CN110647052A - 一种变循环发动机模式切换自适应身份证模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变循环发动机模式切换自适应身份证模型构建方法，在变循环发动机慢车以上状态的非线性部件级模型的基础上，采用扩展卡尔曼滤波器，在某一模式下更新性能特征参数，在模式切换过程中性能参数停止更新，采用之前模式下性能参数的多步估计均值修正切换过程中的部件特性，直至切换为另一个模式后重新开始更新性能参数，实现变循环发动机模式切换过程估算变循环发动机转子部件性能特征参数的目的，从而获得变循环发动机模式切换自适应身份证模型。本发明对变循环发动机由于性能蜕化造成的个体差异所引起的模型失配具有较强适应能力，特别针对于变循环发动机模式切换过程，能有效提高变循环发动机在模式切换过程中非线性个体模型精度。

Description

一种变循环发动机模式切换自适应身份证模型构建方法

技术领域

本发明涉及航空发动机建模与仿真领域，尤其涉及一种变循环发动机模式切换自适应身份证模型构建方法。

背景技术

随着新一代战斗机对于高速和长航程双重要求的推动下，变循环发动机因其具有可调几何部件，可以在不同飞行条件下通过改变发动机的涵道比改变发动机的热力循环，使其能够在不同的任务需求下获得最佳的飞行性能，双外涵变循环发动机的基本结构如图1所示，其主要由两种典型的工作模式。

单外涵模式：关闭模式选择活门，调小前、后可调涵道引射器(Variable AreaBypassInjector，VABI)的面积，使流经前段风扇的空气流量几乎全部流过核心驱动风扇和高压压气机，只允许小部分空气流量经过外涵道冷却尾喷管，此时发动机单位推力最大，以满足飞机在起飞、爬升或超音速飞行时对推力的需求。

双外涵模式：打开模式选择活门，调大前、后可调涵道引射器面积，前风扇空气流量增大，流经CDFS的空气流量一部分从CDFS涵道流入主外涵，另一部分流入压气机，此时发动机涵道比最大，可以降低耗油率，可以有效增大飞机的航程，适合于巡航飞行。

变循环发动机工作环境恶劣并且由于可调几何部件较多导致其机械结构更为复杂，控制难度也大于常规发动机，对其安全性以及可靠性都有很高的要求，因此变循环发动机自适应模型建模技术的研究是一项重要课题。变循环发动机自适应模型能反映发动机之间的个体差异以及工作周期内性能蜕化等因素对发动机性能的影响，是实现发动机自适应调整控制、发动机性能检测以及保证发动机正常工作的基础。同时发动机控制系统与健康管理都基于发动机模型进行设计，考虑到发动机之间存在着个体差异、实际发动机零件的安装公差及使用期内的性能蜕化等因素的影响，对应的机载模型若不加以适当的修正，则无法满足在线性能寻优控制或故障诊断的精度要求，所设计的控制系统和诊断系统性能出现不同程度的下降，无法达到设计的理想工作状态。变循环发动机具有可调几何部件可改变发动机的热力循环从而改变发动机工作模式，发动机结构更为复杂，工作状态范围大，对变循环发动机模型提出了更高的要求，所以建立较为精确的变循环发动机自适应模型具有重要的理论意义和工程实用价值。

目前，航空发动机的主要采用仿真模型有两类：非线性部件级模型和线性模型。发动机线性模型是对发动机非线性部件级模型线性化得到的，可以利用经典线性卡尔曼滤波器实现部件性能参数的估计与自适应。线性模型计算量较小、对计算资源占用低，但误差较大，且对于发动机动态过程的拟合精度较差。发动机非线性部件级模型建模方法主要有转子动力学法和容积动力学法。相对于发动机线性模型，非线性部件级模型不会引入二次建模误差，对于发动机的动态过程跟踪精度较高，能较准确的模拟变循环发动机包线内的不同工况。对于变循环发动机，其性能优势是可以在不同模式间切换，因此模式切换过程中的动态性能的跟踪就显得尤为重要，可靠稳定的模式切换是变循环发动机的关键。随着滤波估计的不断发展，一些非线性卡尔曼滤波器可以直接应用于非线性系统，能够对非线性系统实现较为准确的状态估计。本发明将变循环发动机非线性部件级模型与扩展卡尔曼滤波器结合，提出一种变循环发动机模式切换自适应身份证模型，可以对对气路部件性能蜕化进行估计，提高的模型跟踪精度，准确匹配个体发动机。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，提供一种能够具有较高个体模型精度，并对发动机个体差异和性能蜕化引起的模型失配具有较强自适应能力，显著提高变循环发动机在模式切换动态模型精度，减少利用经验手动调整发动机气路部件特性，使模型匹配带来的巨大工作量的一种变循环发动机模式切换自适应身份证模型构建方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

