CN109184919A - 一种基于航空发动机失稳预测的主动防喘控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于航空发动机失稳预测的主动防喘控制方法，所述方法包括：(1)失稳先兆信号仿真模型；(2)发动机失稳预测算法；(3)主动防喘控制策略。本方案针对航空发动机气动稳定性问题，通过主动防喘角度来提高发动机气动稳定性，建立发动机失稳先兆信号仿真模型；针对不同传感器位置的信号，分别设计基于时频分析法的发动机失稳预测算法；结合失稳预测结果，设计主动防喘控制器，构建发动机主动防喘控制回路，作为备份模式负责在主动控制模式失效时发挥作用避免压气机失稳；此外，在发动机进入不稳定前便实施有效控制，减少了因喘振或失速对发动机造成的破坏，延长发动机寿命，降低维护成本。

Description

一种基于航空发动机失稳预测的主动防喘控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于航空发动机失稳预测的主动防喘控制方法，属于航空发动机控制技术领域。

背景技术

第四代战斗机的五个典型的技术特征是：隐形、超声速巡航、高机动性、综合航电和自主后勤。这些优越特性的实现离不开S形进气道和高推重比发动机的使用以及过失速机动的运用，但同时也使得进气畸变对压气机稳定性的不利影响越来越大，对发动机的稳定性提出了更高的要求。发动机面临着高压比、高效率、高稳定性与高抗畸变能力综合寻优的挑战，发动机性能与稳定性之间的矛盾越来越突出。对于我国在研制的高性能发动机乃至未来更高推重比的发动机来说，稳定性问题将变得更加突出，是新一代航空发动机研制成败的关键问题和技术“瓶颈”。

航空发动机气动稳定性控制的难点在于稳定边界的不确定性；诸如：进气畸变、发动机部件性能退化、制造及装配误差等等因素都会导致发动机稳定边界的移动，气动稳定性控制方法包括被动控制方法和主动控制方法。当前的航空发动机气动稳定性控制采用的是被动控制方法，其控制策略是建立在失稳控制线的基础上，结合短时增稳控制系统与失稳复原控制系统来解决发动机的不稳定工作问题。以失稳控制线、短时增稳控制系统及失稳复原系统为核心的被动控制策略已经发展较为成熟，在第三代战斗机的动力装置中得到了广泛的应用，很好地保证了发动机与飞机的安全。然而，失稳控制线保守的稳定裕度、短时增稳控制系统的开环性及失稳复原控制系统的事后性，使得传统的失稳控制策略具有诸多致命的缺陷，主要体现在以下几个方面：(1)失稳控制线的存在使得发动机的性能无法得到充分的发挥，在相同的性能需求下，不得不选择性能更高的发动机，这将导致发动机的重量大幅增加，推重比大幅减小；(2)失稳控制线缩小了发动机的工作范围，使得剩余喘振裕度无法得到有效利用，从而降低了发动机的可操作性和飞机的机动性；(3)短时增稳控制系统为开环控制，意味着不管发动机是否真的面临失稳危险，飞行员都会强制启动，这种保守的控制措施，无疑也将降低发动机的性能；(4)失稳复原控制系统启动时，发动机已经处于气动失稳状态，如果进入“不可恢复性失速”，失稳复原控制系统将无法发挥作用，而不得不空中停车重新启动；即便能成功地退出失稳状态，短暂的失稳也将加速发动机的老化，缩短发动机的使用寿命。为此，需要设计一种新的技术方案给予解决。

发明内容

本发明正是针对现有技术存在的不足，提供一种基于航空发动机失稳预测的主动防喘控制方法，通过时频分析实时在线检测发动机失稳初始扰动，将检测结果送往主动防喘控制器，构成主动防喘控制回路，在主动控制失效时，依然能够保证发动机稳定工作，满足实际使用要求。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：

一种基于航空发动机失稳预测的主动防喘控制方法，所述方法包括：

(1)失稳先兆信号仿真模型

将发动机失稳预测引入到发动机控制系统全数字仿真、硬件在环仿真及半物理仿真等实验中，在不进行真实发动机实验的情况下，研究基于失稳预测的主动防喘控制策略，对失稳先兆信号进行构造，建立其仿真模型，根据模态波型失稳先兆扰动的特点，采用基于MG模型及混沌时间序列对发动机失稳先兆信号进行仿真构造，并考虑失稳先兆信号与压气机转子叶片周向旋转所产生的压力脉动信号之间的相互作用；

