CN110848045B - 一种小型涡喷发动机加力与自由喷管的耦合控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及小型涡喷发动机加力与自由喷管的耦合控制领域，公开了一种小型涡喷发动机加力与自由喷管的耦合控制方法，目的在于在试验阶段根据发动机实际工作状态调整和确定加力与自由喷管调节的控制规律，通过自动补偿的方式确定加力燃烧室和自由喷管的最佳匹配参数，以加力与自由喷管的耦合控制方式，实现小型涡喷发动机加力燃烧室与自由喷口的协调匹配工作。本发明的小型涡喷发动机加力能与自由喷管自动耦合控制，从而使加力燃油调节系统与作动系统自动匹配调节，并以此快速确定小型涡喷发动机实际最佳性能工况点。

Description

一种小型涡喷发动机加力与自由喷管的耦合控制方法
技术领域
本发明涉及小型涡喷发动机加力与自由喷管的耦合控制领域，更具体的是涉及一种小型涡喷发动机加力与自由喷管的耦合控制方法。
背景技术
带加力燃烧室的小型涡喷发动机控制系统是实现发动机加力燃烧的核心单元，在确定批产控制方案前，需要通过大量试验确定控制方案中的控制参数和最佳工况点。在试验中通过合理的控制方法使加力燃烧室与自由喷管相互匹配，确定小型涡喷发动机实际最佳工况点是为后续批产提供控制方案设计依据的重要途径。目前小型涡喷发动机采用预设自由喷管面积档位的方式进行加力与自由喷口的匹配控制，即在加力燃烧到达某一状态时，自由喷管面积调节至某一特定值与加力燃烧室配合，控制精度无法保证，最佳工况难以达到，极有可能造成危险。
发明内容
基于以上问题，本发明提供了一种小型涡喷发动机加力与自由喷管的耦合控制方法。本发明的小型涡喷发动机加力能与自由喷管自动耦合控制，从而使加力燃油调节系统与作动系统自动匹配调节，并以此快速确定小型涡喷发动机实际最佳性能工况点。
本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
小型涡喷发动机加力与自由喷管耦合控制方法，
步骤一：通过GASTURB仿真软件计算出发动机的推力输出，实际推力通过推力秤进行测量，计算推力输出与实际推力的差值，以此作为加力与自由喷管耦合控制的输入量，
步骤二：通过采集加力燃烧室的工作状态和自由喷管面积调节参数，获取加力燃烧室实际温度参数、加力燃烧室实际压力参数和自由喷管实际面积参数，并与通过GASTURB仿真得到的加力燃烧室仿真温度参数、加力燃烧室仿真压力参数、自由喷管仿真面积参数进行差值求取，得到加力燃烧室温度、加力燃烧室压力和自由喷管面积参数的偏差量，
步骤三：以步骤二中的计算结果作为发动机状态调节分配控制的输入量，并通过PID控制方式得到输出控制信号，实现加力与自由喷管自动耦合控制。
作为一种优选的方式，步骤二自由喷管面积调节参数的采集过程中，采用位移传感器实时采集自由喷管调节作动系统的实际作动行程，并与预设作动行程进行差值求取，以此对实际作动行程进行校正。
作为一种优选的方式，步骤二加力燃烧室实际温度参数和实际压力参数分别从布置在加力燃烧室的温度传感器和压力传感器中获取，以保证加力燃烧室侧壁的完整性，并通过插值法将测量数据进行丰富。
作为一种优选的方式，位移传感器采集自由喷管作动系统的作动行程、温度传感器采集的温度参数、压力传感器采集的压力参数发送到电调控制器，并通过PID控制方法得到输出控制信号，实现加力与自由喷管自动耦合控制。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明通过在加力燃烧室进行高精度的温度、压力测量采集，采用插值计算方法丰富测量数据，利用PID控制方法对小型涡喷发动机加力与自由喷管进行耦合控制，可以实现加力燃油调节系统与作动系统的自动匹配调节，并以此实现小型涡喷发动机试验阶段的最佳性能工况点。
(2)本发明针对现有自由喷管控制系统中作动系统行程按档位固定，无法根据加力燃烧室温度及压力参数进行自动调整的不足，提出了只需要改变控制方式，将加力与自由喷管耦合控制模型引入控制流程中，通过PID控制方式得到输出控制信号，实现加力与自由喷管自动耦合控制的新型控制方法，是一种提高系统控制精度，提升加力与自由喷管耦合度的控制方法。
(3)本发明根据发动机实际工作状态调整和确定加力与自由喷管调节的控制规律，通过自动补偿的方式确定加力燃烧室和自由喷管的最佳匹配参数，以加力与自由喷管的耦合控制方式，实现小型涡喷发动机加力燃烧室与自由喷口的协调匹配工作。
(4)本发明中利用位移传感器、温度传感器、转速传感器和压力传感器对加力燃烧室和自由喷管的工作状态进行采集，通过差值求取、插值计算和PID控制和发动机加力状态调节等算法实现小型涡喷发动机加力与自由喷管的耦合控制。
