CN105775147B - 一种飞机进气道闭环流动控制装置和控制方法 - Google Patents

一种飞机进气道闭环流动控制装置和控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种飞机进气道闭环流动控制装置和控制方法，控制装置由微射流调压阀、信号处理器、实时控制器、压力传感器和脉动压力传感器组成，通过实时调节微射流的压力，实现对进气道流动的闭环流动控制。控制方法包含以下步骤：a. 判断压力传感器故障；b. 判断脉动压力传感器故障；c．计算无量纲反馈值；d. 计算控制目标值；e. 判断系统稳态和更新控制指令；f. 信号测量和处理；g．重复步骤a~f。本发明的飞机进气道闭环流动控制装置和控制方法，能够减少传感器使用数量、提高控制系统的可靠性和可维护性、降低控制系统对飞行状态的敏感度，有利于简化控制律设计并提升控制效果。

Description

一种飞机进气道闭环流动控制装置和控制方法
技术领域
本发明属于喷气式飞机推进系统领域，具体涉及一种飞机进气道闭环流动控制装置和方法。
背景技术
喷气式飞机进气道的主要作用是为发动机提供总压损失小、流场畸变小和流场脉动弱的气流。进气道的气动性能对发动机推力、稳定性和耐久性有直接影响，进而影响到飞机的飞行性能。现代高隐身飞机普遍采用蛇形进气道，进气道的主要气动问题包括二次流动、分离流动及产生流动损失、畸变和脉动。利用流动控制技术减弱或抑制进气道的流动分离，可以显著提高进气道的气动性能。
现有的流动控制技术以被动方法为主，主要是在进气道内壁面安装扰流片，面临的问题是设计点单一、非设计点性能显著下降、扰流片疲劳破裂进而影响发动机安全。基于微射流的流动控制技术能够根据飞行状态进行闭环控制，能适应现代高性能隐身飞机宽广的飞行包线，达到最优控制。有关微射流的相关控制技术已在美国专利8894019B2、8303024B2、8225592B1、6837456B1上披露，但并未涉及进气道闭环流动控制应用。
美国曾提出一种基于微射流的闭环流动控制方法，其特征是：直接使用4个脉动压力均方根值计算有量纲的反馈值，使用单区PID控制律调节微射流压力，最终使反馈值与控制目标值的误差趋近于零。该控制方法主要存在以下两个问题。
1）通常，随着微射流压力的增大，脉动压力均方根值会不断减小，但是当微射流压力超过一个门限压力后，脉动压力均方根值会达到最小并且保持不变，直接使用脉动压力均方根值计算的反馈值也会达到最小并且保持不变。这个门限压力就是最佳微射流压力。当微射流压力超过门限压力后，控制系统达到的控制效果是一样的。此时，一旦控制系统存在超调，就会导致微射流稳定到高压力的状态，从而造成能量浪费。此外，有量纲的反馈值对飞行状态参数比较敏感，不利于机动状态下的控制律设计。试验表明，该方法在机动状态下的控制误差很大。
2）从系统可靠性角度看，该方法使用了四个脉动压力传感器，且未考虑冗余设计，因此系统可靠性不高。
发明内容
本发明要解决的一个技术问题是提供了一种飞机进气道闭环流动控制装置，本发明要解决的另一个技术问题是提供了一种飞机进气道闭环流动控制方法。
本发明的飞机进气道闭环流动控制装置，其特点是，包括包括微射流调压阀、信号处理器、实时控制器、第一传感器和脉动压力传感器。
微射流调压阀的进气端与发动机的引气口相连，出气端与微射流的稳压腔相连，稳压腔位于进气道的外表面上。
脉动压力传感器的数量为m，m≥2，安装在进气道的出口截面上，用于测量壁面不同位置处的脉动压力，得到脉动压力信号并输出至信号处理器；所述的第一传感器的数量为n，n≥2，安装在稳压腔的内壁面上，用于测量微射流的压力，得到微射流压力信号并输出至信号处理器。
