CN106762159A - 一种高压压气机可调叶片角度的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压压气机可调叶片角度的控制方法，包括步骤一：通过控制系统采集所需参数，所述所需参数包括油门杆角度PLA、高压转子相对转速n₂、发动机进口总温T₁及压气机进口总温T₂₅；步骤二：通过步骤一中采集的所需参数计算高压可调叶片角度VSV的控制输入量；步骤三：通过步骤二中计算得到的控制输入量按一定算法得到高压可调叶片角度VSV的控制量；步骤四：根据相应参数的VSV控制量综合得到高压可调叶片角度VSV的控制策略。本发明的控制方法可保证发动机受到扰动时VSV摆动量在可接受范围内，以及可保证发动机加速性要求，避免了发动机减速到稳态退出预偏关状态时带来的扰动。

Description

一种高压压气机可调叶片角度的控制方法

技术领域

本发明属于航空发动机设计领域，尤其涉及一种高压压气机可调叶片角度的控制方法。

背景技术

航空发动机高压压气机可调静子叶片角度(简称VSV)关系到发动机性能、稳定性及加速性。当发动机工作在稳态时，合适的VSV在保证发动机推力满足要求的同时也可保证较高的压气机效率和稳定裕度。当发动机在过渡态工作时，若VSV偏关可保证发动机稳定工作，但若发动机加速时VSV偏开，又可缩短发动机加速时间。因此在设计VSV控制方法时应根据发动机具体工作特性进行设计。

目前发动机VSV控制有两种：(1)根据高压相对换算转速n_2R控制；(2)根据高压相对换算转速n_2R和压气机相对换算转速n_2R25相结合的控制方法。对于第1种控制方法一般用在采用机械液压控制系统的发动机上。目前采用数控系统的发动机多采用第2种控制方法，该方法不仅能够保证发动机过渡态工作时的稳定性，也能够充分发挥发动机的稳态性能。例如，发动机在加速时，一般采用n_2R控制VSV，此时VSV偏关，能够保证发动机的稳定性；当发动机加速到目标状态并趋于稳态时，VSV切换成n_2R25控制，此时VSV与压气机达到最优匹配(一般比按n2R控制的角度偏开)，这样便可充分发挥发动机性能。

目前VSV控制方法中具有如下的缺点：

对于上述第1种控制方法，缺点是压气机工作点可能达不到设计状态，进而无法充分发挥发动机的稳态性能。此外当发动机喷口面积变化时，会造成压气机相对换算转速n_2R25突变，可能会导致VSV相对于压气机工作状态偏开而使得裕度降低。

对于上述第2种控制方法，缺点是VSV在n_2R和n_2R25之间切换控制或接通加力时容易造成发动机参数摆动，使得发动机工作不稳定。在设计切换控制算法时，为保证发动机工作稳定，切换控制时间一般设置在5s以上，在此情况下若切换前与切换后的VSV角度偏差很大，则会导致发动机加速时间长。

在发动机减速过程中，为了保证发动机工作稳定，需对VSV进行预偏关(又称“超前控制”)，但当发动机减速到目标转速后VSV会瞬间退出预偏关状态，即角度瞬间偏开，导致发动机参数波动，容易造成发动机工作不稳定。

发明内容

本发明的目的是提供高压压气机可调叶片角度的控制方法，采用n_2R和n_2R25相结合的VSV控制方法，着重解决n_2R和n_2R25之间切换控制或接通加力时参数摆动问题，保证发动机加速时间满足要求，或解决发动机减速过程VSV退出预偏关状态时参数摆动问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高压压气机可调叶片角度的控制方法，包括

