CN102246017B - 估算涡轮喷气发动机中流体温度的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明的估算方法包括：在模型化信号(T1)的帮助下将流体温度数字模型化的步骤和在误差信号(T2)、在纠正表示流体温度的一估值后获得的信号(T3)的帮助下纠正该模型化信号的纠正步骤。根据本发明，当与涡轮喷气发动机的至少一个运行阶段相关以及与温度稳定性相关的预定条件满足时，该误差信号(T2)通过所述模型化信号(T1)和通过由温度传感器(40)所传递的流体温度的测量信号(T4)进行修正。

Description

估算涡轮喷气发动机中流体温度的方法和系统

技术领域

本发明涉及航空领域。

更准确说，本发明涉及估算在飞机涡轮喷气发动机中的参数，例如流体温度。

本发明的一优选但非限制性应用在于用于调整和控制涡轮喷气发动机的系统的领域。

背景技术

在已知方式中，为了调整和适应涡轮喷气发动机的控制以针对不同的飞行约束，有必要估算穿过涡轮喷气发动机的不同气体流的温度(指流体温度)。为此，使用温度传感器，例如探针或热电偶，它们被设置在气流的不同位置，适合于测量气流的温度。

温度传感器在测量过程中通常遭受热惯性，该热惯性对每一个传感器都是特定的，其具体取决于传感器的体积或尺寸。此惯性在测量由传感器实现的瞬间与它响应于该测量而传递一信号的瞬间之间的时间变换中所反映。这是指测量迟延效应，并可导致涡轮喷气发动机由于测量失配而发生故障，特别是在气流温度发生迅速变化的过程中。

为了避免此种故障，可设想使用具有很低惯性的传感器。然而，这样的传感器非常昂贵。

为减轻此问题，存在纠正由温度传感器传递的测量信号的技术，其补偿由传感器的惯性引起的迟延效应。例如，一种这样的技术记载在美国专利5080496中。

那些技术通常依靠传感器惯性的数字建模，所述传感器使用滤波器，具有通过估算传感器的时间常数而设置的参数。在其自身中已知的是，测量传感器的时间常数表征其反应时间，即其惯性。

估算温度传感器时间常数的现有技术使用确定的图表，所述图表取决于一个或多个参数，例如传感器所处流体的流速。那些图表显示用于反应时间模板和预定条件的时间常数的平均值。换句话说，它们实际上并不考虑从一个温度传感器到另一个的惯性传播。

目前的制造技术无法使控制喷气发动机的温度传感器以低成本制造，其也符合受到微小传播的反应时间模板。因此，获得适合有关不同温度传感器的图表是困难的。当安装在喷气发动机中的传感器的时间常数非常偏离这些图表所给定的值时，将产生许多问题。

一个解决方案是测试每个温度传感器，例如在一风洞内，以确定其在预定条件下的时间常数，并作为以此方法确定的时间常数的函数而推断该图表。然而，这样的测试非常昂贵，消耗大约温度传感器价格的三分之一。因此，它无法用于每个传感器，这意味着在图表可用的接受模板之外的温度传感器无法被检测。

而且，这样的测试通常在流体流速被风洞容量限制的情况下进行，它们通常不能覆盖在喷气发动机应用中的工作流速。覆盖所有工作流速范围的推断图表给温度传感器的获取系统带来不准确性。

而且，如同上文提到的那样，温度传感器的时间常数取决于例如传感器设置于其中的流体流速这样的参数。这意味着为了估算温度传感器的时间常数，有必要首先估算此流体的流速。因此，有必要在喷气发动机上使用另外的估算模块，其使得纠正测量变得更加复杂。

因此，需要一种估算涡轮喷气飞机内流体温度的方法，该方法简单、不昂贵并传递所述温度的估值，该估值较准确，以适合特别用于调整和控制涡轮喷气发动机。

发明内容

本发明通过提出一种估算方法满足此需求，该方法用于估算涡轮喷气发动机中的流体温度，该方法包括：

·在模型化信号的帮助下将流体温度数字模型化的步骤；和

·在误差信号的帮助下纠正模型化信号的纠正步骤，纠正后获得的信号表示流体温度的估值；

其中，当与涡轮喷气发动机的至少一个运行阶段相关以及与温度稳定性相关的预定条件满足时，该误差信号由该模型化信号及由通过温度传感器传递的流体温度的测量信号修正。

这样，代替通过由传感器测量而估算涡轮喷气发动机的流体温度，该流体温度在所述传感器的时间常数的估值的帮助下得到纠正，如同现有技术那样，本发明提出通过使用一数字模型而估算所述流体温度，该数字模型在一误差信号的帮助下得到纠正，该误差信号在涡轮喷气发动机在温度稳定性阶段运行时，在与涡轮喷气发动机的至少一个运行阶段相关的预定条件下被估算。