信号处理器包括信号调理器、低通滤波器、带通滤波器和均方根计算器；第一传感器的微射流压力信号经信号调理器放大、低通滤波器低通滤波后输出至实时控制器的输入端；脉动压力传感器的脉动压力信号经信号调理器放大、带通滤波器带通滤波、均方根计算器计算均方根后，输出至实时控制器的输入端。
实时控制器包括输入端、输出端、处理器和存储器；输入端接收飞控系统发出的飞行状态参数、信号处理器发出的微射流压力信号和脉动压力均方根信号，并转化为数字信号；处理器读取输入端的数字信号，同时将数字信号保存在存储器中，处理器利用存储器中的第一传感器故障判断程序、脉动压力传感器故障判断程序、反馈计算程序、控制目标计算程序、稳态判断程序、分区PID控制程序计算控制指令并输出至输出端；输出端将控制指令的数字信号转换为模拟信号后输出至微射流调压阀。
信号处理器为每一个微射流压力信号和脉动压力信号各分派一个独立的处理通道。
飞行状态参数包括飞行速度、飞机姿态、飞行高度。
第一传感器每次使用1个，剩余的第一传感器为备份。
脉动压力传感器每次使用1~2个，剩余的脉动压力传感器为备份。
本发明的飞机进气道闭环流动控制方法，其特点是，包括以下步骤：
a. 判断第一传感器故障
实时控制器读取信号处理器输出的微射流压力信号，根据存储器中的第一传感器故障判断程序，判断当前使用的1个第一传感器是否故障；如果判断结果为否，继续使用该传感器，并取其测量的微射流压力值为P j ；如果判断结果为是，在剩余的n-1个第一传感器中选择1个工作正常的第一传感器，并取其测量的微射流压力值为P j ；如果所有的n个第一传感器均发生故障，则关闭控制系统。
b. 判断脉动压力传感器故障
实时控制器读取信号处理器输出的脉动压力均方根信号，根据存储器中的脉动压力传感器故障判断程序，判断当前使用的1个或2个脉动压力传感器是否故障；如果判断结果为否，则继续使用，并计算测量的脉动压力均方根值为Δp rmsi ，i=1或i=2；如果判断结果为是，在剩余的脉动压力传感器中重新选择工作正常的1个或2个脉动压力传感器，并计算测量的脉动压力均方根值为Δp rmsi ，i=1或i=2；如果所有的m个脉动压力传感器均发生故障，则关闭控制系统。
c．计算无量纲反馈值
实时控制器利用Δp rmsi 除以P j 得到无量纲的Δp rmsi /P j ，再根据使用的第一传感器编号、脉动压力传感器编号和数量、存储器中的反馈值计算程序，选择反馈值计算模型f，计算出表征控制效果的无量纲反馈值H res ：
当使用1个脉动压力传感器时，反馈值计算模型f为：
或
d. 计算控制目标值
实时控制器根据当前飞行状态参数、第一传感器编号、脉动压力传感器编号和数量、存储器中的控制目标计算程序和反馈值计算模型f，计算相对应的控制目标值H ref 。
e. 判断系统稳态和更新控制指令
实时控制器根据存储器中的稳态判断程序、H ref 和H res 的误差值，判断系统是否处于稳态；若判断结果为是，则维持当前的控制指令，否则根据分区PID控制程序计算控制指令；微射流调压阀根据控制指令调节微射流压力，进而影响进气道内分离涡的状态，使得进气道出口截面的脉动压力传感器的测量值发生变化。
f. 信号测量和处理
第一传感器和脉动压力传感器分别测量得到更新后的微射流压力信号和脉动压力信号，信号处理器将微射流压力信号和脉动压力信号处理后后输出至实时控制器，重复步骤a~f，直到停止闭环控制。
脉动压力均方根值的统计时间为0.5秒~1.0秒。
飞行状态参数达到稳态的稳态判断准则为：飞行状态参数在5分钟以内保持不变以及H ref 和H res 的相对误差在±5%以内。
本发明的飞机进气道闭环流动控制装置和控制方法具有以下优势：
（1）仅使用1~2个脉动压力传感器，系统发生故障的概率得到降低，且对第一传感器和脉动压力传感器进行了备份，在部分第一传感器和脉动压力传感器发生故障后仍能够确保控制系统正常工作；
