CN105221270B - 多变量前馈控制 - Google Patents

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Abstract

一种在瞬变工况中追踪燃气涡轮发动机的变量状态的方法(200)包括：获取代表转子速率和压力比的输入数据(210)；基于输入数据来计算基准瞬变计划轨迹(220)；基于输入数据来计算速度基准瞬变计划轨迹；基于基准瞬变计划轨迹来计算前馈变量(230)；获取反馈控制变量(240)；和基于前馈变量和反馈控制变量的组合来确定控制变量(250)。

Description

多变量前馈控制
相关申请的交叉引用
本非临时申请根据35 U.S.C.§119(e)来要求在2014年6月30日提交的题为“多变量前馈控制”美国临时专利申请No.62/019268的优先权，其通过引用而整体并入本文中。
技术领域
在本发明中说明的技术大体涉及燃气涡轮发动机，且更具体而言涉及用于飞机的燃气涡轮发动机的控制。
背景技术
对于目前的涡扇发动机，压力比用作控制参数以获得最优性能和操作性。然而，通过使用反馈回路的多变量或多输入、多输出(MIMO)系统来追踪压力比可能会导致非期望的误差水平，从而限制控制系统的性能，尤其是在快速瞬变情况下。减轻追踪误差的影响的方案通常包括额外的逻辑和启发式处理，这些处理在瞬变操作期间扩充基本反馈系统。即，传统的追踪系统以基于测量基准变化多少的额外的控制方案来重载MIMO反馈模型，以解决底层系统的基本错误表征。基本上，用于涡轮发动机的控制系统目前的解决方案承认反馈多变量系统的缺陷，但没有直接地解决该问题。
因此，期望开发一种用于燃气涡轮发动机的控制系统，其对于小或大瞬变工况二者一贯地追踪输入和输出变量状态。
发明内容
一种在瞬变工况中追踪燃气涡轮发动机的变量状态的方法包括：获取代表转子速率和压力比的输入数据；基于输入数据来计算基准瞬变计划轨迹；基于输入数据来计算速度基准瞬变计划轨迹；基于基准瞬变计划轨迹来计算前馈变量；获取反馈控制变量；和基于前馈变量和反馈控制变量的组合来确定控制变量。
附图说明
通过参照结合附图作出的下列描述，可最好地理解在本文中说明的技术，在附图中：
图1是示范燃气涡轮发动机的示意图。
图2示出根据实施例的多变量前馈控制系统的框图。
图3是利用图2的多变量前馈控制系统追踪喷气发动机的变量状态的方法的流程图。
部件列表
10 燃气涡轮发动机
12 核心发动机区段
14 风扇区段
15 纵向轴线
16 管状外壳体
18 核心发动机进口
20 增压器
22 压缩机
24 燃烧器
26 涡轮
28 驱动轴
29 激励器
30 涡轮
32 驱动轴
34 排气喷嘴
36 风扇转子
38 风扇壳体
39 下游区段
40 支撑支柱
42 导叶
44 风扇转子叶片
46 空气流管道
100 前馈加反馈控制系统
110 第一输入(压力比)
112 第二输入
116 转子加速度计划
118 转子加速度
120 瞬变功率管理计划TR
122 积分器
124 前馈
126 加法器
128 多变量反馈控制回路动态调谐
130 动态整形
132 K1
134 K2
136 d(x)
138 积分器
140 干扰模型
142 设备动态模型
144 传感器输出
146 Y ctrl
200 反馈前馈控制的方法
210 获取输入数据
220 计算压力比
230 获取前馈变量
240 获取反馈控制变量
250 确定控制变量。
具体实施方式
在背景技术和以下的描述中，为了说明，阐述许多具体细节以提供在本文中说明的技术的透彻的理解。然而，对本领域技术人员而言将是显而易见的是，可在没有这些具体细节的情况下实践这些示范实施方式。在其他实例中，以图表方式示出结构和设备，以有助于示范实施方式的说明。