步骤一：通过控制系统采集所需参数，所述所需参数包括油门杆角度PLA、高压转子相对转速n₂、发动机进口总温T₁及压气机进口总温T₂₅；

步骤二：通过步骤一中采集的所需参数计算高压可调叶片角度VSV的控制输入量；

步骤三：通过步骤二中计算得到的控制输入量按一定算法得到高压可调叶片角度VSV的控制量；

步骤四：根据相应参数的VSV控制量综合得到高压可调叶片角度VSV的控制策略。

进一步地，所述控制输入量包括

高压相对换算转速n_2R，n_2R＝n₂×(288.15/T₁)^0.5；

压气机相对换算转速n_2R25，n_2R25＝n_2R×(T_25d/T₂₅)^0.5，其中T_25d为发动机设计状态下的发动机进口总温T₂₅；

高压相对换算转速给定量n_2RDEM，n_2RDEM＝n_2DEM×(288.15/T₁)^0.5，其中n_2DEM为高压转子相对转速的给定控制量；

以及发动机目标状态与实测状态的差dn₂。

进一步地，所述发动机目标状态与实测状态的差dn₂的计算方法为：

通过油门角度PLA和发动机进口总温T₁可计算计算得到低压转子相对转速给定控制量n_1DEM、高压转子相对转速给定控制量n_2DEM、低压涡轮出口总温给定控制量T_6DEM、压气机出口压力给定控制量P_31DEM，

n_2DEM＝min(max(f(PLA)，n_2MC)，n_2ZJ)

上述式子所表达的含义是：发动机目标转速与PLA有函数关系，即n_2DEM＝f(_PLA)，但根据f(_PLA)得到的n_2DEM不能低于慢车转速n_2MC，不能高于中间转速n_2ZJ或最大状态的控制值；

根据实测的低压转子相对转速n₁、高压转子相对转速n₂、低压涡轮出口总温T₆、压气机出口压力P₃₁计算得到各个参数的目标状态与实测状态的差dn₁、dn₂、dT₆和dP₃₁，其中dn₁＝n_1DEM-n₁、dn₂＝n_2DEM-n₂、dT₆＝(T_6DEM-T₆)×100/T_6DEM(％)、dP₃₁＝(P_31DEM-P₃₁)×100/P_31DEM(％)，最终

dn₂为：dn₂＝min(dn₁、dn₂、dT₆、dP₃₁)

上述式子所要表达的含义为：dn₂为发动机实际状态与目标状态的偏差，该偏差由dn₁、dn₂、dT₆和dP₃₁中的最小值表示。

进一步地，所述高压可调叶片角度VSV的控制量包括

VSV_n_2R——根据n_2R得到的VSV控制值，即VSV_n_2R＝fn_2R(n_2R，|dn₂|)，上述式子的含义为：根据已有n_2R和VSV控制规律及所求n_2R和dn₂的绝对值得到VSV_n_2R，当x＜∣dn₂∣＜y时，则采用n_2R和dn₂插值计算得到VSV_n_2R；

VSV_n_2RDEM——根据n_2RDEM得到的VSV控制值，即VSV_n_2RDEM＝fn_2R(n_2RDEM，0)，上述式子的含义为：提前计算出当n_2R达到目标转速时的VSV值；

VSV__上限和VSV__下限——根据n_2R等到VSV__上限和VSV__下限，即VSV__上限＝f_上限(n_2R)，VSV__下限＝f_下限(n_2R)，VSV__上限，和VSV__下限用来限制VSV_n_2R25。

VSV_n_2R25——根据n_2R25得到的VSV控制值，即VSV_n_2R25＝min(max(fn_2R25(n_2R25)，VSV__下限)，VSV__上限)，其中VSV__下限为VSV_n_2R25的下限值，VSV__上限为VSV_n_2R25的上限值，上述式子的含义为：VSV_n_2R25不大于VSV__上限，不能小于VSV_n_2R25。

进一步地，可调叶片角度VSV最终的给定值VSV_DEM采用VSV_n_2R与VSV_n_2R25相融合的控制算法计算求得。

本发明的高压压气机可调叶片角度的控制方法的优点有：

1)本发明提出的n_2R和n_2R25相结合的可调静子叶片角度的控制方法，本发明的方法通过采用n_2R限制根据n_2R25得到的VSV值，保证了发动机受到扰动时VSV的摆动量在可接受的范围内；

2)本发明提出的一种基于发动机状态偏差的n_2R-VSV控制规律，使得发动机在过渡过程VSV_n_2R偏关，保证发动机稳定工作，发动机稳态时VSV_n_2R预偏开，使之与VSV_n_2R25接近，保证了发动机的加速性要求；