因此，避免了传感器时间常数估算的昂贵计算，从而减轻涡轮喷气发动机的计算机，即典型为全权数字引擎控制器(FADEC)上的负担。

本发明使得在低成本下获得所考虑流体温度的良好质量的估值成为可能。这避免求助于昂贵的具有很低惯性的温度传感器。

本发明依赖于流体温度的数字化模型，其已经存在并已知。这样的数字化模型通常给予涡轮喷气发动机中流体温度变化(即其动态行为)的良好表现，但它们就这样的温度的“绝对”值而言并不十分准确，即它们相对于涡轮喷气发动机的真实蒸汽温度具有静态误差。本发明建议纠正此静态误差以获得所考虑的流体温度的准确估值。

为此，其利用一误差信号，该误差信号在来自温度传感器的测量信号的帮助下在温度稳定性阶段得到修正。通过例如对比由具有预定阈值的传感器所传递的测量信号的导数，较容易探测到温度稳定性条件得到满足。

而且，由于由温度传感器所传递的测量信号被考虑用来仅在温度稳定性阶段中用于纠正涡轮喷气发动机的流体温度的模型，因此本发明的温度传感器需要满足的准确性和动态要求较低。因此可使用较低成本的温度传感器，它们具有较长的时间常数，只要那些时间常数与喷气发动机的温度稳定性的阶段相适合(即比喷气发动机的温度稳定性阶段的时间短)。

而且，本发明有利地考虑到涡轮喷气发动机的运行阶段。因此这样可估算取决于涡轮喷气发动机运行阶段的不同的误差信号。在启动阶段存在的数字模型的静态误差可与“全油门”时运行阶段过程中的静态误差完全不同。

在本发明的特别实施例中，误差信号在适应性算法的帮助下得到修正。

该误差信号具体可通过从测量信号减去模型化信号而获得的信号进行修正。

其结果为，获得由模型化信号表示的静态误差的良好估值。

在温度稳定性阶段过程中，即使温度传感器具有较大惯性，然而其仍能够提供其在涡轮喷气发动机中所测量的流体温度的良好的“绝对”表现。此表现，减自在温度稳定性阶段过程中模型化信号的值，从而可准确估算由模型化信号表示的的静态误差。

该误差信号可在整体纠正器型滤波器的帮助下得到修正，其中该滤波器具有预定的增益设置，该增益优选不为一元的。

此种滤波器其自身是已知的，具有纠正模型化信号的良好性能。

在一变例中，也可使用其他滤波器，例如更高等级的滤波器。为该滤波器所选的具体等级考虑到误差信号的修正，其可为所获得的准确性和所实现计算的复杂性之间折衷的结果。

在一变化实施例中，该估算方法进一步包括在停止该涡轮喷气发动机之前使用非易失性存储器来储存最新修正的误差信号的步骤。

有利地，此值可具体用于初始化适应性算法以修正误差信号，而非使用预定的初始值(例如零)。这可用来加速该适应性算法的收敛，或在涡轮喷气发动机启动后等待探测一温度稳定性阶段时其可用作该误差信号的一默认值。

本发明因而还提供一估算系统，用于估算涡轮喷气发动机的流体温度，该系统包括：

·在模型化信号的帮助下用于数字模型化所述流体温度的装置；

·在误差信号的帮助下用于纠正模型化信号的装置，该信号在纠正表示流体温度的一估值之后获得；以及

·在与涡轮喷气发动机的至少一个运行阶段相关以及与温度稳定性相关的预定条件满足后启动的装置，该装置用于从该模型化信号和从温度传感器所传递的该流体温度的测量信号修正所述误差信号。

