CN109681331B - 一种燃油计量活门fmv期望值增量的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃油计量活门FMV期望值增量的计算方法，所述方法包括：根据低压转子转速N1的期望值计算所述FMV期望值的第一增量；根据最低高压转子转速N2值计算FMV期望值的第二增量，其中，所述N2值为发动机可正常运行的最低高压压气机转子转速；计算所述第一增量和所述第二增量的较大值；根据所述较大值获得所述FMV期望值增量。

Description

一种燃油计量活门FMV期望值增量的计算方法

技术领域

本发明属于航空发动机控制技术领域，详尽给出了基于发动机性能计算的燃油控制规律，基于FMV增量法、边界限制逻辑的完整发动机燃油控制方案。该方法能够广泛适用于相似类型发动机的控制，提高发动机性能及安全性。

背景技术

随着航空发动机技术的不断进步和性能的不断提高，燃油与控制系统也由简单到复杂，并由液压机械控制发展到全权限数字电子控制(FADEC)。目前国内外新一代燃油与控制系统的主要发展趋势是：采用新的燃油泵系统和先进电子硬件，提高FADEC系统硬件的可靠性；采用先进的控制模式、控制算法，并与其它机载系统相综合，以获得更好的系统性能和提高控制品质，提高系统的使用寿命，降低系统的研制和使用成本。F100发动机的FADEC系统改进了新的控制算法使得风扇、压气机和燃烧室等主要部件的响应速度明显加快，在几乎所有的工作点上都获得了良好的过渡态性能，能够提高推力及飞机的机动性。而国内的相关发动机还主要采用分阶段控制规律的切换，因此并不能最优实现全包线全状态的控制，而且不利于不同型号发动机的拓展改型。

发明内容

本发明提供的燃油计量活门FMV期望值增量的计算方法，具有易扩展、易改型、易维护的优点，可用于同类型涡轮动力的数字控制领域。

第一方面，本发明提供一种燃油计量活门FMV期望值增量的计算方法，所述方法包括：

根据低压转子转速N1的期望值计算所述FMV期望值的第一增量；

根据最低高压转子转速N2值计算FMV期望值的第二增量，其中，所述N2值为发动机可正常运行的最低高压压气机转子转速；

计算所述第一增量和所述第二增量的较大值；

根据所述较大值获得所述FMV期望值增量。

可选的，所述最低N2值，根据所述发动机慢车转速N2控制获取最低高压转速转速下限N2min值、最低高压转速转速上限N2max；

所述最低N2值大于等于所述N2min值，并小于等于所述上限N2max。

可选的，所述FMV期望值增量受到稳态一般性保护限制和过渡态限制，其中，

所述稳态一般性保护限制包括：最大爬升状态转速控制、高压压气机出口压力控制、所述N2值上限控制、燃油流量上下限控制、发动机最大允许转速限制。

所述过渡态限制包括：N2加减速限制、燃油速率上下限限制、油气比上下限限制、FMV期望值增量的限制。

可选的，所述稳态一般性保护限制和所述过渡态限制，按照优先级由高到低的顺序如下：

最大和最小燃油流量控制；

N2超转控制；

油气比上下限限制；

燃油速率上下限限制；

N2加/减速限制；

最大Ps3限制；

最大N2、最小Ps3和最大爬升转速限制。

本发明解决了通过以转速为被控参数，以目标转速N1控制发动机推力，同时要保障N2不能低于发动机可以正常运行的最低值，以FMV增量法实现燃油控制，并综合各工况的边界限制，形成一套完整的燃油控制规律，使得发动机安全性和发动机性能最优化。

附图说明

图1本发明提供的根据N1控制FMV的控制示意图；

图2本发明提供的根据转速偏差计算FMV增量的算法示意图；

图3本发明提供的边界限制综合逻辑图；

图4本发明提供的N2限制计算图。

具体实施方式

针对大涵道比涡扇发动机的控制问题，特别通过调节FMV控制燃油供应量使发动机达到目标转速推力，本发明形成了一套双闭环的FMV增量控制及边界限制的燃油控制方法。该控制规律适用于发动机全飞行包线的各工况点。

