех рабочих точках выясняется, что первые являются стабильными и что матрицы В является необратимыми.The transition matrices of the identified linear systems have the form (11) as a state and (12) as a transition matrix. After analyzing the zeros and matrices B of linear systems at all operating points, it turns out that the former are stable and that the matrices B are irreversible.
Таким образом, можно применять стратегию смешанного децентрализованного управления.Thus, a mixed decentralized management strategy can be applied.
На основании этого вывода применяют описанное выше определение параметров для каждой из идентифицированных систем.Based on this conclusion, the parameter determination described above is applied for each of the identified systems.
На первом этапе (Е1) происходит автоматический поиск основных динамических условий диагональных переходов турбовинтового двигателя на каждой из идентифицированных моделей. Это может происходить автоматически через определенные методы упрощения моделей, такие как усечение уравновешенного основания. Это позволяет найти переходы первого порядка, которые сближают диагональные переходы, состоящие из двух полюсов и нуля. Отсюда выводят G1, G2, p1 и р2. Предпочтительно коэффициенты усиления Gi и полюсы pi выбирают таким образом, чтобы статический коэффициент усиления частотных откликов упрощенных переходов не удалялся от статического коэффициента усиления частотных откликов первоначальных переходов и чтобы частота отсечки частотных откликов упрощенных переходов на удалялась от частоты отсечки частотных откликов первоначальных переходов.At the first stage (E1) there is an automatic search for the main dynamic conditions of the diagonal transitions of the turboprop on each of the identified models. This can happen automatically through certain model simplification techniques, such as truncation of the balanced base. This makes it possible to find first-order transitions that bring together diagonal transitions consisting of two poles and zero. From here G1, G2, p1 and p2 are deduced. Preferably, the gains Gi and poles pi are chosen such that the static gain of the simplified transition frequency responses does not deviate from the static frequency response gain of the initial transitions and that the cutoff frequency of the simplified transition frequency responses does not deviate from the cutoff frequency of the initial transition frequency responses.
На втором этапе (Е2) аналитическим путем определяют матрицы М и L на каждой рабочей точке, применяя (10).At the second stage (E2), the matrices M and L are analytically determined at each operating point using (10).
На третьем этапе (Е3) производят определение ПИ-корректоров для контуров мощности SHP и режима воздушного винта XNP. Это тоже осуществляют аналитически при помощи метода ПИД-IMC.In the third step (E3), the PI correctors for the SHP power loops and the XNP propeller mode are determined. This is also carried out analytically using the FID-IMC method.
Матрицы М, L и ПИ-корректоры изменяются в области полета, чтобы компенсировать изменчивость системы. Чтобы максимально повысить эффективность регулирования, производят интерполяцию правил управления в зависимости от условий полета (число Маха, высота полета, состояние турбовинтового двигателя).The M, L matrices and PI correctors change over the flight region to compensate for system variability. To maximize control efficiency, control rules are interpolated depending on flight conditions (Mach number, flight altitude, turboprop condition).
Таким образом, производят интерполяцию ПИ-корректоров для улучшения характеристик системы (статическая ошибка, время отклика, переполнение) и матриц М и L, чтобы сохранить оптимальную развязку.Thus, the PI equalizers are interpolated to improve system performance (static error, response time, overflow) and the M and L matrices in order to maintain optimum decoupling.
Интерполяция корректоров позволяет повысить эффективность системы управления (в частности, что касается статической ошибки, времени отклика и переполнения).The interpolation of equalizers makes it possible to increase the efficiency of the control system (in particular with regard to static error, response time and overflow).
Интерполяция корректора 105 обратной связи по состоянию и статического компенсатора 104 позволяет сохранить оптимальную развязку на всей области полета.The interpolation of the
В частности, параметры одномерных корректоров можно интерполировать индивидуально посредством упорядочения последовательности коэффициентов усиления.In particular, the parameters of one-dimensional equalizers can be interpolated individually by ordering the sequence of gain factors.
Задание последовательности коэффициентов усиления состоит в определении семейства линейных систем, приближаясь к нелинейной системе в данном числе рабочих точек, и в предложении правил управления в каждой из соответствующих областей пространства состояния, чтобы в конечном итоге реализовать общее правило управления.Gain sequencing consists of defining a family of linear systems, approaching a non-linear system at a given number of operating points, and proposing control rules in each of the respective regions of the state space to eventually implement the overall control rule.