本发明还提供一涡轮喷气发动机，包括至少一个用于估算涡轮喷气发动机中流体温度的系统，该系统为上述类型。

附图说明

本发明的其他特征和优点将从以下描述参照附图显现，所述附图显示不具有限制特征的实现。在附图中：

图1为一示意图，显示根据本发明的一估算系统的一具体实施例，该系统用于估算涡轮喷气发动机中的流体温度；

图2为一数字模型化模块的一例子的示意图，该数字模型化模块适合用在图1所显示的估算系统中，用于将流体温度模型化；

图3为流程图形式，显示当在图1所示系统中实施时，在一具体实施例中，实现估算误差信号的主要步骤，所述误差信号用于纠正在本发明的估算方法过程中被模型化的信号；

图4为适于实施以估算用于在本发明的估算方法过程中，在一具体实施例中，当由图1所示系统实施时纠正模型化信号的误差信号的装置的例子的示意图；和

图5为一示意图，显示探测器装置的一个例子，该探测器装置用于探测适合在本发明的估算方法中实施的温度稳定性条件。

具体实施方式

图1显示根据本发明的一估算系统的一具体实施例，该系统用于估算飞机涡轮喷气发动机(未在图中示出)中的流体温度。

所估算的流动通道温度可特别用来调整和控制涡轮喷气发动机。因此，在这里所描述的实施例中，估算系统1的全部或部分连接到由涡轮喷气发动机推动的飞机的全权数字引擎控制器(FADEC)装置或与其合并。

然而，自然地，可以设想通过使用本发明的方法估算流体温度的其他应用。

在所描述的例子中，在涡轮喷气发动机的高压压缩机的入口处的流体温度T₂₅将被估算。

根据本发明，估算系统1包括一数字模型化模块10，用于将流体温度T₂₅模型化。

由数字模型化模块10传递的信号T1随后发送到适合将误差信号T2加到模型化信号T1的纠正器模块20。

在纠正之后获得的信号T3表示在涡轮喷气发动机中流体温度T₂₅的一个估值，在此例中用于控制和调整涡轮喷气发动机。

由纠正器模块20加到模型化信号T1的误差信号T2由计算模块30进行估算，首先基于模型化信号T1，第二基于测量信号T4，该测量信号测量由位于涡轮喷气发动机中的温度传感器40所传递的流体温度T₂₅。此种温度传感器的结构和操作本身是已知的，它们在此不作更详细的描述。

参照图2，下面是对数字模型化模块10一实施例的描述。此种模块具体记载在文献US5080496中。

在图2所示的例子中，数字模型化模块10包括实体11，实体11适于传递温度比T₂₅/T₁₂的一估值，写成(T₂₅/T₁₂)_e，基于涡轮喷气发动机风扇转速的测量(N)_m，其中T₁₂表示所述风扇的入口温度。

此估值由实体11使用预定曲线计算，所述预定曲线显示作为风扇转速N函数的绝热温度比T₂₅/T₁₂的变化。此曲线为本领域技术人员所公知，在此不加详细描述。

所估算的比值T₂₅/T₁₂随后发送到一乘法器电路12，该乘法器电路适于通过温度T₁₂的一测量值，写作(T₁₂)_m，来增大所述比值。在乘法器电路12的输出，这产生将流体温度T₂₅模型化的信号T1。

温度T₁₂的测量值(T₁₂)_m和风扇转速的测量值(N)_m使用位于涡轮喷气发动机中并自身显示的传感器获得，它们在此不作更详细描述。

在一变例中，可使用流体温度T₂₅的更精致和更准确的数字模型。一个这样的模型具体记载在文献US5080496中。

应观察到，在此描述的例子中，给予关注来纠正表示温度T₂₅的模型化信号。然而，本发明应用于涡轮喷气发动机中的其他流体温度，只要有一模型可用于那些温度改变的方式。

参照图3，下面描述由计算模块30实施，以估算误差信号T2的主要步骤，所述误差信号在本发明的估算方法过程中，在本发明的一具体实施例中使用。

在下面的描述中，考虑在采样期间Te所采集的信号和参数。应该观察到，本发明还可使用连续的信号和参数来实施。

根据本发明，当涡轮喷气发动机在运行中(E10)，计算模块30通过模型化信号T1和测量信号T4来修正误差信号T2，只要与温度稳定性相关和与涡轮喷气发动机的至少一个运行阶段相关的预定条件得到满足。

更准确说，在在此描述的实施例中，当这些条件满足时(步骤E11)，在一给定时刻t＝nTe(n为整数，Te表示取样期间)估算误差信号T2，使用整体纠正器型适应性滤波器，应用以下公式(步骤12)：

T2[nTe]＝T2[(n-1)Te]+K×ε[nTe]

其中：

ε[nTe]＝T4[nTe]-T1[nTe]

和：

·K是一预定真实数值，表示整体纠正器滤波器的增益；

·T2[nTe]、ε[nTe]、T4[nTe]和T1[nTe]分别表示在时刻nTe取样的误差信号T2、信号ε、测量信号T4和模型化信号T1。

在一变例中，可使用更高等级的滤波器来估算信号T2。

当确定上述条件的一个和/或另一个不满足时(步骤E11)，误差信号T2的最新修正值由纠正器模块20使用以纠正模型化信号T1(步骤E13)。换句话说，公式形式为：

T2[nTe]＝T2[(n-1)Te]