参照附图说明示范实施例。这些附图示出了特定实施例的某些细节，这些细节可能实现模块或方法，或包括一个或多个计算机程序产品。然而，附图不应被解释为加以可存在于图中的任何限制。该方法和任何计算机程序产品可提供在任何机器可读的介质上，以用于实现它们的操作。实施例可采用现存的计算机处理器，或者通过为了此目的或另一目的而包括的专用计算机处理器，或者通过硬连线系统来实现。
如之前提到的，在本文中描述的实施例可包括或采用计算机程序产品，包括用于承载或具有储存在其上的机器可执行指令或数据结构的机器可读介质。此种机器可读介质可为任何可用的介质，其可通过通用或专用计算机或具有处理器的其他机器来访问存取。举例来说，此种机器可读介质可包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘储存器、磁盘储存器或者其他磁性储存设备，或可用来承载或储存处于机器可执行指令或数据结构形式的期望的程序代码且可通过通用或专用计算机或具有处理器的其他机器访问的任何介质。当信息通过网络或另一通讯连接(硬连线、无线、或者硬连线或无线的组合中的任一种)转移或提供至机器时，该机器将该连接适当地视为机器可读介质。因此，任何此种连接适当地称为机器可读介质。以上的组合也包括在机器可读介质的范畴之内。机器可执行指令例如包括指令和数据，它们导致通用计算机、专用计算机、或者专用处理机器来执行某功能或功能的组合。
将在方法步骤的一般情境下描述实施例，这些方法步骤在一个实施例中可通过程序产品来实现，程序产品包括例如处于由联网环境中的机器执行的程序模块的形式的机器可执行指令(诸如程序代码)。一般而言，程序模块包括例程、程序、对象、组件、数据结构等，它们具有执行特定任务或实现特定抽象数据类型的技术效果。机器可执行指令、相关数据结构和程序模块代表用于执行在本文中公开的方法的步骤的程序代码的例子。此种可执行指令或者相关数据结构的特定顺序代表用于实现在此种步骤中描述的功能的对应动作的例子。
实施例可在使用对具有处理器的一个或者更多个远程计算机的逻辑连接的联网环境中实践。逻辑连接可包括作为实例而非限制在此提出的局域网(LAN)和广域网(WAN)。此种联网环境在办公室范围或企业范围的计算机网络、内部网和因特网中很普遍，且可以使用各种不同的通信协议。本领域技术人员将理解，此种联网计算环境通常将涵盖许多类型的计算机系统构造，包括个人计算机、手提式设备、多处理器系统、基于微处理器的或可编程的消费电子产品、网络PC、小型计算机、大型计算机等。
实施例也可在分布式计算环境中实践，在该环境中，任务由通过通信网络联接(通过硬连线联接、无线联接、或通过硬连线或无线联接的组合中的任一种)的本地和远程处理设备执行。在分布式计算环境中，程序模块可位于本地和远程存储器储存设备两者之中。
用于实现示范实施例的全部或部分的示范系统可包括处于计算机形式的通用计算设备，包括处理单元、系统存储器、和系统总线，系统总线将包括系统存储器的各种系统组件联接到处理单元。该系统存储器可包括只读存储器(ROM)和随机访问存储器(RAM)。计算机也可包括用于从磁性硬盘读取和对其写入的磁性硬盘驱动器、用于从可移除磁盘读取和对其写入的磁盘驱动器、和用于从可移除光盘(诸如CD-ROM或其他光学介质)读取和对其写入的光盘驱动器。这些驱动器和它们的相关机器可读介质提供了机器可执行指令、数据结构、程序模块和用于计算机的其他数据的非易失储存。
在实施例中公开的方法的技术效果包括改善的追踪性能同时维持集成的多变量反馈控制增益，从而当缓解大的瞬变时，消除用于控制系统的复杂和不稳定的启发式逻辑处理。其他益处包括加速度变化率和可操作性限制的高性能追踪，和改善在航空加油、运载工具接近操作或其他特殊任务例如短距离起飞和垂直降落(STOVL)中的改善的推力响应。商业优势包括节省研发成本的设计效率改善。