控制设计：以转速为被控参数，根据转速期望值计算FMV期望值的增量，然后再根据其它条件(比如压力、转速、转速变化率等)对计算出的增量进行限制，以保证发动机安全运行，。

边界限制：最大和最小燃油流量控制、N2超转控制、低于慢车状态时的加/减速限制、高于慢车状态时的加/减速限制、N2加/减速限制、最大Ps3限制、最大N2、最小Ps3和最大爬升转速限制等。

控制逻辑：以目标转速N1控制发动机推力，形成外闭环回路，同时要保障N2不能低于发动机可以正常运行的最低值；以FMV开度控制燃油量，形成内闭环；限制条件工作于全飞行包线的各发动机工况，且综合限制逻辑有明确的优先级

本发明是大涵道比涡扇发动机燃油计量活门开度调节的通用控制计算法，具有易扩展、易改型、易维护的优点，可用于同类型涡轮动力的数字控制领域。

本发明解决了通过以转速为被控参数，以目标转速N1控制发动机推力，同时要保障N2不能低于发动机可以正常运行的最低值，以FMV增量法实现燃油控制，并综合各工况的边界限制，形成一套完整的燃油控制规律，使得发动机安全性和发动机性能最优化。如图1。

为了实现上述目的，本发明的FMV控制计算设计如下：

1.N1控制

N1控制计划：

ΔFMV_N1cmd＝K1×(N1cmd–N1)

式中，N1cmd为N1指令转速；

K1为燃油增益，其与压气机增压比Ps3/Pt、飞行高度(由大气压力P0确定)、TAT，及燃油流量FMV开度有关，K＝f(Ps3/Pt，P0，TAT，FMV)由发动机特性所确定。

2.N2min限制

N2min限制计划：

ΔFMV_N2min＝K2×(N2min–N2)

式中，N2min为发动机慢车及低转速综合状态的N2指令值，如图4；

K2为燃油增益，其与压气机增压比Ps3/Pt、飞行高度(由P0确定)、TAT及燃油流量FMV开度有关，K＝f(Ps3/Pt，P0，TAT，FMV)由发动机特性所确定。

3.N2max限制

N2max限制计划：

ΔFMV_N2max＝K3×(N2max–N2)

式中，N2max为核心机最大限制转速的N2指令值，如图4；

燃油增益K3为常数。

4.最大爬升状态N1限制

最大爬升状态的N1限制计划：

ΔFMV_N1mcl＝K4×(N1mcl–N1)

式中，N1mcl为最大爬升状态的N1指令转速；

燃油增益K4为常数。

5.N1max限制

N1max限制计划：

ΔFMV_N1max＝K5×(N1max–N1)

式中，N1max为N1最大限制转速的N1指令值；

K5为燃油增益，与燃油流量FMV有关，K＝f(FMV)由发动机特性所确定。6.Ps3min限制

Ps3min限制计划：

ΔFMV_Ps3min＝K6×(Ps3min–Ps3)

式中，Ps3min为高压压气机出口压力最小限制值，与P0、飞行马赫数Ma、飞机轮载信号WOW及发动机识别塞ID有关，Ps3min＝f(P0，Ma，WOW，ID)由发动机特性所确定；

K6为燃油增益，与低压压气机进口总压Pt有关，K＝f(Pt)由发动机特性所确定。

7.Ps3max限制

Ps3max限制计划：

ΔFMV_Ps3max＝K7×(Ps3max–Ps3)

式中，Ps3max为高压压气机出口压力最大限制值，K7为燃油增益，二者均为常数。

8.燃油流量下限控制

WFmin控制计划:

ΔFMV_WFmin＝f(P0，Ma，Pt，N2R25，EGT，ST1)

式中，ST1发动机状态主要包括：燃烧室构型(单环/双环)、工作的燃油喷嘴数量、飞机轮载信号WOW、发动机点火状态等，EGT为排气温度。

9.燃油流量上限限制

Wfmax限制计划:

ΔFMV_Wfmax＝f(常数1，ST2)

式中，ST2发动机状态为发动机是否禁止供油标志，会影响FMV_Wfmax取不同的常数。

10.加速过程的N2限制

加速过程N2限制计划：

ΔFMV_N2acc＝K8×(N2acc–N2)