3)本发明提出的发动机减速过程VSV预偏关算法，在发动机减速时VSV偏关一定角度，但不能超过目标转速下的VSV值，避免了发动机减速到稳态退出预偏关状态时带来的扰动。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1为本发明一实施例的n_2R—VSV控制规律图。

图2为本发明一实施例的n_2R25—VSV控制规律图。

图3为本发明一实施例的VSV限制值规律图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

参数说明：

PLA——油门杆角度，控制系统可根据油门杆角度计算dn₂；

n₁——低压转子相对转速，单位为％；

n₂——高压转子相对转速，单位为％；

T₁——发动机进口总温，单位为K；

T₆——低压涡轮出口总温，单位为K；

T₂₅——压气机进口总温，单位为K；

P₃₁——压气机出口压力；

n_2R——高压相对换算转速，n_2R＝n₂×(288.15/T₁)^0.5，单位为％；

n_2R25——压气机相对换算转速，n_2R25＝n₂×(T_25d/T₂₅)^0.5，单位为％，T_25d为发动机设计状态下的压气机进口总温T₂₅；

n_1DEM——低压转子相对转速的给定控制量；

n_2DEM——高压转子相对转速的给定控制量；

T_6DEM——低压涡轮出口总温的给定控制量；

P_31DEM——压气机出口压力的给定控制量；

n_2RDEM——高压相对换算转速的给定控制量，n_2RDEM＝n_2DEM×(288.15/T₁)⁰.⁵，单位为％；

VSV——高压可调导叶角度；

VSV_n_2R——根据n_2R得到的VSV控制值，VSV_n_2R＝fn_2R(n_2R，dn₂)，上述式子含义为：根据已有n_2R和VSV控制规律及所求n_2R和dn₂的绝对值得到VSV_n_2R；

VSV_n_2RDEM——根据n_2RDEM得到的VSV控制值，VSV_n_2RDEM＝fn_2R(n_2RDEM，0)，上述式子含义为：提前计算出当n_2R达到目标转速时的VSV值；

VSV_n_2R25——根据n_2R25得到的VSV控制值，VSV_n_2R25＝min(max(fn_2R25(n_2R25)，VSV__下限)，VSV__上限)，其中VSV__下限为VSV_n_2R25的下限值，VSV__上限为VSV_n_2R25的上限值，上述式子的含义为：VSV_n_2R25不大于VSV__上限，不能小于VSV_n_2R25；

dn2——发动机目标状态与实测状态的差，单位为％。

以上，相关参数角标为DEM表示给定控制量(或给定值)，VSV的角标为其相应参数的VSV控制值。

在本发明的实施例中，发动机目标状态与实测状态的差值dn₂的计算方法如下：

首先控制系统可通过油门角度PLA和发动机进口总温T₁可计算计算得到n_1DEM、n_2DEM、T_6DEM、P_31DEM。n_2DEM为发动机的目标转速：

n_2DEM＝min(max(f(PLA)，n_2MC)，n_2ZJ)

上述式子所表达的含义是：发动机目标转速与PLA有函数关系，即n_2DEM＝f(PLA)，但根据f(PLA)得到的n_2DEM不能低于慢车转速n_2MC，不能高于中间转速n_2ZJ或最大状态的控制值。

控制系统根据实测的n₁、n₂、T₆、P₃₁计算得到dn₁、dn₂、dT₆、dP₃₁。

dn₁＝n_1DEM-n₁、dn₂＝n_2DEM-n₂、dT₆＝(T_6DEM-T₆)×100/T_6DEM(％)、dP₃₁＝(P_31DEM-P₃₁)×100/P_31DEM(％)。

最终dn₂为：dn₂＝min(dn₁、dn₂、dT₆、dP₃₁)

上述式子所表达的含义是：dn₂为发动机实际状态与目标状态的偏差，该偏差由dn₁、dn₂、dT₆和dP₃₁中的最小值表示。

图1至图3为本发明一实施例给出的VSV控制规律和限制值规律，其中图1为n_2R-VSV控制规律，图2为n_2R25-VSV控制规律，图3为VSV限制值规律。

之后，根据图1及n_2R和dn₂的绝对值可得到VSV_n_2R，即

VSV_n_2R＝fn_2R(n_2R，|dn₂|)