（2）在装置中增加了第一传感器，并利用微射流压力计算无量纲的反馈值，不仅有利于降低控制系统对飞行状态参数的敏感度，还能够确保反馈值随着微射流压力的增大而单调减小，使得控制系统即便在超调状态下也能够精确稳定到最佳控制点，不会造成过多的能量浪费；
（3）使用微射流压力计算无量纲的反馈值，使得反馈值的变化范围较大，从而导致控制误差变化范围大，对控制系统的控制精度影响较大。采用分区PID控制，即在不同误差带设置不同的PID控制参数（包括比例增益、积分增益和微分增益），可解决控制误差变化范围大的问题，提高控制系统的控制精度，特别是改善了机动状态下的控制性能；
（4）在飞机和发动机参数长时间不发生变化且控制系统处于稳态时，主动将控制指令保持恒定，避免微射流调压阀进行频繁的微小调节，从而减小微射流调压阀的故障概率，提高使用寿命。
经过地面试验表明，本发明的飞机进气道闭环流动控制装置和控制方法，在水平面状态下，能够在给定一组分区PID控制参数和一个控制目标值的情况下，实现任意变马赫数工况下的闭环控制，确保进气道性能始终处于较好状态。
附图说明
图1为飞机推进系统剖面图；
图2为本发明的飞机进气道闭环流动控制装置的结构图；
图3为本发明的飞机进气道闭环流动控制方法的流程图；
图中，11.进气道 12.发动机 13.分离涡 14. 喷管 21.调压阀 22.稳压腔 23.微射流 24.第一传感器 25.脉动压力传感器 3.信号处理器 4.实时控制器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
实施例1
如图1、图2所示，本发明的飞机进气道闭环流动控制装置，包括微射流调压阀21、信号处理器3、实时控制器4、第一传感器24和脉动压力传感器25。
微射流调压阀21的进气端与发动机12的引气口相连，出气端与微射流23的稳压腔22相连。稳压腔22位于进气道11的外表面上，共布置了十八路微射流。
脉动压力传感器25共4个，安装在进气道11的出口截面上（从左至右依次编号1~4），测量壁面的脉动压力，得到脉动压力信号并输出至信号处理器3。第一传感器24共2个，分别安装在稳压腔22的左侧和右侧，测量微射流23的压力，得到微射流压力信号并输出至信号处理器3。
信号处理器3包括信号调理器、低通滤波器、带通滤波器和均方根计算器。第一传感器24的微射流压力信号经信号调理器放大、低通滤波器低通滤波后输出至实时控制器4的输入端。脉动压力传感器25的脉动压力信号经信号调理器放大、带通滤波器带通滤波、均方根计算器计算均方根后，输出至实时控制器4的输入端。信号处理器3为每一个微射流压力信号和脉动压力信号各分派一个独立的处理通道。对于本实施例共有6个信号调理器、2个低通滤波器、4个带通滤波器和4个均方根计算器。
实时控制器4包括输入端、输出端、处理器和存储器。输入端接收飞控系统发出的飞机状态参数、信号处理器3发出的微射流压力信号和脉动压力均方根信号，并转化为数字信号。飞机状态参数包括飞行速度、飞机姿态、飞行高度。处理器读取输入端的数字信号并保存在存储器中，处理器读取存储器中的第一传感器故障判断程序、脉动压力传感器故障判断程序、反馈计算程序、控制目标计算程序、稳态判断程序、分区PID控制程序，计算控制指令并输出至输出端。输出端将控制指令的数字信号转换为模拟信号后输出至微射流调压阀21。
系统初始设定使用左侧的第一传感器24和1号脉动压力传感器25，其余均为备份。与该组合相对应的反馈值计算模型为：
在闭环控制系统打开后，工作步骤如图3所示，具体如下：
a. 判断第一传感器24故障