式中，N2acc为加速过程的N2指令值，N2acc＝N2₀+∫ΔN2cmd，N2₀为加速过程的初始转速，ΔN2cmd为加速过程的转子加速度控制计划，ΔN2cmd根据高压转子换算转速N2R25及Pt确定，并用Pt、高压压气机进口总温T25修正，由发动机特性所确定。

K8为燃油增益，其与压气机增压比Ps3/Pt、飞行高度、TAT，及燃油流量FMV开度有关，K＝f(Ps3/Pt，P0，TAT，FMV)由发动机特性所确定。

11.减速过程的N2限制

减速过程N2限制计划：

ΔFMV_N2dec＝K9×(N2dec–N2)

式中，N2dec为减速过程的N2指令值，N2acc＝N2₀+∫ΔN2cmd，N2₀为减速过程的初始转速，ΔN2cmd为减速过程的转子加速度控制计划，ΔN2cmd根据N2R25及Pt确定，并用Pt、T25修正，由发动机特性所确定；

K9为燃油增益，其与压气机增压比Ps3/Pt、飞行高度、TAT，及燃油流量FMV开度有关，K9＝f(Ps3/Pt，P0，TAT，FMV)由发动机特性所确定。

12.加速过程的燃油变化率限制

加速过程的燃油变化率限制计划：

ΔFMV_FFacc＝K10×FMV

式中，FMV为前一控制计算周期的燃油流量(FMV开度)；

K10为燃油变化率限制系数，其与N2R25、Pt、T25、N1、N2、P0及发动机状态ST3有关，K10＝f(N2R25，Pt，T25，N1，N2，P0，ST3)由发动机特性所确定。

13.减速过程的燃油变化率限制

减速过程的燃油变化率限制计划：

ΔFMV_FFdec＝K11×FMV

式中，FMV为之前的燃油流量(FMV开度)；

K11为燃油变化率限制系数，其与N2R25、Pt、T25及发动机状态ST3有关，K＝f(N2R25，Pt，T25，ST3)由发动机特性所确定。

14.加速过程的油气比限制

加速过程的油气比限制计划：

ΔFMV_FARacc＝FAR×Ps3

式中，FAR为油气比指令值，FAR＝f(N2R25，T25)由发动机特性所确定；

Ps3为高压压气机出口静压实测值。

15.减速过程的油气比限制

减速过程的油气比限制计划：

ΔFMV_FARdec＝FAR×Ps3

式中，FAR为油气比指令值，FAR＝f(N2R25，T25)由发动机特性所确定；

Ps3为高压压气机出口静压实测值。

16.FMVmax限制

ΔFMVmax＝常数2

17.FMVmin限制

ΔFMVmin＝常数3

18.综合边界限制

针对上述17条控制边界限制计划，发动机全状态的燃油控制规律，综合边界限制如下：

1)根据最小Ps3和最大爬升状态计算FMV期望值增量的下限值：

ΔFMV_Cmd＝min(ΔFMV_N1mcl，ΔFMV_Ps3min)

2)根据目标转速计算期望值并根据最大N2转速进行限幅：

ΔFMV_Cmd＝bound(ΔFMV_Cmd，ΔFMV_N2min，ΔFMV_N2max)

y＝bound(x，下限，上限)表示把x限制在下限、上限之间得到y。

3)避免Ps3超压：

ΔFMV_Cmd＝min(ΔFMV_Cmd，ΔFMV_Ps3max)

4)确保N2加减速速率不超限：

ΔFMV_Cmd＝bound(ΔFMV_Cmd，ΔFMV_N2dec，ΔFMV_N2acc)

5)(FMV实际开度有效时)高于慢车状态时确保燃油流量不超限：

ΔFMV_Cmd＝bound(ΔFMV_Cmd，ΔFMV_FFdec，ΔFMV_FFacc)

6)(FMV实际开度有效时)低于慢车状态时确保油气比不超限：

ΔFMV_Cmd＝bound(ΔFMV_Cmd，ΔFMV_FARdec，ΔFMV_FARacc)

7)确保发动机(N1、N2统一记为Nx)转速不超转：

ΔFMV_Cmd＝min(ΔFMV_Cmd，ΔFMV_Nxmax)