应观察到，在此所描述的实施例中，在涡轮喷气发动机停止前，误差信号T2最新修正的值(写为V2f)被储存(步骤E20)在FADEC(在图1中未示出)的非易失性存储器中。此种储存自身是已知的，在此不进一步描述。

用这种方法储存的值V2f可有利地在下次涡轮喷气发动机运转时使用，以初始化该整体纠正器滤波器。

参照图4，下面对由计算模块30实施以执行图3中所示的步骤E11至E13的装置的实施例进行描述。

在本发明的意义中认为，如果所考虑的流体温度，在此为T₂₅，稳定地经过一预定时间期间，换句话说，如果它经过所述期限(在预定阈值的限制内)变化很小或根本不变，则温度稳定性条件满足。

同样，在本发明的意义中认为，如果涡轮喷气发动机处于至少一个所述运行阶段中，则与涡轮喷气发动机的至少一个运行阶段相关的条件满足。

在在此所描述的实施例中，为了检验是否上述两条件都得到满足，这两个条件分别使用两个独特模块来检查，即：

·温度稳定性条件由第一检验器模块31来检查；和

·与涡轮喷气发动机的至少一个运行阶段相关的条件由第二检验器模块32来检查。

适于检查温度稳定性条件是否满足的检验器模块31的一个例子显示在图5中并在下文中描述。

为了检验温度稳定性条件是否满足，检验器模块31计算一信号D，该信号代表由温度传感器40在时刻t＝nTe传递的测量信号T4的导数。

该信号D在此通过使用一第一级滤波器使用下公式而估算：

$D\left[\mathrm{nTe}\right]=\frac{T4\left[\mathrm{nTe}\right]-T4\left[(n-1)\mathrm{Te}\right]}{\mathrm{Te}}$

其中D[nTe]和T4[nTe]分别表示在时刻nTe采集的信号D和T4(应观察到，在时刻t＝0，T4[0]等于预限定的初始值T4₀)。

为此，以已知方式，检验器模块31包括：

·延时元件31a，其在前一时刻(n-1)Te传递测量信号T4的值；

·减法器元件31b，用于从测量信号T4[nTe]减去延时测量信号T4[(n-1)Te]；和

·除法器元件31c，其适于用取样期间Te从元件31b除输出量。

在一变例中，在时刻t＝nTe的信号T4的导数D可使用更高等级的滤波器计算。

从除法器元件31c在输出所获得的值D[nTe]随后通过检验器模块31的比较器31d与预限定的阈值s进行对比。该阈值s代表温度导数的值，根据它可考虑温度是稳定的，即从它可考虑涡轮喷气发动机处于温度稳定性阶段。

比较器31d适合在此例中传递：

·一信号C1等于1，如果D[nTe]的值小于或等于所述阈值s；和

·一信号C1等于0，如果D[nTe]的值大于所述阈值s。

第二检验器模块32检验是否涡轮喷气发动机处于具体预限定的运行阶段，例如“启动”阶段或“全油门”阶段。

为纠正模型化信号T1而考虑的误差信号T2在涡轮喷气发动机的不同的运行阶段无需相同。

因此，如果在涡轮喷气发动机的不同预限定运行阶段过程中，例如在涡轮喷气发动机的启动阶段P1与“全油门”运行阶段P2过程中，在将应用到模型化信号的纠正量之间存在差异，则纠正信号T2在这两个阶段每一个过程中得到修正。在此情况下，第二检验器模块32检验是否涡轮喷气发动机目前的运行阶段，写作φ，其使用已知方式由FADEC识别，并传送到检验器模块32，等于阶段P1或阶段P2。如果适合，检验器模块32传送一信号C2等于1。如果目前的运行阶段φ与P1和P2不同，则检验器模块32传送一信号C2等于0。

相反，如果发现，例如在该涡轮喷气发动机或在具有相同特征的涡轮喷气发动机上进行的在前运行测试过程中，一相似的纠正在涡轮喷气发动机的P1和P2阶段需要被应用，则可仅在这些阶段中的一个过程中，例如在阶段P1过程中，修正纠正信号T2。

因此，在此情况下，第二检验器模块32检验是否由FADEC传送到第二检验器模块32的涡轮喷气发动机目前的运行阶段φ等于阶段P1。如果是，则检验器模块32传送一信号C2等于1。如果目前的运行阶段φ不同于阶段P1，则检验器模块32传送一信号C2等于0。