附图说明
图1是小型涡喷发动机加力与自由喷管耦合控制框图。
图2是电调控制器及小型涡喷发动机附件的整体结构图；
图3是作动系统行程控制流程图；
图4是加力燃烧室、压力传感器、温度传感器位置图；
图5是压力传感器、温度传感器分布在加力燃烧室的分布图。
具体实施方式
为了本技术领域的人员更好的理解本发明，下面结合附图和以下实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
参见图1～5，小型涡喷发动机加力与自由喷管耦合控制方法，
步骤一：通过GASTURB仿真软件计算出发动机的推力输出，实际推力通过推力秤进行测量，计算推力输出与实际推力的差值，以此作为加力与自由喷管耦合控制的输入量，
步骤二：通过采集加力燃烧室的工作状态和自由喷管面积调节参数，获取加力燃烧室实际温度参数、加力燃烧室实际压力参数和自由喷管实际面积参数，并与通过GASTURB仿真得到的加力燃烧室仿真温度参数、加力燃烧室仿真压力参数、自由喷管仿真面积参数进行差值求取，得到加力燃烧室温度、加力燃烧室压力和自由喷管面积参数的偏差量，
步骤三：以步骤二中的计算结果作为发动机状态调节分配控制的输入量，并通过PID控制方式得到输出控制信号，实现加力与自由喷管自动耦合控制。
步骤二自由喷管面积调节参数的采集过程中，采用位移传感器实时采集自由喷管调节作动系统的实际作动行程，并与预设作动行程进行差值求取，以此对实际作动行程进行校正。
步骤二加力燃烧室实际温度参数和实际压力参数分别从布置在加力燃烧室的温度传感器和压力传感器中获取，以保证加力燃烧室侧壁的完整性，并通过插值法将测量数据进行丰富。
位移传感器采集自由喷管作动系统的作动行程、温度传感器采集的温度参数、压力传感器采集的压力参数发送到电调控制器，并通过PID控制方法得到输出控制信号，实现加力与自由喷管自动耦合控制。
在本实施例中，小型涡喷发动机开启加力工作状态时，电调控制器向加力燃油调节系统和自由喷管下发控制信号，加力燃油调节系统对燃油流量进行调节，作动系统按照预设程序执行推/拉作动动作，自由喷管随之执行喷口收/扩动作，配合加力燃烧实现加力增推的目标；作动系统上安装的位移传感器采集并反馈作动行程给电调控制器，可以对发动机自由喷管面积进行监控；加力燃烧室侧壁安装的压力传感器和温度传感器反馈对应状态信息给电调控制器，可以对发动机加力燃烧状态进行监控；因发动机为现有技术，且发动机由发动机状态采集组件进行监控，并能够对发动机的安全稳定运行进行监控，而发动机状态采集组件包括：进气压力传感器、压气机出口压力传感器、滑油压力传感器、进气温度传感器、排气温度传感器、转速传感器和位移传感器，转速传感器采集转速参数，而燃油调节系统根据转速参数进行燃油量调节，滑油压力传感器、排气温度传感器、进气温度传感器采集小型涡喷发动机必要的环境和状态参数，保证小型涡喷发动机的安全性。
通过作动系统自带的位移传感器对作动行程进行行程误差计算，并针对作动行程上出现的误差，采用PID控制方法对行程误差进行初步作动行程误差补偿。合理选择加力燃烧室温度传感器和压力传感器的安装位置，在测量区域内可以设计少量温度测量点和压力测量点。将各温度测量点和压力测量点的结果进行插值计算，用以丰富数据，测量加力燃烧室内截面温度参数和压力参数。通过电调控制器内的差分电路、滤波电路及PID控制方法对采集到的截面温度参数和压力参数进行固有误差校正，基线偏移量校正，噪声滤除和直流偏置滤除操作，使原始数据得到校正。
通过采集加力燃烧室的工作状态和自由喷管面积调节参数，获取加力燃烧室实际温度参数、加力燃烧室实际压力参数和自由喷管实际面积参数，并与通过GASTURB仿真得到的加力燃烧室仿真温度参数、加力燃烧室仿真压力参数、自由喷管仿真面积参数进行差值求取，得到加力燃烧室温度、加力燃烧室压力和自由喷管面积参数的偏差量，并将计算出的偏差量作为发动机状态调节分配控制的输入量，并通过PID控制方式得到输出控制信号，实现加力与自由喷管自动耦合控制。
具体地，如图3所示，作动系统的行程控制是通过行程记录，行程误差补偿实现的。在系统准备就绪后，有电调控制器发出控制指令，作动系统开始执行推/拉动作，同时采用安装于作动系统的丝杠上的位移传感器对作动行程进行测量，作动行程的误差规定为≤0.5mm，推/拉动作结束后，对行程进行误差判别和校正，直至误差在可接受范围内。位移传感器响应速度快，其输出结果能够直接被电调控制器采集，无需计算，因此，将其作为作动行程采集装置。