实时控制器4读取信号处理器3输出的微射流压力信号，根据存储器中的第一传感器故障判断程序，判断当前使用的第一传感器24是否故障；如果判断结果为否，继续使用该第一传感器24，并取其测量的微射流压力值为Pj；如果判断结果为是，判断剩余的第一传感器24是否正常，如果判断结果为是，则取其测量的微射流压力值为P j ；如果2个第一传感器24均发生故障，则停止闭环控制。
b. 判断脉动压力传感器25故障
实时控制器4读取信号处理器3输出的脉动压力均方根信号，根据存储器中的脉动压力传感器故障判断程序，判断当前使用的1号脉动压力传感器25是否故障；如果判断结果为否，则继续使用，并计算测量的脉动压力均方根值为Δp rms1 ；如果判断结果为是，在剩余的脉动压力传感器25中重新选择工作正常的1个或2个脉动压力传感器25，并计算测量的脉动压力均方根值为Δp rmsi ，i=1或i=2；如果所有的4个脉动压力传感器25均发生故障，则停止闭环控制。
c．计算无量纲反馈值；
实时控制器4利用Δp rmsi 除以P j 得到无量纲的Δp rmsi /P j （i=1或i=2，与步骤b确定的脉动压力传感器25数量一致），再根据使用的第一传感器24编号、脉动压力传感器25编号和数量、存储器中的反馈值计算程序，计算出表征控制效果的无量纲反馈值H res ：
如果在步骤a和b中当前使用的第一传感器24和脉动压力传感器25工作正常，则继续使用以下反馈值计算模型：
此处计算结果为H res =20。如果在步骤a和b中更换了第一传感器24或者脉动压力传感器25，则根据需要更换反馈值计算模型。
d. 计算控制目标值；
实时控制器4根据当前飞行状态参数、第一传感器24编号、脉动压力传感器25编号和数量、存储器中的控制目标计算程序和反馈值计算模型f，计算出当前对应的控制目标值为：H ref =0.7。
e. 判断系统稳态和更新控制指令
实时控制器4根据存储器中的稳态判断程序、H ref 和H res 的误差值，判断系统是否处于稳态，判断准则是：飞行状态参数在5分钟以内保持不变以及H ref 和H res 的相对误差在±5%以内。若判断结果为是，则维持当前的控制指令，否则根据分区PID控制程序计算控制指令：
① 当H ref 和H res 的绝对误差大于0.4时：kp=−0.03，ki=−0.02，kd=0.1；
② 其它：kp=−0.09，ki=−0.08，kd=0.1。
其中，kp 、ki和kd分别为PID控制器的比例增益、积分增益和微分增益。
微射流调压阀21根据控制指令调节微射流压力，进而影响进气道11的流动状态，使得脉动压力传感器25的测量值发生变化。
f. 信号测量和处理
第一传感器24和脉动压力传感器25分别测量微射流压力信号和脉动压力信号，发送至信号处理器进行处理，重复步骤a~f，直至停止闭环控制。
地面试验中发现，如果直接通过H res =Δp rms1计算有量纲的反馈值时，H res 随P j 并不是单调变化，而是在达到最佳微射流压力后呈水平变化，此时系统很难稳定到最佳微射流压力点。而使用H res =Δp rms1/P j 计算无量纲反馈值时，H res 随P j 单调递减，意味着每给定一个控制目标值H ref ，有且仅有一个控制点与之对应，因此系统很容易稳定到最佳微射流压力点，从而能极大地改善系统的控制性能。
地面试验中还发现，使用H res =Δp rms1/P j 计算无量纲反馈值时，不同速度下的控制目标值H ref 具有一个叠加的区间，从而可以在不同速度下设置一个相等的控制目标值H ref ，这就简化了变速度工况下的控制律设计。该反馈值计算模型导致H res 的变化范围很大，因此引入了分区PID控制律，确保在不同误差带时控制系统具有更好的控制性能。地面试验表明，分区PID控制较单区PID控制误差降低了70%，在任意加、减速工况下达到了很好的控制效果。
实施例2