В частности, если одномерные корректоры являются ПИ-корректорами, интерполяция коэффициентов усиления является простой, поскольку речь идет о сумме различных действий, взвешенных коэффициентами усиления. Точно так же, корректор 105 обратной связи по состоянию и статический компенсатор 104 являются матрицами коэффициентов усиления (размером 2×2) L и М, следовательно, можно относительно просто интерполировать коэффициенты этих матриц.In particular, if the 1D equalizers are PI equalizers, the gain interpolation is simple since it is a sum of different actions weighted by the gains. Similarly, the
Можно применить инкрементальный алгоритм, чтобы сгладить команды во время интерполяции правил управления и обеспечить более плавные переходы, когда параллельно используются несколько контуров регулирования. Таким образом, заданные значения и выходные данные дифференцируются (дифференциаторы 108а, 108b и 109a, 109b), что позволяет работать с инкрементами ошибки, при этом инкременты управления впоследствии подвергаются интегрированию.An incremental algorithm can be applied to smooth commands during control rule interpolation and provide smoother transitions when multiple control loops are used in parallel. In this way, the setpoints and outputs are differentiated (
Правила управления позволяют получить оптимальные отклики по всей области полета, при этом правила управления являются относительно простыми и легко корректируются.The control rules allow for optimal responses over the entire flight area, while the control rules are relatively simple and easy to adjust.
Применение к другим системамApplication to other systems
В случае других вариантов применения этапы получения решений являются такими же, как и в случае турбовинтового двигателя.For other applications, the decision steps are the same as for a turboprop.
В случае силовой установки, содержащей сдвоенные воздушные винты противоположного вращения, не закрытые обтекателем “Open Rotor” или закрытые обтекателем “Contrafan”, команды включают в себя расход топлива WF и шаги воздушных винтов и . Что касается выходных данных, то они включают в себя режим корпуса низкого давления NBP и режимы двух воздушных винтов N1 и N2, как показано ниже:In the case of a powerplant containing twin contra-rotating propellers not hooded “Open Rotor” or hooded “Contrafan”, commands include WF fuel consumption and propeller pitches and . As for the output, it includes N BP low pressure case mode and N 1 and N 2 twin propeller modes as shown below:
Система, линеаризованная на различных рабочих точках, выражена полной (все члены являются ненулевыми) матрицей переходов 3×3. Соблюдены различные гипотетические условия, что позволяет получить матрицы L и М, описанные в (10).The system, linearized at various operating points, is expressed by a full (all terms are non-zero) 3×3 transition matrix. Various hypothetical conditions are met, which makes it possible to obtain the matrices L and M described in (10).
В случае турбореактивных двигателей с регулируемом сечением сопла команды управления включают в себя расход топлива WF и ток сервоклапана iTuy, питающий силовой цилиндр, позволяющий изменять регулируемое сечение сопла. Что касается выходных данных, то они включают в себя режим камеры низкого давления NBP и консолидированное положение силовых цилиндров ХTuy:In the case of turbojet engines with a variable nozzle section, the control commands include the fuel consumption WF and the current of the servo valve i Tuy , which feeds the power cylinder, which allows the variable nozzle section to be changed. As for the output data, they include the N BP low pressure chamber mode and the consolidated position of the X Tuy power cylinders:
Система линеаризована на меньшем числе рабочих точек. Линеаризованная система соответствует матрице 2×2, но переход WF→xTuy является нулевым (изменение расхода топлива не оказывает прямого влияния на положение сопла). Таким образом, речь идет о минимизации другого члена связывания, а именно iTuy→NBP. Это не приводит к изменению гипотетических условий, и можно применить формулу (10).The system is linearized on a smaller number of operating points. The linearized system corresponds to a 2×2 matrix, but the WF→x Tuy transition is zero (changes in fuel flow have no direct effect on nozzle position). Thus, we are talking about minimizing another binding term, namely i Tuy →N BP . This does not change the hypothetical conditions, and formula (10) can be applied.
В случае турбореактивных двигателей с элементами, имеющими изменяемую геометрию, команды управления включают в себя расход топлива WF и токи управления сервоклапанов iVSV and iVBV, обеспечивающие питание силовых цилиндров соответственно для оптимизации угла статоров (VSV от Variable Stator Vanes - регулируемые лопатки статора) компрессора высокого давления и для модулирования смещения открывания разгрузочных клапанов (VBV от Variable Bleed Valves - перепускные клапаны терминологии). Автоматически регулируемые выходы включают в себя режим корпуса низкого давления NBP и положения силовых цилиндров xVSV и xVBV. Что касается заданных значений этих приводов, то они являются идеально синхронизированными.In the case of turbojet engines with variable geometry elements, the control commands include the fuel consumption WF and the control currents of the servo valves i VSV and i VBV , providing power to the power cylinders, respectively, to optimize the angle of the stators (VSV from Variable Stator Vanes - adjustable stator blades) of the compressor high pressure and for modulating the opening bias of unloading valves (VBV stands for Variable Bleed Valves). Automatically controlled outputs include N BP low pressure casing mode and x VSV and x VBV power cylinder positions. As regards the setpoints of these drives, they are perfectly synchronized.
Система, линеаризованная на различных рабочих точках, описана матрицей переходов 3×3. Преобладающими членами являются диагональные члены, и переходы WF→xVSV и WF→xVBV являются нулевыми. С другой стороны, другие члены связи являются ненулевыми (действие VBV влияет на режим низкого давления напрямую, а действие VSV тоже влияет на него через режим высокого давления). Здесь тоже можно применить заявленное решение.The system, linearized at various operating points, is described by a 3×3 transition matrix. The predominant terms are the diagonal terms, and the transitions WF→x VSV and WF→x VBV are zero. On the other hand, other coupling terms are non-zero (the VBV action affects the low pressure mode directly, and the VSV action also affects it through the high pressure mode). Here, too, the stated solution can be applied.