虽然本发明的实施例可在要求用于燃气涡轮发动机的控制系统的任何环境中实现，但多变量前馈控制系统当前构想为在喷气发动机环境中实现。燃气涡轮发动机可为涡扇发动机，诸如通常应用于现代商用和军用航空的General Electric GEnx或CF6系列发动机，或者其可为多种其他已知的燃气涡轮发动机，诸如涡轮螺旋桨或涡轮轴。燃气涡轮发动机还可具有后燃器，其在低压涡轮区下游燃烧额外量的燃料以增大排放气体的速率，并从而增大推力。
图1是示范燃气涡轮发动机10的示意图，其包括核心发动机区段12，核心发动机区段12沿纵向轴线15位于风扇区段14的轴向下游。核心发动机区段12包括大体管状的外壳体16，该管状的外壳体16限定环形核心发动机进口18且包封和支撑增压器20，增压器20用于将进入核心发动机区段12的空气的压力提升至第一压力水平。高压、多级、轴流式的压缩机22从增压器20接收加压空气，并进一步增大空气压力。加压空气流到燃烧器24，在此，燃料被注入加压空气流中，以提升加压空气的温度和能量水平。高能燃烧产物流到第一涡轮26，以用于通过第一驱动轴28驱动压缩机22，且然后流到第二涡轮30，以用于通过与第一驱动轴28同轴的第二驱动轴32驱动增压器20。在驱动涡轮26和30中的各个之后，燃烧产物通过被从核心发动机区段12引导穿过排气喷嘴34来提供推进喷射推力。
通过由环形风扇壳体38围绕，风扇区段14包括可旋转、轴流式的风扇转子36。风扇壳体38由多个基本上径向地延伸的、周向地间隔的支撑支柱40绕核心发动机区段12支撑。风扇壳体38由径向地延伸的出口导叶42支撑，且包封风扇转子36和多个风扇转子叶片44。风扇壳体38的下游区段39在核心发动机12的外部分上方延伸，以限定提供额外的推进喷射推力的次级或旁通空气流管道46。
瞬变数据证明控制变量之间的强耦合。压力比响应通常是非最小相，且因此其具有显著的非期望的降低，因为常规的MIMO设计基于以下假设：控制基准是独立变量。因此，为了控制使用仅反馈(feedback-only)控制系统的飞机的燃气涡轮发动机，系统必然通过提高控制带宽和减少或解耦控制基准来妥协稳定性和稳健性。耦合中的误差可生成大的建模误差(即，由于局部失配而引起的大瞬变)和动态逆(dynamic inversion)设计中的未建模动态。相反，发动机控制的直接前馈计算绕过带宽上的反馈限制，且基于预测的基准变化来指示效应器即刻移动(取决于效应器动态能力)。如果前馈计算中使用的偏微分(partial)接近实际发动机动态，则控制系统将使追踪误差最小化。
现在参考图2，示出了多变量前馈和反馈控制系统100的框图。控制系统100的输入110、112包括发动机特性的传感值，且可包括指示发动机的状态、可操作性或环境的观测的模拟或数字表示。例如，第一输入110可包括压力比110且第二输入112可包括环境压力P0和风扇之前的空气温度T2。根据在本文中描述的控制系统，第二输入112是转子加速度(Ndot)计划116的本地输入。即，P0和T2的当前值部分地决定转子加速度Ndot 118。以此方式，转子加速度计划116将复杂、非线性的系统要素(如转子加速度)分成范围有限的子系统的集合，使得控制器可通过在最近的定义的子系统(例如，用于P0、T2的值的组，和控制变量Yctrl146的传感器输出144等)之间内插来确定和控制转子加速度118。
转子加速度118与第一输入110(例如压力比)一起输入到瞬变功率管理计划TR120。在大瞬变Ndot控制的情况中，基于在大瞬变节流情况下用于第二输入(例如P0和T2)的所设计的计划以及120处的压力比基准瞬变计划来计算风扇和核心速率。转子加速度Ndot118被输入积分器122。积分器122计算转子速率的估值N，以形成速度计划轨迹。通过速度和压力比计划轨迹和正向预测，因此基于期望的轨迹来计算前馈(FF)124。例如，一个步骤一阶预测得到以下方程：
其中vff是基于压力比轨迹yd的计算的前馈，λa是假设的时间常数，且Ts是采样时间。
FF 124处的前馈控制输出被输入到框F(s)130。功能框F(s)130提供来自FF 124的前馈输出控制的附加动态整形。