上述式子所表达的含义是：根据已有n_2R和VSV控制规律及所求n_2R和dn₂的绝对值得到VSV_n_2R，在本实施例中，若2％＜|dn₂|＜4％时，则采用图1中两条曲线进行二维差值得到VSV_n_2R；根据n_2RDEM和图1得到VSV_n_2RDEM。

n_2R25通过惯性环节滤波，a为可调参数，可调范围为0.1～2，在本实施例中a暂定取0.7。滤波后的n_2R25根据fn_2R25(n_2R25)(参见图2)可得到VSV_n_2R25，VSV_n_2R25的值还需根据VSV的上下限进一步确定。

根据图3和n_2R可得到VSV__上限、VSV__下限。

最终VSV_n_2R25＝min(max(VSV_n_2R25，VSV__下限)，VSV__上限)。

上述式子所要表达的含义是：VSV_n_2R25不大于VSV__上限，不能小于VSV_n_2R25。

需要说明的是，图1～图3中给出的控制计划可根据需求进行调整，同时图1中给出的4％和2％也是可调整的。

VSV最终的给定值VSV_DEM采用VSV_n_2R与VSV_n_2R25相融合的控制算法，下面介绍其中一种方法：

对n_2R进行处理，A_n2R25＝n_2R×G₁(s)，其中(k为可调参数，可调范围为0.5～10，k暂定取1)，A_nHc25abs＝|A_nHc25|；

A_nH＝max(min(A_nHc25abs，A_{nH_up})，A_{nH_down})，其中A_{nH_up}＝3.5％，A_{nH_down}＝1％，这两个参数可调整。

W₁＝(A_nH-A_{nH_down})/(A_{nH_up}-A_{nH_down})，W₂在W₁基础上延迟1.5s(该时间可调整)。

W＝min(max(0，W₁+W₂)，1)；

则VSV给定值为：VSV_DEM＝W×VSV_n_2R+(1-W)×VSV_n_2R25；

若dn₂＜-5％，则VSV_DEM＝min(VSV_DEM+5.5，VSV_n_2RDEM)；若dn₂≥-2％(该参数可调)，VSV_DEM不变。

上述式子的含义是：当发动机进行减速时，实际的VSV_DEM要在原计算得到的VSV_DEM基础上增大5.5度，当不会超过目标转速所对应的角度值，当转速接近目标转速时，VSV_DEM不需要增大。

本发明中的VSV相关控制计划的设定策略原则是：

1)图1中|dn₂|≥4％的控制规律一般设计的较为偏关，目的是保证发动机过渡过程工作稳定；图2中的控制规律与压气机工作相匹配，一般较偏开；

2)发动机工作在稳态时，VSV按n_2R25控制，即VSV_n_2R25，此时据图1中|dn₂|≤2％规律线得到的VSV_n_2R值，需要保证0°＜VSV_n_2R-VSV_n_2R25≤1°；

3)发动机工作在稳态时，保证0°＞VSV_n_2R25-VSV__上限＞-1°、0°＜VSV_n_2R25-VSV__下限＜1°。

本发明的高压压气机可调叶片角度的控制方法的优点有：

1)本发明提出的n_2R和n_2R25相结合的可调静子叶片角度的控制方法，本发明的方法通过采用n_2R限制根据n_2R25得到的VSV值，保证了发动机受到扰动时VSV的摆动量在可接受的范围内；

2)本发明提出的一种基于发动机状态偏差的n_2R-VSV控制规律，使得发动机在过渡过程VSV_n_2R偏关，保证发动机稳定工作，发动机稳态时VSV_n_2R预偏开，使之与VSV_n_2R25接近，保证了发动机的加速性要求；

3)本发明提出的发动机减速过程VSV预偏关算法，在发动机减速时VSV偏关一定角度，但不能超过目标转速下的VSV值，避免了发动机减速到稳态退出预偏关状态时带来的扰动。

以上所述，仅为本发明的最优具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种高压压气机可调叶片角度的控制方法，其特征在于，包括