(2)发动机失稳预测算法

在发动机失稳前检测出失稳先兆的产生，根据发动机失稳先兆现象的研究结果对于模态波型失稳先兆，采用基于时频分析的方法设计发动机失稳预测算法，且针对不同传感器位置的信号分别设计算法，对于离压气机转子叶片较远的传感器，其信号中包含的先兆信息受转子叶片影响较小，可采用较低的采样频率，并且可以直接进行频率分析，提取发动机失稳先兆信号的强度，而对于压气机转子叶片上方的传感器，低频的先兆扰动信号被调制在了高频信号的频偏与幅值中，可采用包络检波从高频信号幅值中检测出低频成分，再进行频谱分析得到失稳先兆信号的强度；

(3)主动防喘控制策略

在发动机主动稳定性控制器失效时，能基于失稳预测算法进行准确而及时的预测，并基于预测结果实施主动防喘控制，能从根本上保证发动机稳定工作，其具体操作如下：

(3.1)采集发动机压力等对于旋转失速和喘振敏感的参数信号；

(3.2)使用失稳先兆预测算法对发动机失稳先兆信号进行识别，并将识别结果送往主动防喘控制器，主动防喘控制器可采用传统的比例积分控制器；

(3.3)主动防喘控制器根据识别结果和控制规律计算相应的执行机构控制指令，执行机构根据控制指令动作使发动机工作点远离喘振边界。

本发明与现有技术相比较，本发明的实施效果如下：

本方案针对航空发动机气动稳定性问题，通过主动防喘这个角度来提高发动机气动稳定性，建立发动机失稳先兆信号仿真模型；针对不同传感器位置的信号，分别设计基于时频分析法的发动机失稳预测算法；结合失稳预测结果，设计主动防喘控制器，构建发动机主动防喘控制回路，作为备份模式负责在主动控制模式失效时发挥作用避免压气机失稳。

此外，在发动机进入不稳定前便实施有效控制，减少了因喘振或失速对发动机造成的破坏，延长发动机寿命，降低维护成本。

附图说明

图1为本发明所述基于失稳预测的主动防喘控制策略框图。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例来说明本发明的内容。

如图1所示：为本发明所述基于航空发动机失稳预测的主动防喘控制方法结构框图。

本发明主要是针对目前的航空发动机气动稳定性控制采用的是被动控制方法，其控制策略是建立在失稳控制线的基础上，结合短时增稳控制系统与失稳复原控制系统来解决发动机的不稳定工作问题；然而，失稳控制线保守的稳定裕度、短时增稳控制系统的开环性及失稳复原控制系统的事后性，使得传统的失稳控制策略具有诸多致命的缺陷。

本发明基于MG模型及混沌时间序列，考虑失稳先兆信号与压气机转子叶片周向旋转所产生的压力脉动信号之间的相互作用，建立发动机失稳先兆信号仿真模型；针对不同传感器位置的信号，分别设计基于时频分析法的发动机失稳预测算法；结合失稳预测结果，设计主动防喘控制器，构建发动机主动防喘控制回路，作为备份模式负责在主动控制模式失效时发挥作用避免压气机失稳。

基于航空发动机失稳预测及主动防喘控制方法

(1)失稳先兆信号仿真模型

为了将发动机失稳预测引入到发动机控制系统全数字仿真、硬件在环仿真及半物理仿真等实验中，在不进行真实发动机实验的情况下，研究基于失稳预测的主动防喘控制策略，需要对失稳先兆信号进行构造，建立其仿真模型，根据模态波型失稳先兆扰动的特点，本发明采用基于MG模型及混沌时间序列对发动机失稳先兆信号进行仿真构造，并考虑失稳先兆信号与压气机转子叶片周向旋转所产生的压力脉动信号之间的相互作用。