步骤A)，在变循环发动机部件级模型的基础上设计变循环发动机控制器，分析变循环发动机模式切换控制参数，获得模式切换下的含可调几何参数的变化规律；

步骤B)，根据变循环发动机个体输出与部件级模型输出之间的差异，应用扩展卡尔曼滤波器，设计模式切换过程的滤波估计策略，实现模式切换过程估算变循环发动机转子部件不可测的性能特征参数，进一步修正部件特性，建立模式切换下的变循环发动机自适应身份证模型。

作为本发明一种变循环发动机模式切换自适应身份证模型构建方法的进一步的优化方案，步骤A)的具体步骤如下：

步骤A1)，采用部件法建模获得变循环发动机部件级模型，输入参数有高度H，马赫数Ma，燃油流量W_fb，各几何截面面积包括模式选择活门面积A₁₁₄、前可调涵道引射器面积A₂₂₄、后可调涵道引射器面积A₁₆₃、尾喷管喉道截面面积A₈、尾喷管出口面积A₉，压缩部件导流叶片角度α_Fan、α_CDFS、α_Comp以及低压涡轮导向器安装角α_LTurb，设计PI控制器结构计算燃油流量W_fb，整定变循环发动机比例和积分增益，获得含PI控制器的变循环发动机闭环控制系统；

步骤A2)，分析变循环发动机不同模式工作特点，设计从双外涵模式切换为单外涵模式再切换回双外涵模式切换控制规律；

步骤A3)，设计变循环发动机在模式切换过程中各个几何可调参数的变化规律，给定模式切换时的指令转速，使PI控制器计算跟踪该指令转速的发动机燃油流量；在给出模式切换指令后按照设计的可调几何参数变化规律控制发动机切换过程。

作为本发明一种变循环发动机模式切换自适应身份证模型构建方法的进一步的优化方案，步骤B)的具体步骤如下：

步骤B1)，根据工程实际选择发动机测量参数，将变循环发动机测量参数即各截面温度压力传感器数据进行归一化处理，同时根据有限测量参数下的候选部件性能特征参数影响分析，确定面向变循环发动机自适应身份证模型的部件性能特征参数；

步骤B2)，根据变循环发动机个体输出与部件级模型输出之间的残差，利用扩展卡尔曼滤波器估计个体的风扇、CDFS、压气机、高压涡轮等气路部件不可测性能变化，获得不同模式下反映变循环发动机个体性能的部件特征参数；

步骤B3)，特别针对不同模式切换过程，在滤波估计时对是否切换进行判断，根据模式切换与否采用不同的滤波估计策略，利用估计的性能参数对个体部件特性进行动态修正，建立模式切换下的变循环发动机自适应身份证模型。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明使用非线性部件级模型构造变循环发动机模式切换自适应身份证模型，相比于常规发动机自适应仿真模型，在变循环特有的模式切换动态过程中能够较好的跟踪真实发动机的输出，使变循环发动机模型在模式切换动态过程中仍然具有较高的精度；

(2)本发明对发动机由于制造安装误差以及性能蜕化引起的个体差异导致的模式切换动态过程模型精度下降具有较强适应能力，能显著提高发动机部件特性发生变化后，模式切换动态过程个体模型精度；

(3)本发明能够自动调整模式切换过程中的部件特性，减少在模式切换过程中手动调整部件特性来提高模型精度带来的工作量。

附图说明

图1是双外涵变循环发动机结构图；

图2是变循环发动机模式切换自适应身份证模型原理图；

图3模式切换过程扩展卡尔曼滤波器计算流程图；

图4可调几何截面变化规律；

图5导流叶片角度及导向器安装角；

图6切换过程燃油流量变化图；

图7是地面模式切换过程模拟压气机性能变化的气路性能估计与变循环发动机模式切换自适应身份证模型的跟踪效果图；

图8是地面模式切换过程模拟压气机性能变化后其部件特性归一化修正图。

具体实施方式

本发明的思路是针对先进航空发动机基于模型的多变量控制系统设计与发动机性能预测与健康管理的需求，对现有变循环发动机部件级模型进行扩展和设计开发，建立慢车以上状态模式切换自适应身份证模型，能减少发动机个体差异和性能蜕化引起的模型误差，提高变循环发动机模型在模式切换过程中动态跟踪性能，保证发动机个体模型的精度具有较高可靠性。