转子速率N在框126处与受控变量Yctrl146相加。126处的相加运算的输出被输入到框L(s)128。128处的功能框L(s)是多变量反馈控制回路动态调谐。调谐控制回路调节控制参数，以使参数最优化来获得期望的控制响应。框L(s)和F(s)130的输出被输入到框139处的相加运算。
去往控制系统的输入110、112(例如压力比P0和T2)是MIMO输入，其通过动态逆而分别形成K1和K2矩阵132和134的MIMO增益。干扰抑制140作为受控效应器的偏离计划误差几何形状(offscheduling error geometry)的前馈控制而被引入，并形成Kd矩阵141的MIMO增益。即，干扰抑制削弱失控效应器的效果。增益矩阵在框138处合并，框138是对框142处的设备动态G(s)的输入。即，框142处的G(s)代表设备动态，包括循环模型和效应器模型。
结合前馈和反馈控制，具有压力比控制的离散化动态方程变为：
yff(k+1)-yff(k)+yfb(k+1)-yfb(k)
＝CA(x(k)-x(k-1))
+CBu[uff(k)-uff(k-1)+(ufb(k)-ufb(k-1))]
+(CBd+Dd)(d(k)-d(k-1))
其中响应y是前馈yff和反馈yfb和u(k)＝uff(k)+ufb(k)的所得的控制计算的组合。C、A、Bu分别是线性发动机速度、转矩和输入偏微分。Bd和Dd是开环计划效果器或其他建模干扰偏微分，且d(k)代表由开环计划效果器生成的干扰和其他建模干扰。
现在参看图3，示出了实现前馈和反馈控制系统的方法200。方法200在瞬变工况中追踪燃气涡轮发动机的变量状态。在操作时，处理器上的计算机程序可实现该方法。在步骤210处，处理器获得代表转子速率和压力比的输入数据。基于输入数据，处理器在步骤220处计算压力比基准瞬变计划轨迹。处理器可基于可得的输入和必要的输出来额外地计算出其他计划。例如，处理器可计算速度基准瞬变计划轨迹。然后处理器可在步骤230处基于速度基准瞬变计划轨迹和压力比瞬变计划轨迹来计算出前馈变量。处理器然后在步骤240处获得反馈控制变量，且在步骤250处基于前馈变量和反馈控制变量的多变量耦合组合来确定控制变量。
军用发动机通常要求高推力追踪性能(即带宽)以满足用于航空加油、运载工具接近或其他特殊任务(例如短距离起飞和垂直降落(STOVL))的操作要求。
在背景技术和前述说明中，为了说明，阐述许多具体细节以便提供在本文中说明的技术的透彻理解。然而，对本领域技术人员而言将是显而易见的是，可在没有这些具体细节的情况下实践示范实施例。在其他实例中，以图表方式示出结构和设备，以便有助于示范实施方式的说明。
参考附图说明示范实施例。这些附图例示出了特定实施例的实现在本文中描述的模块、方法、或者计算机程序产品的某些细节。然而，附图不应被解释为加以可存在于附图中的任何限制。方法和计算机程序产品可提供在任何机器可读介质上，以用于实现它们的操作。实施例可利用现存的计算机处理器，或者通过为了此目的或另一目的而包括的专用计算机处理器，或通过硬连线系统来实现。
如之前所提到的，在本文中描述的实施例可包括计算机程序产品，其包括机器可读介质，以用于承载或具有储存在其上的机器可执行指令或者数据结构。此种机器可读介质可为任何可用的介质，其可由通用或专用计算机或具有处理器的其他机器访问。举例来说，此种机器可读介质可包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘储存器、磁盘储存器或者其他磁性储存设备，或可用来承载或储存为机器可执行指令或数据结构的形式的期望程序代码且可由通用或专用计算机或具有处理器的其他机器访问的任何其他介质。当信息通过网络或另一通讯连接(硬连线、无线、或者硬连线或无线的结合中的任一种)被转移或提供给机器时，该机器将该连接适当地视为机器可读介质。因此，任何此种连接适当地称为机器可读介质。以上的组合也包括在机器可读介质的范畴之内。机器可执行指令例如包括指令和数据，其导致通用计算机、专用计算机、或者专用处理机器执行某功能或功能组。