实施例2与实施例1基本一致，主要区别在于，脉动压力均方根值的统计时间为0.8s；在步骤a中，实时控制器4发现左侧的第一传感器24发生故障，因此使用右侧的第一传感器24替代。由于左侧的第一传感器24与右侧的第一传感器24所测的微射流压力值相等，因此其它步骤不变。
实施例3
实施例3与实施例1基本一致，主要区别在于，脉动压力均方根值的统计时间为1s；在步骤b中，实时控制器4发现1号脉动压力传感器25故障，因此使用2号脉动压力传感器25替代；在步骤c中使用的反馈值计算模型与实施例1相同，计算结果为H res =20.8；在步骤d中，因为使用了2号脉动压力传感器25，对应的控制目标值变为H ref =0.82；在步骤e中，分区PID控制律变为：
① 当H ref 和H res 的绝对误差大于0.5时：kp=−0.03，ki=−0.02，kd=0.1；
② 其它：kp=−0.09，ki=−0.08，kd=0.3。
实施例4
实施例4与实施例1基本一致，主要区别在于，使用以下非线性的反馈值计算模型：
计算结果为H res =4.47；在步骤d中，对应的控制目标值变为H ref =0.84；在步骤e中，分区PID控制律为：
① 当H ref 和H res 的绝对误差大于0.5：kp=−0.4，ki=−0.55，kd=0.1；
② 其它：kp=−0.3，ki=−0.35，kd=0.1。
实施例5
实施例5与实施例3基本一致，主要区别在于，在步骤b中，发现1号脉动压力传感器25故障后，用2号和3号脉动压力传感器25替代；在步骤c中，反馈值计算模型变为：
计算结果为H res =2；在步骤d中，对应的控制目标值变为H ref =0.3；在步骤e中，采用三区PID控制律：
① 当H ref 和H res 的绝对误差大于0.5：kp=−0.2，ki=−0.25，kd=0.2；
② 当H ref 和H res 的绝对误差小于0.05：kp=−0.4，ki=−0.55，kd=0.1；
③ 其它：kp=−0.3，ki=−0.35，kd=0.1。

Claims (8)

1.一种飞机进气道闭环流动控制装置，其特征在于，所述的控制装置包括微射流调压阀（21）、信号处理器（3）、实时控制器（4）、第一传感器（24）和脉动压力传感器（25）；
所述的微射流调压阀（21）的进气端与发动机（12）的引气口相连，出气端与微射流（23）的稳压腔（22）相连，稳压腔（22）位于进气道（11）的外表面上；
所述的脉动压力传感器（25）的数量为m，m≥2，安装在进气道（11）的出口截面上，用于测量壁面不同位置处的脉动压力，得到脉动压力信号并输出至信号处理器（3）；所述的第一传感器（24）的数量为n，n≥2，安装在稳压腔（22）的内壁面上，用于测量微射流（23）的压力，得到微射流压力信号并输出至信号处理器（3）；
所述的信号处理器（3）包括信号调理器、低通滤波器、带通滤波器和均方根计算器；第一传感器（24）的微射流压力信号经信号调理器放大、低通滤波器低通滤波后输出至实时控制器（4）的输入端；脉动压力传感器（25）的脉动压力信号经信号调理器放大、带通滤波器带通滤波、均方根计算器计算均方根后，输出至实时控制器（4）的输入端；
所述的实时控制器（4）包括输入端、输出端、处理器和存储器；输入端接收飞控系统发出的飞行状态参数、信号处理器（3）发出的微射流压力信号和脉动压力均方根信号，并转化为数字信号；处理器读取输入端的数字信号，同时将数字信号保存在存储器中，处理器利用存储器中的压力传感器故障判断程序、脉动压力传感器故障判断程序、反馈计算程序、控制目标计算程序、稳态判断程序、分区PID控制程序计算控制指令并输出至输出端；输出端将控制指令的数字信号转换为模拟信号后输出至微射流调压阀（21）。