在此描述的实施例中，考虑涡轮喷气发动机的两个运行阶段P1和P2。自然地，其他阶段也可考虑。

一逻辑与门33具有信号C1和C2应用到其输入，于是用于检验是否分别关于温度稳定性和涡轮喷气发动机的至少一个运行阶段的两个条件得到满足。如果C1和C2相同并等于1(即如果两个上述条件得到确认)，则逻辑门33的输出C等于1，否则其等于0。

通过逻辑门33传递的信号C确定从信号34的输出如下：

·如果C等于1，则从模块34的输出等于前述用于修正误差信号T2的整体纠正器滤波器的真实增益K；否则

·从模块34的输出等于零。

与检验关于温度稳定性和涡轮喷气发动机的至少一个运行阶段的条件同时，减法器模块35在时刻t＝nTe通过从由温度传感器40传送的测量信号T4减去由数字化模型10传送的模型化信号T1来估算信号ε[nTe]，使用下公式：

ε[nTe]＝T4[nTe]-T1[nTe]

信号ε和从模块34的输出随后传送至滤波器36。该滤波器36包括：

·乘法器元件36a，其适于用来自模块34的输出乘信号ε[nTe]。换句话说，只要关于温度稳定性和至少一个运行阶段的条件得到确认，则乘法器元件36a用增益K乘信号ε[nTe]，否则其用零乘；

·延时元件36c，其传送值T2[(n-1)Te]；和

·加法器元件36b，其适于使用上述特定公式来计算T2[nTe]的值。

应该观察到，在时刻t＝0(即对于n＝0)，用作误差信号T2[0]初始值的数值为T2₀，其中T2₀是一预限定值。

在在此描述的实施例中，该用作初始值T2₀的数值为在涡轮喷气发动机的在前运行过程中储存在FADEC的非易失性存储器中的值V2f。

在一变例中，该初始值T2₀可设置为等于0。

应当观察到，用已知的方式，初始值T2₀、取样期间Te以及增益K的值的选择是在性能与为修正信号T2所实施的适应性算法的收敛率之间折衷的结果。

Claims (9)

1.一种用于估算涡轮喷气发动机中流体温度的估算方法，该方法包括：

·在模型化信号(T1)的帮助下将流体温度数字模型化的步骤(10)；和

·在误差信号(T2)、在纠正表示流体温度的一估值后获得的信号(T3)的帮助下纠正该模型化信号的纠正步骤(20)；

其中，当与涡轮喷气发动机的至少一个运行阶段相关以及与温度稳定性相关的预定条件满足时，该误差信号(T2)由所述模型化信号(T1)和由流体温度的测量信号(T4)修正(E20)，其中测量信号(T4)在等级大于或等于1的滤波器的帮助下由温度传感器(40)所传递，该修正后信号从所述滤波器的输出获得。

2.根据权利要求1所述的估算方法，其中所述误差信号(T2)在一适应性算法的帮助下得到修正。

3.根据权利要求2所述的估算方法，进一步包括在该涡轮喷气发动机停止前使用非易失性存储器来储存最新修正的误差信号的步骤(E40)。

4.根据权利要求3所述的估算方法，其中储存在非易失性存储器中的误差信号用于初始化该适应性算法。

5.根据权利要求2所述的估算方法，其中所述误差信号(T2)在具有一预定增益设定(K)的整体纠正器型滤波器的帮助下得到修正(E20)。

6.根据权利要求2所述的估算方法，其中所述误差信号(T2)由一信号(ε)进行修正(E20)，该信号(ε)通过从所述测量信号(T4)减去所述模型化信号(T1)获得。

7.根据权利要求1所述的估算方法，其中通过使用一预定阈值(s)对比由传感器(40)所传递的测量信号(T4)的导数(D)来检测(E10)是否温度稳定性条件得到满足。

8.一种估算系统(1)，用于估算涡轮喷气发动机的流体温度，该系统包括：

·在模型化信号(T1)的帮助下用于数字模型化所述流体温度的装置(10)；

·在误差信号(T2)、信号(T3)的帮助下用于纠正该模型化信号(T1)的装置(20)，其中信号(T3)在纠正表示流体温度的一估值之后获得；以及

·在与涡轮喷气发动机的至少一个运行阶段相关以及与温度稳定性相关的预定条件满足时启动的装置(30)，该装置用于在等级大于或等于1的滤波器的帮助下，通过该模型化信号(T1)和通过由温度传感器(40)所传递的该流体温度的测量信号(T4)来修正所述误差信号，该修正后的误差信号从所述滤波器的输出获得。

9.一种涡轮喷气发动机，其特征在于，其包括至少一个根据权利要求8所述的估算系统(1)。

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