CN111042929A - 采用油泵供油的中小型涡喷发动机转速回路控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用油泵供油的中小型涡喷发动机转速回路控制方法，包括如下步骤：控制器读取发动机的转速指令、发动机的转速、环境温度与环境压力，计算出换算转速；根据换算转速在插值表上进行查询，得到相应的换算增益参数与换算时间参数；根据上述参数计算实际发动机增益和时间常数；从flash参数中读取期望闭环系统时间常数与油泵增益参数，根据上述参数计算控制器比例参数与控制器积分参数；计算转速误差，将转速误差、控制器比例参数及控制器积分参数作为PI控制器输入，得到输出油泵电压。该方案可有效解决因油泵不一致所带来的控制效果变差的问题，保证了油泵的可互换性，同时解耦后的控制参数可进行相似换算，达到全包线内扩展控制的目的。
Description
技术领域
本方法适用于采用油泵供油的中小型涡喷发动机转速回路控制。
背景技术
中小型涡喷发动机广泛采用单个油泵作为执行机构进行发动机转速闭环控制，从而实现发动机推力的间接调节。目前转速闭环控制主要采用增量式PI控制算法，主要原理如图1所示，具体工作过程如下。
（1） 控制器读取转速指令N_dem，根据转速指令插值获取PI控制器参数Kp和Ti；
（2） 控制器采集当前时刻的转速实际值N，计算获取期望值与实际值之间的误差e_N；
（3） 将Kp、Ti和e_N作为增量式PI控制器的输入计算出油泵电压增量deltaVpu；
（4） 油泵电压增量deltaVpu加上前一时刻的油泵电压Vpu_last获得Vpu，输出给油泵，油泵输出燃油供给发动机实现转速闭环控制。
现有转速闭环控制算法存在以下不足：
（1）发动机本体在运行包线内存在相似换算特性，油泵则不具备该特性。由于该算法没有将发动机特性和油泵特性分开考虑。因此，控制参数无法在运行包线内修正。
（2）由于生产制造的差异，不同油泵其特性往往存在区别，而其作为可更换的部件，一旦更换或由于其他技术原因采用新油泵，已有PI控制参数将失去有效性，所有参数需要重新调试获取，将额外增加工作量，并且不利于技术状态的管理。
a) 发明内容
针对现有控制方法的不足，本发明提出一种油泵特性和对象特性分离设计的涡喷发动机转速控制方法。该方法分别考虑油泵特性和发动机本体特性，将PI控制参数分解为发动机部分和油泵部分，其中发动机部分可根据相似原理在飞行包线内扩展，而油泵部分则与实际使用油泵一一对应。从而保证发动机在全包线内的控制性能同时使得油泵具备较好的互换性。
本发明采用如下技术手段实现：采用油泵供油的中小型涡喷发动机转速回路控制方法，包括如下步骤：
1）控制器读取发动机的转速指令、发动机的转速、环境温度与环境压力，计算出换算转速；
2）根据换算转速在插值表上进行查询，得到相应的换算增益参数与换算时间参数；
3）根据上述参数计算实际发动机增益和时间常数；
4）从flash参数中读取期望闭环系统时间常数与油泵增益参数，根据上述参数计算控制器比例参数与控制器积分参数；
5）计算转速误差，将转速误差、控制器比例参数及控制器积分参数作为PI控制器输入，得到输出油泵电压。
步骤2中所述插值表计算方法如下：
1）将发动机的推力范围从小到大进行分档，按照档位进行闭环控制，分别记录不同档位下的油泵电压；
2）将发动机设为手动开环控制模式，记录环境总温与环境总压，并根据步骤1的油泵电压进行阶跃试验，实时记录阶跃试验过程中的转速曲线；
3）以步骤2中阶跃前后的油泵电压作为输入，以转速曲线作为输出，以传递函数Kae_c/（TaeS+1）作为辨识目标，通过特性你和获取不同转速下的增益参数和时间常数，得到发动机增益，
发动机增益Kae=Kae_c/Kpu，
Kae_c为增益参数，Kpu为油泵电压到燃油流量的增益系数；
4）根据发动机转速、增益参数、时间常数进行相似转换，得到换算转速、换算增益参数、换算时间常数，
换算转速Nr = N/sqrt（T1t/288.15），
换算增益参数Kaer = Kae×（P1t/101.325），
换算时间常数Taer = Tae×（P1t/101.325）/ sqrt（T1t/288.15），
N为发动机转速，Tae为时间常数，T1t为环境总温，P1t为环境总压；
5）利用步骤4得到的相关参数制作插值表，所述插值表设置两张，插值表横坐标均为换算转速，纵坐标分别为换算增益参数及换算时间常数。
所述油泵电压到燃油流量的增益系数计算方法如下：
1）在油泵出油管路末端增加流量计，给油泵供电至出油点；
2）以最大供电电压的10%为阶跃量，记录稳态输出电压和燃油流量；
3）以一元一次多项式拟合步骤2中数据，获取油泵电压到燃油流量的增益系数。
步骤4中制器比例参数与控制器积分参数计算方式如下：
控制器比例参数Kp=Tae/（Tc×Kpu×Kae）；
控制器积分参数Ti=Tae。
b) 有益效果
本发明所提供的涡喷发动机控制方法将控制参数中的油泵特性和发动机特性进行了充分解耦，控制参数能够根据飞行包线和油泵特性分别修正，可以防止因油泵更换带来的控制性能恶化，并使得控制参数能够进行相似换算，保证发动机在全包线内的控制性能。
附图说明
图1是现有的转速回路控制图。
图2是涡喷发动机控制主要环节的示意图。
图3是本专利的详细原理图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明进行进一步详述：
本发明涉及一种采用油泵供油的中小型涡喷发动机转速回路控制方法，其与现有技术不同的是，其将PI参数中的油泵增益参数与发动机特性参数分开进行获取，从而实现不同的发动机采用不同的控制参数。