将在方法步骤的一般情境下描述实施例，这些方法步骤可在一个实施例中通过程序产品执行，程序产品包括例如处于由联网环境中的机器执行的程序模块的形式的机器可执行指令(诸如程序代码)。一般而言，程序模块包括例程、程序、对象、组件、数据结构等，它们具有执行特定任务或实现特定抽象数据类型的技术效果。机器可执行指令、相关数据结构和程序模块代表用于执行在本文中公开的方法的步骤的程序代码的例子。此种可执行指令或相关数据结构的特定顺序代表用于实现在此种步骤中描述的功能的对应动作的例子。
实施例可在使用对具有处理器的一个或者更多个远程计算机的逻辑连接的联网环境中实现。逻辑连接可包括在此作为实例而非限制而提出的局域网(LAN)和广域网(WAN)。此种联网环境在办公室范围或企业范围的计算机网络、内部网和因特网中很常见，且可使用各种不同的通信协议。本领域技术人员将理解，此种联网计算环境通常将涵盖许多类型的计算机系统构造，包括个人计算机、手提式设备、多处理器系统、基于微处理器或可编程的消费电子产品、网络PC、小型计算机、大型计算机等。
实施例也可在分布式计算环境中实施，在分布式计算环境中，任务由通过通信网络(通过硬连线联接、无线联接、或者通过硬连线或无线联接的组合中的任一种)联接的本地和远程处理设备执行。在分布式计算环境中，程序模块可既位于本地存储器储存设备又位于远程存储器储存设备之中。
用于实现示范实施例的整体或部分的示范系统可包括处于计算机形式的通用计算设备，包括处理单元、系统存储器、和系统总线，系统总线将包括系统存储器的各种系统组件联接到处理单元。系统存储器可包括只读存储器(ROM)和随机访问存储器(RAM)。计算机也可包括用于从磁性硬盘读取和对其写入的磁性硬盘驱动器、用于从可移除磁盘读取和对其写入的磁盘驱动器、和用于从可移除光盘(诸如CD-ROM或其他光盘介质)读取和对其写入的光盘驱动器。这些驱动器和它们的相关机器可读介质提供了机器可执行指令、数据结构、程序模块和用于计算机的其他数据的非易失储存器。
本说明书利用实施例公开了本发明，包括最佳实施方式，且还使任何本领域技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何设备或者系统，和执行任何合并的方法。本发明的可申请专利的范围由权利要求书限定，并包括本领域技术人员想到的其他实施例。如果此种其他示例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果此种其他示例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则此种其他示例意图在权利要求的范围内。

Claims (5)

1.一种在瞬变工况中追踪燃气涡轮发动机的变量状态的方法(200)，包括：
获取代表转子速率和压力比的输入数据(210)；
基于所述输入数据来计算压力比基准瞬变计划轨迹(220)；
基于所述输入数据来计算速度基准瞬变计划轨迹；
基于所述速度基准瞬变计划轨迹和压力比瞬变计划轨迹来计算前馈变量(230)；
获取反馈控制变量(240)；和
基于所述前馈变量和所述反馈控制变量的多变量耦合组合来确定控制变量(250)；
其中，控制系统控制瞬变工况中的燃气涡轮发动机。
2.根据权利要求1所述的方法(200)，其特征在于，还包括干扰抑制的步骤。
3.根据权利要求1所述的方法(200)，其特征在于，获取输入数据的步骤包括代表压力和空气温度的数据。
4.根据权利要求3所述的方法(200)，其特征在于，用于计算所述速度基准瞬变计划轨迹的所述输入数据基于压力和空气温度。
5.根据权利要求1所述的方法(200)，其特征在于，还包括所述前馈变量的动态整形的步骤。
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