本发明的具体实施方式以某型双外涵变循环发动机模式切换自适应身份证模型构建为例，图2是变循环发动机模式切换自适应身份证模型原理图，该仿真模型的建立包括以下步骤：

步骤A)，在变循环发动机部件级模型的基础上设计变循环发动机控制器，分析变循环发动机模式切换控制规律，获得模式切换下的含可调几何参数的变化规律；

步骤B)，根据变循环发动机个体输出与部件级模型输出之间的差异，应用扩展卡尔曼滤波器，设计模式切换过程的滤波估计策略，实现模式切换过程估算变循环发动机转子部件不可测的性能特征参数，进一步修正部件特性，建立模式切换下的变循环发动机自适应身份证模型。

其中步骤A)的详细步骤如下：

步骤A1)，用部件法建立变循环发动机部件级模型，输入参数有高度H，马赫数Ma，燃油流量W_fb，各几何截面面积包括模式选择活门面积A₁₁₄、前可调涵道引射器面积A₂₂₄、后可调涵道引射器面积A₁₆₃、尾喷管喉道截面面积A₈、尾喷管出口面积A₉，压缩部件导流叶片角度α_Fan、α_CDFS、α_Comp以及低压涡轮导向器安装角α_LTurb，设计PI控制器，控制量为燃油流量W_f，被控制量为高压转子转速n_H，通过经验以及实验整定比例和积分增益，获得含PI控制器的变循环发动机闭环控制系统，PI控制器在工程中已广泛应用，其基本结构与设计过程不再赘述；

步骤A2)，分析变循环发动机不同模式工作特点，设计从双外涵模式切换为单外涵模式再切换回双外涵模式切换控制规律；

步骤A3)，设计变循环发动机在模式切换过程中各个几何可调参数的变化规律如图4，图5所示，给定模式切换时的指令转速为设计高压转速的91.8％，使PI控制器计算跟踪该指令转速的发动机燃油流量，燃油流量变化规律如图6所示，在给出模式切换指令后按照设计的可调几何参数变化规律控制发动机切换过程。

步骤B)的详细步骤如下：

步骤B1)，根据工程实际选择传感器测量参数为高低压转子转速n_L，n_H，风扇后的总温总压T₂₁，P₂₁，外涵15截面总温总压T₁₅，P₁₅，压气机后总温总压T₃，P₃以及低压涡轮后的总温总压T₅，P₅.，不同量测参数具有不同的物理意义，彼此的数量级相差很大，这将会带来矩阵的计算和数据存储的问题。因此将输出参数做归一化处理。同时根据有限测量参数下的候选部件性能特征参数影响分析，确定面向变循环发动机自适应身份证模型的部件性能特征参数；

参数归一化过程如下：

式中，下标含d表示变循环发动机设计点参数。

对于可调几何截面面积的归一化，以该截面最大开度面积为参考进行归一化。

式中下标max表示该截面的最大开度面积。

对于风扇、CDFS、压气机导流叶片角度以及低压涡轮的导向器安装角度的归一化如下所示

发动机部件级模型反映的是同一型号发动机的平均性能，由于制造安装误差，以及发动机老化、磨损等因素造成的性能蜕化，发动机部件级模型与发动机个体之间存在差异性，因此，引入发动机气路部件性能特征参数来表征发动机个体性能差异以及使用时间带来的性能蜕化，气路部件性能特征参数选取旋转部件的效率系数SE_i和流量系数SW_i，定义如下

式中，η_i,w_i为部件的实际效率和流量，而

为部件效率和流量的理想值。本发明中变循环发动机共有五个旋转部件，但由于实际工程应用中测量参数的位置以及数量有限，根据各个性能参数估计的准确性以及可靠性程度对气路部件性能参数进行选择，在仿真实验中CDFS的效率系数与高压涡轮的效率、流量系数估计精度差，会影响整体的估计效果，因此气路部件性能特征参数选择为风扇的效率和流量系数、CDFS的流量系数、压气机和高压涡轮的效率和流量系数，共7个，定义为h＝[SE₁,SW₁,SW₂,SE₃,SW₃,SE₄,SW₄]^T；