具体的实施方案如下：
（1） 油泵增益参数获取。
（a） 在油泵出油管路末端增加流量计，给油泵供电至出油点；
（b） 以最大供电电压的10%为阶跃量，记录稳态输出电压和燃油流量；
（c）以一元一次多项式拟合（b）中数据，获取油泵电压到燃油流量的增益系数Kpu。
（2） 发动机特性参数获取。
（a） 将发动机按照推力等级分为12档，按档位进行闭环控制，分别记录不同档位下闭环稳定后的油泵电压；
（b） 设置发动机为手动开环控制模式，记录环境总温T1t和环境总压P1t，按照（a）中的油泵电压进行阶跃试验，实时记录阶跃试验过程中转速曲线；
（c）以（b）中阶跃前后的油泵电压作为输入，以（b）中转速曲线作为输出，以传递函数Kae_c/（TaeS+1）为辨识目标，通过特性拟合的方法获取不同转速N下的增益参数Kae_c和时间常数Tae，则发动机增益Kae=Kae_c/Kpu；
（d） 对发动机特性参数和转速进行相似转换，公式如下。
换算转速Nr = N/sqrt（T1t/288.15）；
换算增益参数Kaer = Kae×（P1t/101.325）；
换算时间常数Taer = Tae×（P1t/101.325）/ sqrt（T1t/288.15）。
（e） 将（d）中的Nr、Kaer、Taer做成两张二维插值表，横坐标为Nr，纵坐标分别为Kaer和Taer。
（3） 涡喷发动机油泵特性和对象特性分离的转速控制方法详细原理图如图3所示，主要工作过程如下。
（a） 控制器获取控制指令N_dem、转速N、环境总温T1t和环境总压P1t，计算换算转速Nr；
（b） 根据换算转速Nr和第（2）步（e）中的插值表插值获取换算增益参数Kaer和换算时间常数Taer；
（c）根据Kaer和Taer计算实际发动机增益Kae和时间常数Tae，计算公式如下。
Kae= Kaer/（P1t/101.325）；
Tae= Taer×sqrt（T1t/101.325）/（P1t/101.325）。
（d） 从flash参数中读取期望闭环系统时间常数Tc和油泵增益参数Kpu，根据如下计算公式计算PI参数。
为保证闭环控制的响应速度同时具有一定的稳定裕度，闭环控制的期望传递函数为1/（TcS+1），其中Tc为闭环系统的时间常数，取值为0.2。期望的前向通道传递函数为1/TcS，存在如下等式关系。
1/TcS= Kp×（1+1/TiS）×Kpu×Kae/（TaeS+1）。
令Ti = Tae，则可以确定比例参数Kp如下。
控制器比例参数Kp=Tae/（Tc×Kpu×Kae）；
控制器积分参数Ti=Tae。
计算转速误差e_N= N_dem- N，将e_N、Kp和Ti作为PI控制器的输入，从而获得输出油泵电压Vpump。
Claims (4)
1.采用油泵供油的中小型涡喷发动机转速回路控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
1）控制器读取发动机的转速指令、发动机的转速、环境温度与环境压力，计算出换算转速；
2）根据换算转速在插值表上进行查询，得到相应的换算增益参数与换算时间参数；
3）根据上述参数计算实际发动机增益和时间常数；
4）从flash参数中读取期望闭环系统时间常数与油泵增益参数，根据上述参数计算控制器比例参数与控制器积分参数；
5）计算转速误差，将转速误差、控制器比例参数及控制器积分参数作为PI控制器输入，得到输出油泵电压。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：步骤2中所述插值表计算方法如下：
1）将发动机的推力范围从小到大进行分档，按照档位进行闭环控制，分别记录不同档位下的油泵电压；
2）将发动机设为手动开环控制模式，记录环境总温与环境总压，并根据步骤1的油泵电压进行阶跃试验，实时记录阶跃试验过程中的转速曲线；
3）以步骤2中阶跃前后的油泵电压作为输入，以转速曲线作为输出，以传递函数Kae_c/（TaeS+1）作为辨识目标，通过特性拟合获取不同转速下的增益参数和时间常数，得到发动机增益，
发动机增益Kae=Kae_c/Kpu，
Kae_c为增益参数，Kpu为油泵电压到燃油流量的增益系数；
4）根据发动机转速、增益参数、时间常数进行相似转换，得到换算转速、换算增益参数、换算时间常数，
换算转速Nr = N/sqrt（T1t/288.15），
换算增益参数Kaer = Kae×（P1t/101.325），
换算时间常数Taer = Tae×（P1t/101.325）/ sqrt（T1t/288.15），
N为发动机转速，Tae为时间常数，T1t为环境总温，P1t为环境总压；
5）利用步骤4得到的相关参数制作插值表，所述插值表设置两张，插值表横坐标均为换算转速，纵坐标分别为换算增益参数及换算时间常数。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：所述油泵电压到燃油流量的增益系数计算方法如下：
1）在油泵出油管路末端增加流量计，给油泵供电至出油点；
2）以最大供电电压的10%为阶跃量，记录稳态输出电压和燃油流量；
3）以一元一次多项式拟合步骤2中数据，获取油泵电压到燃油流量的增益系数。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：步骤4中制器比例参数与控制器积分参数计算方式如下：
控制器比例参数Kp=Tae/（Tc×Kpu×Kae）；
控制器积分参数Ti=Tae。
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