步骤一：通过控制系统采集所需参数，所述所需参数包括油门杆角度PLA、高压转子相对转速n₂、发动机进口总温T₁及压气机进口总温T₂₅；

步骤二：通过步骤一中采集的所需参数计算高压可调叶片角度VSV的控制输入量；

步骤三：通过步骤二中计算得到的控制输入量按一定算法得到高压可调叶片角度VSV的控制量；

步骤四：根据相应参数的VSV控制量综合得到高压可调叶片角度VSV的控制策略。

2.根据权利要求1所述的高压压气机可调叶片角度的控制方法，其特征在于，所述控制输入量包括

高压相对换算转速n_2R，n_2R＝n₂×(288.15/T₁)^0.5；

压气机相对换算转速n_2R25，n_2R25＝n_2R×(T_25d/T₂₅)^0.5，其中T_25d为发动机设计状态下的发动机进口总温T₂₅；

高压相对换算转速给定量n_2RDEM，n_2RDEM＝n_2DEM×(288.15/T₁)^0.5，其中n_2DEM为高压转子相对转速的给定控制量；

以及发动机目标状态与实测状态的差dn₂。

3.根据权利要求2所述的高压压气机可调叶片角度的控制方法，其特征在于，所述发动机目标状态与实测状态的差dn₂的计算方法为：

通过油门角度PLA和发动机进口总温T₁可计算计算得到低压转子相对转速给定控制量n_1DEM、高压转子相对转速给定控制量n_2DEM、低压涡轮出口总温给定控制量T_6DEM、压气机出口压力给定控制量P_31DEM，

n_2DEM＝min(max(f(PLA)，n_2MC)，n_2ZJ)

上述式子所表达的含义是：发动机目标转速与PLA有函数关系，即n_2DEM＝f(_PLA)，但根据f(_PLA)得到的n_2DEM不能低于慢车转速n_2MC，不能高于中间转速n_2ZJ或最大状态的控制值；

根据实测的低压转子相对转速n₁、高压转子相对转速n₂、低压涡轮出口总温T₆、压气机出口压力P₃₁计算得到各个参数的目标状态与实测状态的差dn₁、dn₂、dT₆和dP₃₁，其中dn₁＝n_1DEM-n₁、dn₂＝n_2DEM-n₂、dT₆＝(T_6DEM-T₆)×100/T_6DEM(％)、dP₃₁＝(P_31DEM-P₃₁)×100/P_31DEM(％)，最终

dn₂为：dn₂＝min(dn₁、dn₂、dT₆、dP₃₁)

上述式子所要表达的含义为：dn₂为发动机实际状态与目标状态的偏差，该偏差由dn₁、dn₂、dT₆和dP₃₁中的最小值表示。

4.根据权利要求3所述的高压压气机可调叶片角度的控制方法，其特征在于，所述高压可调叶片角度VSV的控制量包括

VSV_n_2R——根据n_2R得到的VSV控制值，即VSV_n_2R＝fn_2R(n_2R，|dn₂|)，上述式子的含义为：根据已有n_2R和VSV控制规律及所求n_2R和dn₂的绝对值得到VSV_n_2R，当x＜∣dn₂∣＜y时，则采用n_2R和dn₂插值计算得到VSV_n_2R；

VSV_n_2RDEM——根据n_2RDEM得到的VSV控制值，即VSV_n_2RDEM＝fn_2R(n_2RDEM，0)，上述式子的含义为：提前计算出当n_2R达到目标转速时的VSV值；

VSV__上限和VSV__下限——根据n_2R等到VSV__上限和VSV__下限，即VSV__上限＝f_上限(n_2R)，VSV__下限＝f_下限(n_2R)，VSV__上限，和VSV__下限用来限制VSV_n_2R25；

VSV_n_2R25——根据n_2R25得到的VSV控制值，即VSV_n_2R25＝min(max(fn_2R25(n_2R25)，VSV__下限)，VSV__上限)，其中VSV__下限为VSV_n_2R25的下限值，VSV__上限为VSV_n_2R25的上限值，上述式子的含义为：VSV_n_2R25不大于VSV__上限，不能小于VSV_n_2R25。

5.根据权利要求4所述的高压压气机可调叶片角度的控制方法，其特征在于，可调叶片角度VSV最终的给定值VSV_DEM采用VSV_n_2R与VSV_n_2R25相融合的控制算法计算求得。