步骤B2)，假设变循环发动机部件级非线性数学模型如下：

式中k为时间参数，ω_k和v_k分别为系统独立的系统噪声和量测噪声，且满足ω_k～N(0,Q²)，v_k～N(0,R²)，Q、R分别为噪声的协方差矩阵，选取Q＝0.0015²×I_9×9，R＝0.0015²×I_10×10。x_k代表系统的状态量，u_k为系统的输入量，y_k为系统的传感器量测值。气路部件的性能特征参数通常作为发动机状态量的一部分进行滤波估计，各变量选择为x_k＝[Pn_L,Pn_H,h^T]^T，u_k＝[PW_f,PA₈,PA₂₂₄,PA₁₆₃]^T，y＝[Pn_L,Pn_H,PT₂₁,PP₂₁,PT₁₅,PP₁₅,PT₃,PP₃,PT₅,PP₅]^T。其中，W_f为主燃烧室燃油流量，A₈为尾喷管喉道截面积，A₂₂₄、A₁₆₃分别为前、后可调涵道引射器面积；

步骤B2.1)，变循环发动机扩展卡尔曼滤波器的时间更新与利用变循环发动机个体输出与部件级模型输出之间的残差进行量测更新的计算如下：

时间更新

量测更新：

式中，雅克比矩阵

步骤B2.2)，以后时刻重复进行步骤B2.1)完成性能特征参数的递推估计。

步骤B3)，特别针对不同模式切换过程，在滤波估计时对是否切换进行判断，根据模式切换与否采用不同的滤波估计策略，利用估计的性能参数对个体部件特性进行动态修正，建立模式切换下的变循环发动机自适应身份证模型。

步骤B3.1)，在单一模式下即未发生模式切换时，变循环发动机的滤波估计过程步骤B2)正常进行迭代更新，并存储获得的气路部件性能参数；

步骤B3.2)，在变循环发动机模式切换过程中，滤波估计过程步骤B2)暂停，气路部件性能参数由之前存储的多步估计的气路部件性能参数取均值来代替，当模式切换过程完成后执行步骤B3.1)，计算如下：

步骤B3.3)，用估计出的性能特征参数中各转子部件的效率、流量系数作为发动机个体模型各气路部件特性图中效率、流量数值的缩放系数，对原有通用模型模式切换规律下的部件特性图进行动态缩放修正。具体计算过程如下：

式中，SE′_i,SW′_i为估计出的性能特征参数中各转子部件的效率、流量系数，η_i′,w_i′为部件的调整后的效率和流量。在同样的折合转速下，保持各转子部件特性图曲线的压比坐标数值不变，将特性图中效率、流量坐标数值沿坐标轴方向进行缩放修正。

将调整后的气路部件特性参数用于部件气动热力参数的计算，进行部件特性图动态调整后的部件级模型的计算，建立模式切换下的变循环发动机自适应身份证模型。

为了验证本发明所设计的一种变循环发动机模式切换自适应身份证模型构建方法的有效性，在MATLAB环境下以压气机部件为例进行了如下数字仿真。

在变循环发动机初始状态为地面H＝0m，Ma＝0条件下，初始为双外涵模式，给定控制器指令为91.8％高压转速，模式切换顺序为在0～10s为双外涵模式，在10～13s为双外涵切换为单外涵的动态过程，在13～30s为单外涵模式，30～33s为单外涵模式切换到双外涵模式的动态过程，33～50s为双外涵模式。在第5s时压气机效率下降2％、流量下降1％，控制器根据指令计算获得的燃油流量变化规律如图6所示，可调几何截面面积的变化规律如图4所示，风扇、CDFS和压气机导流叶片角度和低压涡轮导向器安装角变化规律如图5所示。切换为单外涵模式达到稳态后持续17s，之后再切换回双外涵模式。图7(a)给出了变循环发动部件特性修正参数的估计仿真结果，图7(b)，(c)，(d)、(e)给出了变循环发动机模式切换自适应身份证模型的输出参数跟踪结果(限于篇幅，只给出了高低压转子转速和T₃、P₃的跟踪结果)，从仿真图可以看出变循环发动机模式切换自适应身份证模型能够很好的跟踪上发动机个体模型的输出。图8(a)，(b)给出了在此性能变化下，压气机部件特性的修正示意图(以SE₃′＝0.98，SW₃′＝0.99为例)。在同样的折合转速下，保持压气机部件特性图曲线的压比坐标数值不变，将特性图中效率、流量数值沿坐标轴方向进行缩放修正。在部件的效率-流量图中，x轴方向缩放比值为0.99，y轴方向缩放比值为0.98。在部件的压比-流量图中，特性图曲线进行x轴方向上的缩放变化，缩放比值为0.99。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种变循环发动机模式切换自适应身份证模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A)，在变循环发动机部件级模型的基础上设计变循环发动机控制器，分析变循环发动机模式切换控制参数，获得模式切换下的含可调几何参数的变化规律；