2.根据权利要求1所述的飞机进气道闭环流动控制装置，其特征在于，所述的信号处理器（3）为每一个微射流压力信号和脉动压力信号各分派一个独立的处理通道。
3.根据权利要求1所述的飞机进气道闭环流动控制装置，其特征在于，所述的飞行状态参数包括飞行速度、飞机姿态、飞行高度。
4.根据权利要求1所述的飞机进气道闭环流动控制装置，其特征在于，所述的第一传感器（24）每次使用1个，剩余的第一传感器（24）为备份。
5.根据权利要求1所述的飞机进气道闭环流动控制装置，其特征在于，所述的脉动压力传感器（25）每次使用1个~2个，剩余的脉动压力传感器（25）为备份。
6.一种飞机进气道闭环流动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
a. 判断第一传感器（24）是否存在故障；
实时控制器（4）读取信号处理器（3）输出的微射流压力信号，根据存储器中的第一传感器故障判断程序，判断当前使用的1个第一传感器（24）是否存在故障；如果判断结果为否，继续使用并取其测量的微射流压力值为P j ；如果判断结果为是，在剩余的n-1个第一传感器（24）中选择1个工作正常的第一传感器（24），并取其测量的微射流压力值为P j ；如果所有的n个第一传感器（24）均发生故障，则关闭控制系统；
b. 判断脉动压力传感器（25）是否存在故障；
实时控制器（4）读取信号处理器（3）输出的脉动压力均方根信号，根据存储器中的脉动压力传感器故障判断程序，判断当前使用的1个或2个脉动压力传感器（25）是否存在故障；如果判断结果为否，则继续使用，并计算测量的脉动压力均方根值为Δp rmsi ，i=1或i=2；如果判断结果为是，在剩余的脉动压力传感器（25）中重新选择工作正常的1个或2个脉动压力传感器（25），并计算测量的脉动压力均方根值为Δp rmsi ，i=1或i=2；如果所有的m个脉动压力传感器（25）均发生故障，则关闭控制系统；
c．计算无量纲反馈值；
实时控制器（4）利用Δp rmsi 除以P j 得到无量纲的Δp rmsi /P j ，再根据使用的第一传感器（24）编号、脉动压力传感器（25）编号和数量、存储器中的反馈值计算程序，选择反馈值计算模型f，计算出表征控制效果的无量纲反馈值H res ：
当使用1个脉动压力传感器（25）时，反馈值计算模型f为：
或
d. 计算控制目标值；
实时控制器（4）根据当前飞行状态参数、第一传感器（24）编号、脉动压力传感器（25）编号和数量、存储器中的控制目标计算程序和反馈值计算模型f，计算相对应的控制目标值H ref ；
e. 判断系统稳态和更新控制指令；
实时控制器（4）根据存储器中的稳态判断程序、H ref 和H res 的误差值，判断系统是否处于稳态；若判断结果为是，则维持当前的控制指令，否则根据分区PID控制程序计算控制指令；微射流调压阀（21）根据控制指令调节微射流压力，进而影响进气道（11）的流动状态，使得进气道（11）出口截面的脉动压力传感器（25）的测量值发生变化；
f. 信号测量和处理；
第一传感器（24）和脉动压力传感器（25）分别测量微射流压力信号和脉动压力信号，信号处理器将微射流压力信号和脉动压力信号处理后输出至实时控制器（4），重复步骤a~f，直到停止闭环控制。
7.根据权利要求6所述的飞机进气道闭环流动控制方法，其特征在于，所述的脉动压力均方根值的统计时间为0.5秒~1.0秒。
8.根据权利要求6所述的飞机进气道闭环流动控制方法，其特征在于，所述的飞行状态参数达到稳态的稳态判断准则为：飞行状态参数在5分钟以内保持不变以及H ref 和H res 的相对误差在±5%以内。
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