CN109344510A - 一种基于航空发动机稳定裕度估计的主动稳定性控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于航空发动机稳定裕度估计的主动稳定性控制方法，所述方法包括：(1)航空发动机喘振实时模型；(2)喘振裕度估计算法与模拟；(3)航空发动机主动稳定性控制律。本发明针对航空发动机气动稳定性问题，通过利用剩余稳定裕度提高发动机气动稳定性，建立发动机喘振实时模型以及建立发动机稳定裕度估计模型，通过鲁棒控制方法设计主动稳定性控制律，构建发动机稳定裕度闭环控制回路，保证发动机在过渡态稳定工作前提下，最大限度发挥剩余稳定性裕度带来的动态性能；此外，本方案可使发动机在加速过程中在喘振裕度较小的高性能点工作，改善发动机的加速性能，增强飞机的机动性。
Description
技术领域
本发明涉及基于航空发动机稳定裕度估计的主动稳定性控制方法，其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稳定裕度估计的主动稳定性控制方法，在航空发动机部件级模型的基础上考虑喘振和进口畸变，获得发动机喘振实时模型；通过压力相关度法实时估计发动机喘振裕度；基于鲁棒控制器设计主动稳定性控制律，构建喘振裕度闭环控制回路，充分利用剩余喘振裕度，提高发动机动态性能，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：
基于航空发动机稳定裕度估计的主动稳定性控制方法，所述方法包括：
(1)航空发动机喘振实时模型
航空发动机喘振实时模型是开展基于稳定裕度闭环的航空发动机主动稳定性控制仿真试验的前提条件，采用在已有的航空发动机部件级模型的基础上，考虑发动机容腔的容积动力学效应、压气机的失速区特性、燃烧室的熄火特性以及发动机的进口畸变，建立航空发动机喘振实时模型；
(2)喘振裕度估计算法与模拟
采用压力相关度测量的方法，首先，根据压力传感器获得的叶片附近的压力脉动信号，计算用于度量压力脉动信号重复性的相关度，根据实验数据的离线分析，获得相关度值穿越阈值的次数；其次，根据穿越阈值次数与喘振裕度值固有的特性关系，建立发动机稳定性裕度估计模型，根据发动机喘振裕度估计模型，通过插值法即可对发动机真实稳定裕度做出较准确地估计；
(3)航空发动机主动稳定性控制律
通过喘振裕度估计算法获得发动机的喘振裕度之后，即设计基于喘振裕度估计的主动稳定性控制律，构成喘振裕度闭环控制回路，其控制策略主要包括喘振裕度估计模块、主动稳定性控制器模块；其中，主动稳定性控制律拟采用基于二次型性能指标的鲁棒H2/H∞方法设计，提高控制系统的鲁棒性。
作为上述技术方案的改进，在上述(2)的实际应用中，喘振裕度估计模型需要接收传感器采集的压力、流量、振动等信号作为输入，而在仿真中，发动机模型无法对具有一定稳定裕度的信号进行模拟，开展喘振裕度闭环的仿真实验，需对相关度“阈值穿越事件”与发动机喘振裕度关系进行模拟；采用一种“阈值穿越事件”发生频率与阈值关系存在同一分布的随机序列，使用滑动的阈值对相关度“阈值穿越事件”与喘振裕度的指数关系进行映射模拟；发动机喘振模型计算得到的喘振裕度输入阈值计算模块，得到真实喘振裕度的阈值大小，随机数发生器按照预设的频率产生随机数序列，根据阈值得到“阈值穿越事件”序列，对“阈值穿越事件”进行计数得到穿越事件发生的频率，即可由模拟的关系得到真实的喘振裕度。
本发明与现有技术相比较，本发明的实施效果如下：
本方案主要针对航空发动机气动稳定性问题，通过利用剩余稳定裕度来提高发动机气动稳定性，建立发动机喘振实时模型以及建立发动机稳定裕度估计模型，通过鲁棒控制方法设计主动稳定性控制律，构建发动机稳定裕度闭环控制回路，保证发动机在过渡态稳定工作前提下，最大限度发挥剩余稳定性裕度带来的动态性能。
此外，本方案可使发动机在加速过程中在喘振裕度较小的高性能点工作，改善发动机的加速性能，增强飞机的机动性。
附图说明
图1为本发明所述的基于航空发动机稳定裕度估计的主动稳定性控制框图；
图2为本发明所述的鲁棒控制器结构框图。
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和图2所示：为本发明所述的基于航空发动机稳定裕度估计的主动稳定性控制方法结构框图。
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。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。
本发明在航空发动机部件级模型基础上，考虑发动机容腔的容积动力学效应、压气机失速区特性、进口畸变，建立发动机喘振实时模型；通过压气机转子叶片尖端区域的压力相关度，获得相关度值穿越阈值的次数，根据穿越阈值次数与喘振裕度值固有的特性关系，建立发动机稳定裕度估计模型；通过鲁棒控制方法设计主动稳定性控制律，构建发动机稳定裕度闭环控制回路，保证发动机在过渡态稳定工作前提下，最大限度发挥剩余稳定性裕度带来的动态性能。