步骤B)，根据变循环发动机个体输出与部件级模型输出之间的差异，应用扩展卡尔曼滤波器，设计模式切换过程的滤波估计策略，实现模式切换过程估算变循环发动机转子部件不可测的性能特征参数，进一步修正部件特性，建立模式切换下的变循环发动机自适应身份证模型。

2.如权利要求1所述的一种变循环动机模式切换自适应身份证模型构建方法，其特征在于，所述步骤A)的具体步骤如下：

步骤A1)，采用部件法建模获得变循环发动机部件级模型，输入参数有高度H，马赫数Ma，燃油流量W_fb，各几何可调参数包括模式选择活门面积A₁₁₄、前可调涵道引射器面积A₂₂₄、后可调涵道引射器面积A₁₆₃、尾喷管喉道截面面积A₈、尾喷管出口面积A₉，压缩部件导流叶片角度α_Fan、α_CDFS、α_Comp以及低压涡轮导向器安装角α_LTurb，设计PI控制器结构控制燃油流量W_fb，整定变循环发动机比例和积分增益，获得含PI控制器的变循环发动机闭环控制系统；

步骤A2)，分析变循环发动机不同模式工作特点，设计从双外涵模式切换为单外涵模式再切换回双外涵模式切换控制规律；

步骤A3)，设计变循环发动机在模式切换过程中各个几何可调参数的变化规律，给定模式切换时的指令转速，使PI控制器计算跟踪该指令转速的发动机燃油流量；在给出模式切换指令后按照设计的可调几何参数变化规律控制发动机切换过程。

3.如权利要求1所述的一种变循环发动机模式切换自适应身份证模型构建方法，其特征在于，所述步骤B)的具体步骤如下：

步骤B1)，根据工程实际选择传感器的测量参数，将变循环发动机测量参数即各截面温度压力传感器数据进行归一化处理，同时根据有限测量参数下的候选部件性能特征参数影响分析，确定面向变循环发动机自适应身份证模型的部件性能特征参数；

步骤B2)，根据变循环发动机个体输出与部件级模型输出之间的残差，利用扩展卡尔曼滤波器估计个体的风扇、CDFS、压气机、高压涡轮等气路部件不可测性能变化，获得不同模式下反映变循环发动机个体性能的部件特征参数；

步骤B3)，特别针对不同模式切换过程，在滤波估计时对是否切换进行判断，根据模式切换与否采用不同的滤波估计策略，利用估计的性能参数对个体部件特性进行动态修正，建立模式切换下的变循环发动机自适应身份证模型。

4.如权利要求3所述的一种变循环发动机模式切换自适应身份证模型构建方法，其特征在于，步骤B2)中利用变循环发动机扩展卡尔曼滤波器计算在不同模式下不可测的气路性能特征参数的详细步骤如下：

步骤B2.1)，时间更新，根据上一时刻的性能特征参数后验估计和后验方差生成当前时刻的先验状态估计；量测更新，用变循环发动机个体与部件级模型间的量测残差在对时间更新生成的先验状态估计修正更新，可得出当前时刻的后验估计，即能反映发动机性能变化的特征参数；

步骤B2.2)，以后时刻重复进行步骤B2.1)完成性能特征参数的递推估计。

5.如权利要求3所述的一种变循环发动机模式切换自适应身份证模型构建方法，其特征在于，步骤B3)的具体步骤如下：

步骤B3.1)，在单一模式下即未发生模式切换时，变循环发动机的滤波估计过程步骤B2)正常进行迭代更新，并存储获得的气路部件性能参数；

步骤B3.2)，在变循环发动机模式切换过程中，滤波估计过程步骤B2)暂停，气路部件性能参数由之前存储的多步估计的气路部件性能参数取均值来代替，当模式切换过程完成后执行步骤B3.1)；

步骤B3.3)，将所得的包含效率、流量等系数的气路部件性能特征参数，输入至发动机部件级个体模型的对应部件中，对模式变化规律下的气路部件特性图的流量、效率进行动态修正，建立模式切换下的变循环发动机自适应身份证模型。

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