Claims (18)
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR1757610 | 2017-08-09 | ||
FR1757610A FR3070056B1 (en) | 2017-08-09 | 2017-08-09 | MIXED AIRCRAFT ENGINE CONTROL SYSTEM AND METHOD OF ADJUSTING THE SAME |
PCT/FR2018/052051 WO2019030460A1 (en) | 2017-08-09 | 2018-08-09 | Hybrid system for controlling an aircraft engine and method for controlling the same |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2020109647A RU2020109647A (en) | 2021-09-14 |
RU2020109647A3 RU2020109647A3 (en) | 2022-04-07 |
RU2779250C2 true RU2779250C2 (en) | 2022-09-05 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5001646A (en) * | 1988-12-19 | 1991-03-19 | Mcdonnell Douglas Corporation | Automated helicopter flight control system |
US5274558A (en) * | 1991-09-18 | 1993-12-28 | Allied-Signal Inc. | Apparatus for decoupling a torque loop from a speed loop in a power management system for turboprop engines |
US5920478A (en) * | 1997-06-27 | 1999-07-06 | Oakleaf Engineering, Inc. | Multi-input multi-output generic non-interacting controller |
US20060137340A1 (en) * | 2004-12-29 | 2006-06-29 | Stewart Gregory E | Method and system for using a measure of fueling rate in the air side control of an engine |
RU2554544C2 (en) * | 2013-09-26 | 2015-06-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Digital electronic control system with built-in complete thermo- and gas-dynamic mathematical model of gas turbine engine, and aircraft gas turbine engine |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5001646A (en) * | 1988-12-19 | 1991-03-19 | Mcdonnell Douglas Corporation | Automated helicopter flight control system |
US5274558A (en) * | 1991-09-18 | 1993-12-28 | Allied-Signal Inc. | Apparatus for decoupling a torque loop from a speed loop in a power management system for turboprop engines |
US5920478A (en) * | 1997-06-27 | 1999-07-06 | Oakleaf Engineering, Inc. | Multi-input multi-output generic non-interacting controller |
US20060137340A1 (en) * | 2004-12-29 | 2006-06-29 | Stewart Gregory E | Method and system for using a measure of fueling rate in the air side control of an engine |
RU2554544C2 (en) * | 2013-09-26 | 2015-06-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Digital electronic control system with built-in complete thermo- and gas-dynamic mathematical model of gas turbine engine, and aircraft gas turbine engine |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN111095130B (en) | Hybrid system for controlling an aircraft engine and method for controlling the same | |
US10316760B2 (en) | Turboshaft engine control | |
EP2154588B1 (en) | Control system | |
CN106886151B (en) | The design and dispatching method of constrained forecast controller under a kind of aero-engine multi-state | |
EP3550127B1 (en) | Systems and methods for power turbine governing | |
US20080234994A1 (en) | Method and system for accommodating deterioration characteristics of machines | |
JP2017133495A (en) | Adaptive engine model torque splitting optimization | |
US20180119629A1 (en) | Model reference adaptive controller | |
EP3347773B1 (en) | Adaptive multiple input multiple output pid control system for industrial turbines | |
Lu et al. | Linear parameter-varying antiwindup compensation for enhanced flight control performance | |
RU2779250C2 (en) | Mixed system for aviation engine control and corresponding regulation method | |
CN116755342B (en) | Self-adaptive control system and method for anti-interference of back-stepping of aero-engine | |
de Paula et al. | An Easy-to-Use ${\cal H} _ {\infty} $/LTR Control Solution With Mixed-Sensitivity Properties | |
Andrighettoni et al. | Multi-input/multi-output adaptive active flutter suppression for a wing model | |
Pakmehr et al. | Adaptive control of uncertain systems with gain scheduled reference models and constrained control inputs | |
CN112761796B (en) | Power closed-loop control system and method thereof | |
US11409265B2 (en) | Method of setting a controller with setpoint weighting | |
Rayasam et al. | Robust Switching MIMO Control of Turbocharged Lean-Burn Natural Gas Engines | |
Lhachemi et al. | Performance enhancement of a self-scheduled longitudinal flight control system via multi-objective optimization | |
Amato et al. | Robust H/spl infin/control of a fly-by-wire aircraft: an LFT approach | |
Li et al. | Enhancing Aero-Engine Thrust Response: Accounting for Combustion Delays | |
Alshehhi | Combined armature and field voltage control of DC motor | |
Buhr et al. | Rotating stall control in axial compressor subject to wheel speed transients | |
Turner et al. | Input/output conditioning of robust integrated flight and propulsion controller | |
Pakmehr et al. | Decentralized adaptive control of uncertain systems with gain scheduled reference models |