(2)发动机失稳预测算法

在发动机失稳前检测出失稳先兆的产生，是进行基于失稳预测的主动防喘控制的前提条件，根据发动机失稳先兆现象的研究结果可知，对于模态波型失稳先兆，在发动机完全失稳前，模态波扰动幅值存在一个连续的增长过程，在模态波初始扰动发展成为旋转失速前，幅值较小，淹没在系统噪声与测量噪声中，从时域很难分辨出模态波扰动。而反映在频域中，模态波的产生与发展则表现为某一频率分量从无到有，并伴随幅值逐渐增大的过程；因此，本发明采用基于时频分析的方法设计发动机失稳预测算法，并且针对不同传感器位置的信号分别设计算法，对于离压气机转子叶片较远的传感器，其信号中包含的先兆信息受转子叶片影响较小，可采用较低的采样频率，并且可以直接进行频率分析，提取发动机失稳先兆信号的强度，而对于压气机转子叶片上方的传感器，低频的先兆扰动信号被调制在了高频信号的频偏与幅值中，可以采用包络检波从高频信号幅值中检测出低频成分，再进行频谱分析得到失稳先兆信号的强度(如图1所示)。

(3)主动防喘控制策略

在发动机主动稳定性控制器失效时，如果能够基于失稳预测算法进行准确而及时的预测，并基于预测结果实施主动防喘控制，能够从根本上保证发动机稳定工作。

本发明采用基于失稳预测的主动防喘控制策略，其如图1所示的结构框图：具体方案如下：(1)采集发动机压力等对于旋转失速和喘振敏感的参数信号；(2)使用失稳先兆预测算法对发动机失稳先兆信号进行识别，并将识别结果送往主动防喘控制器，主动防喘控制器可采用传统的比例积分控制器；(3)主动防喘控制器根据识别结果和控制规律计算相应的执行机构控制指令，执行机构根据控制指令动作使发动机工作点远离喘振边界。

本发明主要是针对航空发动机气动稳定性问题，通过主动防喘这个角度来提高发动机气动稳定性，建立发动机失稳先兆信号仿真模型；针对不同传感器位置的信号，分别设计基于时频分析法的发动机失稳预测算法；结合失稳预测结果，设计主动防喘控制器，构建发动机主动防喘控制回路，作为备份模式负责在主动控制模式失效时发挥作用避免压气机失稳。

以上内容是结合具体的实施例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种基于航空发动机失稳预测的主动防喘控制方法，其特征在于：所述方法包括：

(1)失稳先兆信号仿真模型

将发动机失稳预测引入到发动机控制系统全数字仿真、硬件在环仿真及半物理仿真等实验中，在不进行真实发动机实验的情况下，研究基于失稳预测的主动防喘控制策略，对失稳先兆信号进行构造，建立其仿真模型，根据模态波型失稳先兆扰动的特点，采用基于MG模型及混沌时间序列对发动机失稳先兆信号进行仿真构造，并考虑失稳先兆信号与压气机转子叶片周向旋转所产生的压力脉动信号之间的相互作用；

(2)发动机失稳预测算法

在发动机失稳前检测出失稳先兆的产生，根据发动机失稳先兆现象的研究结果对于模态波型失稳先兆，采用基于时频分析的方法设计发动机失稳预测算法，且针对不同传感器位置的信号分别设计算法，对于离压气机转子叶片较远的传感器，其信号中包含的先兆信息受转子叶片影响较小，可采用较低的采样频率，并且可以直接进行频率分析，提取发动机失稳先兆信号的强度，而对于压气机转子叶片上方的传感器，低频的先兆扰动信号被调制在了高频信号的频偏与幅值中，可采用包络检波从高频信号幅值中检测出低频成分，再进行频谱分析得到失稳先兆信号的强度；

(3)主动防喘控制策略

在发动机主动稳定性控制器失效时，能基于失稳预测算法进行准确而及时的预测，并基于预测结果实施主动防喘控制，能从根本上保证发动机稳定工作，其具体操作如下：

(3.1)采集发动机压力等对于旋转失速和喘振敏感的参数信号；

(3.2)使用失稳先兆预测算法对发动机失稳先兆信号进行识别，并将识别结果送往主动防喘控制器，主动防喘控制器可采用传统的比例积分控制器；

(3.3)主动防喘控制器根据识别结果和控制规律计算相应的执行机构控制指令，执行机构根据控制指令动作使发动机工作点远离喘振边界。