8)(FMV实际开度有效或燃油流量状态有效时)确保燃油流量不超限：

ΔFMV_Cmd＝bound(ΔFMV_Cmd，ΔFMV_WFmin，ΔFMV_Cmd_WFmax)

9)确保FMV增量不超过工程允许的范围：

ΔFMV_Cmd＝bound(ΔFMV_Cmd，ΔFMV_min，ΔFMV_max)

需要说明的是，所述ΔFMV_Cmd在上述每一次的综合边界限制后，依次进行相应的更新，如图3。

19.增量法计算FMV的期望开度

根据FMV的期望增量计算FMV的期望值：

式中，系数k因工程机械结构确定，本型发动机为0.5。

最终根据FMV的工程范围限幅，得到最终FMV开度。

该设计的特点在于：

1、慢车状态以下，控制N2转速(N2min和N2max限制)；慢车状态以上，控制N1转速。

2、边界限制条件为全飞行包线各状态，稳态限制包括；N1mcl、Ps3max、Ps3min、N2max、WFmax、WFmin、N1max，过渡态限制包括：N2dec、N2acc、FFdec、FFacc、FARdec、FARacc、ΔFMVmax、ΔFMVmin。

3、增量法调节FMV开度。

在双通道机载计算机上，使用本发明的能够在全飞行包线范围内，实现对FMV的连贯控制，经理论分析和实验，工程实用性强且可对多种发动机型号的拓展性强。

下面结合实际应用详细说明本发明的内容。所述是对本发明的解释而不是限定。

本方法中有两处主要的工程处理方法：

在计算FMV增量时，理论算法为FMV_Cmdn-FMV_Cmdn-1，实际工程处理如图2所示，其中K1、K2因发动机而改变；

在计算FMV期望值时，理论算法为FMV_Cmdn-1+ΔFMV_Cmdn，实际工程处理如19节所述。

文中f代表数据插值表及相关具体计算根据发动机的不同而不同，具体由实验或性能计算得。但控制综合逻辑一致。

需要说明的是，所述最低N2值取决为N2min、N2max的限制，主要反映慢车及以下状态相关计算，如图4。

过渡态限制：N2加减速限制、高于慢车时的加减速控制(燃油速率上下限限制)、低于慢车状态时的加减速控制(油气比上下限限制)、FMV期望值增量的限制。

需注意的是，这里划分稳态和过渡态考虑的是控制中这些限制起作用时的发动机状态，实际上在程序中这些限制是在整个发动机的运行周期都起作用的。

本研究发明给出了一整套完整的基于民用大涵道比涡扇发动机关于燃油控制计算及全面的边界限制方法，通用于燃烧室单环及在双环结构，填补了国内该领域的空白，可实现发动机在全包线范围内不同的控制模式的性能寻优控制。

Claims (1)

1.一种燃油计量活门FMV期望值增量的计算方法，其特征在于，所述方法包括：

根据低压转子转速N1的期望值计算所述FMV期望值的第一增量；

根据最低高压转子转速N2值计算FMV期望值的第二增量；

计算所述第一增量和所述第二增量的较大值；

根据所述较大值获得所述FMV期望值增量；

根据所述最低高压转子转速N2控制获取最低高压转子转速下限N2min值、最低高压转子转速上限N2max；所述最低高压转子转速N2值大于等于所述N2min值，并小于等于所述上限N2max；

所述FMV期望值增量受到稳态一般性保护限制和过渡态限制，其中，

所述稳态一般性保护限制包括：最大爬升状态转速控制、高压压气机出口压力控制、所述最低高压转子转速N2值上限控制、燃油流量上下限控制、发动机最大允许转速限制；

所述过渡态限制包括：N2加减速限制、燃油速率上下限限制、油气比上下限限制、FMV期望值增量的限制；

所述稳态一般性保护限制和所述过渡态限制，按照优先级由高到低的顺序如下：

最大和最小燃油流量控制；

N2超转控制；

油气比上下限限制；

燃油速率上下限限制；

N2加/减速限制；

最大Ps3限制；

最大N2、最小Ps3和最大爬升转速限制。

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