航空发动机稳定裕度估计及主动稳定性控制方法
1、航空发动机喘振实时模型
航空发动机喘振实时模型是开展基于稳定裕度闭环的航空发动机主动稳定性控制仿真试验的前提条件；本发明将在已有的航空发动机部件级模型的基础上，考虑发动机容腔的容积动力学效应、压气机的失速区特性、燃烧室的熄火特性以及发动机的进口畸变，建立航空发动机喘振实时模型。
2、喘振裕度估计算法与模拟
发动机喘振裕度一般为不可测量，故无法直接对喘振裕度进行控制。因此对喘振裕度实时估计是进行喘振裕度闭环控制的前提条件；本发明采用压力相关度测量的方法来解决这一问题。具体研究方案如下：首先，根据压力传感器获得的叶片附近的压力脉动信号，计算用于度量压力脉动信号重复性的相关度，根据实验数据的离线分析，获得相关度值穿越阈值的次数；其次，根据穿越阈值次数与喘振裕度值固有的特性关系，建立发动机稳定性裕度估计模型，根据发动机喘振裕度估计模型，通过插值法即可对发动机真实稳定裕度做出较准确地估计。
在实际应用中，喘振裕度估计模型需要接收传感器采集的压力、流量、振动等信号作为输入；而在仿真中，发动机模型无法对具有一定稳定裕度的信号进行模拟。为了开展喘振裕度闭环的仿真实验，需要对相关度“阈值穿越事件”与发动机喘振裕度关系进行模拟。本发明采用一种“阈值穿越事件”发生频率与阈值关系存在同一分布的随机序列，使用滑动的阈值对相关度“阈值穿越事件”与喘振裕度的指数关系进行映射模拟。具体方案如图1所示：发动机喘振模型计算得到的喘振裕度输入阈值计算模块，得到真实喘振裕度的阈值大小。随机数发生器按照预设的频率产生随机数序列，根据阈值得到“阈值穿越事件”序列，对“阈值穿越事件”进行计数得到穿越事件发生的频率，即可由模拟的关系得到真实的喘振裕度。
3航空发动机主动稳定性控制律
在通过喘振裕度估计算法获得发动机的喘振裕度之后，即可设计基于喘振裕度估计的主动稳定性控制律，构成喘振裕度闭环控制回路。本发明拟设计的控制策略主要包括喘振裕度估计模块、主动稳定性控制器模块。其中主动稳定性控制律拟采用基于二次型性能指标的鲁棒H2/H∞方法设计，以提高控制系统的鲁棒性；其中，鲁棒控制器结构框图如图2所示。
本方案主要针对航空发动机气动稳定性问题，通过利用剩余稳定裕度来提高发动机气动稳定性，建立发动机喘振实时模型以及建立发动机稳定裕度估计模型，通过鲁棒控制方法设计主动稳定性控制律，构建发动机稳定裕度闭环控制回路，保证发动机在过渡态稳定工作前提下，最大限度发挥剩余稳定性裕度带来的动态性能。
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 (2)
1.一种基于航空发动机稳定裕度估计的主动稳定性控制方法，其特征在于：所述方法包括：
(1)航空发动机喘振实时模型
航空发动机喘振实时模型是开展基于稳定裕度闭环的航空发动机主动稳定性控制仿真试验的前提条件，采用在已有的航空发动机部件级模型的基础上，考虑发动机容腔的容积动力学效应、压气机的失速区特性、燃烧室的熄火特性以及发动机的进口畸变，建立航空发动机喘振实时模型；
(2)喘振裕度估计算法与模拟
采用压力相关度测量的方法，首先，根据压力传感器获得的叶片附近的压力脉动信号，计算用于度量压力脉动信号重复性的相关度，根据实验数据的离线分析，获得相关度值穿越阈值的次数；其次，根据穿越阈值次数与喘振裕度值固有的特性关系，建立发动机稳定性裕度估计模型，根据发动机喘振裕度估计模型，通过插值法即可对发动机真实稳定裕度做出较准确地估计；
(3)航空发动机主动稳定性控制律
通过喘振裕度估计算法获得发动机的喘振裕度之后，即设计基于喘振裕度估计的主动稳定性控制律，构成喘振裕度闭环控制回路，其控制策略主要包括喘振裕度估计模块、主动稳定性控制器模块；其中，主动稳定性控制律拟采用基于二次型性能指标的鲁棒H2/H∞方法设计，提高控制系统的鲁棒性。
2.根据权利要求1所述一种基于航空发动机稳定裕度估计的主动稳定性控制方法，其特征在于：在上述(2)的实际应用中，喘振裕度估计模型需要接收传感器采集的压力、流量、振动等信号作为输入，而在仿真中，发动机模型无法对具有一定稳定裕度的信号进行模拟，开展喘振裕度闭环的仿真实验，需对相关度“阈值穿越事件”与发动机喘振裕度关系进行模拟；采用一种“阈值穿越事件”发生频率与阈值关系存在同一分布的随机序列，使用滑动的阈值对相关度“阈值穿越事件”与喘振裕度的指数关系进行映射模拟；发动机喘振模型计算得到的喘振裕度输入阈值计算模块，得到真实喘振裕度的阈值大小，随机数发生器按照预设的频率产生随机数序列，根据阈值得到“阈值穿越事件”序列，对“阈值穿越事件”进行计数得到穿越事件发生的频率，即可由模拟的关系得到真实的喘振裕度。
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