具体地，如附图4～5所示，通过选择合理的加力燃烧室温度测量点和压力测量点，安装温度传感器和压力传感器，获取加力燃烧室内温度值和压力值。传感器的原始信号传输给电调控制器，由电调控制器对信号进行运算和处理。从结构强度上考虑，加力燃烧室布置的传感器应尽量少，以保证加力燃烧室的完整性，且加力燃烧室内流畅均匀，单一测量点能够反应所在截面的温度和压力。因此，为了确定最佳测量点的轴向位置，如图在加力燃烧室轴向位置均匀布置4个温度传感器和4个压力传感器，获得温度和压力测量结果后，进行插值计算，插值计算由电调控制器及其控制程序完成。
利用插值多项式：
P(x)＝anxn+an-1xn-1+an-2xn-2……+a1x+a0
T(x)＝cnxn+cn-1xn-1+cn-2xn-2……+c1x+c0
式中P(x)为加力燃烧室轴向任意位置处的截面压力参数，T(x)为加力燃烧室轴向任意位置处的截面温度参数，n＝4，an，an-1……a0和cn，cn-1……c0为根据测点压力和温度测量结果计算出的常系数，x为轴向位置，通过以上参数能够确定轴向任意位置的压力和温度参数，选择最佳压力和温度测量点。
具体地，通过GASTURB仿真软件计算出发动机在个工况点转速对应的推力输出，与该转速下对应的实际推力输出进行比较和差值求取，实际推力通过推力秤进行测量。以仿真推力输出和实际推力输出的差值作为加力与自由喷管耦合控制的输入量。通过预先仿真模型计算和加力燃烧室部件试验得到最佳压力和温度测量点的温度值和压力值，与实测数据和差值所得数据进行差值求取，以该差值作为发动机加力工作状态是否达标的评判标准以及加力状态调节分配比例的依据。
具体地，如图1所示，加力与自由喷管耦合控制的控制流程如下，在发动机加力状态偏差计算后，与预设状态偏差进行比较：当偏差为正，则认为加力状态过剩，需要减少加力燃油供给，同时减小自由喷管面积，这时作动系统执行拉动作；当偏差为负，则证明加力状态需要补偿，增加加力燃油供给，增大自由喷管面积，这时作动系统执行推动作；当偏差在可接受范围内，加力燃油系统与作动系统不进行额外补偿措施，维持原状态不变。通过发动机加力状态调节分配，对耦合控制的输出进行权重分配，同时补偿至燃油调节输出信号和作动行程输出信号。
加力状态调节的权重分配由发动机加力状态调节分配模块进行确定。通过仿真计算，确定加力燃烧燃油量变化与自由喷管面积变化对分别推力输出的影响及其相互之间的耦合影响，按照计算结果将发动机加力状态调节比例在不同工况下确定为b1：b2，信号补偿采用反向补偿的方式，以实现对推力输出偏差量的补偿。
本实施方式比较适用于2000kgf以下带加力燃烧室的小型涡喷发动机的控制规律摸索阶段。
在本实施例中，PID控制方法是根据给定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。因PID控制方法为现有技术，所以此处不再赘述。
如上即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种小型涡喷发动机加力与自由喷管的耦合控制方法，其特征在于，
步骤一：通过GASTURB仿真软件计算出发动机的推力输出，实际推力通过推力秤进行测量，计算推力输出与实际推力的差值，以此作为加力与自由喷管耦合控制的输入量，
步骤二：通过采集加力燃烧室的工作状态和自由喷管面积调节参数，获取加力燃烧室实际温度参数、加力燃烧室实际压力参数和自由喷管实际面积参数，并与通过GASTURB仿真得到的加力燃烧室仿真温度参数、加力燃烧室仿真压力参数、自由喷管仿真面积参数进行差值求取，得到加力燃烧室温度、加力燃烧室压力和自由喷管面积参数的偏差量，
步骤三：以步骤二中的计算结果作为发动机状态调节分配控制的输入量，并通过PID控制方式得到输出控制信号，实现加力与自由喷管自动耦合控制。
2.根据权利要求1所述的一种小型涡喷发动机加力与自由喷管的耦合控制方法，其特征在于：所述步骤二自由喷管面积调节参数的采集过程中，采用位移传感器实时采集自由喷管调节作动系统的实际作动行程，并与预设作动行程进行差值求取，以此对实际作动行程进行校正。
3.根据权利要求2所述的一种小型涡喷发动机加力与自由喷管的耦合控制方法，其特征在于：所述步骤二加力燃烧室实际温度参数和实际压力参数分别从布置在加力燃烧室的温度传感器和压力传感器中获取，以保证加力燃烧室侧壁的完整性，并通过插值法将测量数据进行插值计算。
4.根据权利要求3所述的一种小型涡喷发动机加力与自由喷管的耦合控制方法，其特征在于：所述位移传感器采集自由喷管作动系统的作动行程、温度传感器采集的温度参数、压力传感器采集的压力参数发送到电调控制器，并通过PID控制方法得到输出控制信号，实现加力与自由喷管自动耦合控制。
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