CN111666648A - 一种航空发动机动态特性模拟方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明属于飞行模拟技术领域,具体涉及一种航空发动机动态特性模拟方法。
背景技术
国内飞行模拟技术的发展经历了由国外引进到自行开发的过程,目前我国已发展成为飞行模拟器的出口国。但从已公开的文献来看,发动机性能参数基本上都是采用稳态数据,没有考虑发动机油门杆操纵之后,发动机性能参数需经过一定的延迟时间后才能达到稳态值,没有把动态特性模拟出来,尤其是对需要模拟加减速性及频繁操纵油门的飞行模拟。
发明内容
本发明所要解决的是现有飞机发动机特性模拟均采用稳态数据,没有动态特性模拟的技术问题,提供一种航空发动机动态特性模拟方法,可以比较精准的模拟发动机的动态特性数据,为飞行器的性能仿真提供更准确的数据,提高飞行仿真的精度。
为了解决本发明的技术问题,本发明是通过以下技术方案实现的:通过对发动机工作时推力、耗油、转速、空气流量、排气温度等参数的研究,提出一种基于PID控制的航空发动机动态特性模拟方法。采用工程应用中较为广泛的PID控制算法,建立了发动机推力、转子转速、燃油流量以及排气温度的动态特性仿真模型,通过对发动机稳态特性数据及地面台架试验获取的典型状态发动机加减速特性数据分析,从而获取PID控制模型中的KP、KI、KD参数,最后模拟出发动机动态特性数据。
本公开的一方面:一种航空发动机动态特性模拟方法,包括以下步骤:
第一步:向发动机研制单位获取发动机稳态特性数据和典型状态发动机加减速特性数据或曲线;
第二步:根据发动机研制单位提供的根据发动机稳态特性数据,编制三维插值程序,可以获取任意高度、速度及油门杆角度组合对应的发动机稳态特性数据;
第三步:基于PID控制算法,建立发动机推力、转子转速、燃油流量以及排气温度的动态特性仿真模型,
式中:e(t)作为PID控制器的输入,为给定值与实际输出值构成控制偏差,e(t)=r(t)-u(t),r(t)为发动机稳态特性数据,由发动机研制单位提供,u(t)是系统的实际输出值,为发动机实时特性数据;KP为比例系数,TI为积分时间,TD为微分时间,u0为控制常量;KPe(t)为比例项,为积分项,为微分项;
第四步:对公式(1)中的积分项和微分项离散化处理;
离散化处理的方法为:以T作为采样周期,k为采样序号,则连续时间t离散对应着采样时间k·T,u(t)、e(t)分别对应的离散量为uk、ek,计算公式如下:
t≈kT,k=0,1,2,3,...........................................(22)
从而得到离散的PID表达式:
为提高计算效率,采用下式进行计算:
uk=uk-1+Δuk..................................................(6)
Δuk=KP(ek-ek-1)+KIek+KD(ek-2ek-1+ek-2)..........................(7)
ek=r(k-1)-u(k-1)...............................................(8)
式中,KI=KPT/TI称为积分系数;
KD=KPTD/T称为微分系数;
第五步:以采样时间为T,采样序号为k,计算任意时刻t=k*T的发动机动态特性数据;当k≤3时,发动机动态特性数据近似等于稳态特性数据;当k>3时,按照公式(6)、(7)、(8)计算出发动机动态特性数据,其中KP、KI、KD为调节系数,不同的发动机对应的PID参数不一样;
第六步:调节KP、KI、KD三个控制参数,直到计算出的发动机动态特性与发动机研制单位提供的发动机地面台架试验试验曲线基本吻合为止。
一种可能实现的方式中,所述第一步中发动机稳态特性数据包括发动机高度速度特性、节流特性数据。
一种可能实现的方式中,所述第一步中典型状态发动机加减速特性数据或曲线是指发动机研制单位在地面台架试验获取不同发动机状态之间的加减速特性数据或曲线,其中必须包含有发动机从慢车到最大状态的加速性、最大到慢车的减速性、部分中间状态到最大状态的加速性和部分中间状态到慢车的减速性。
一种可能实现的方式中,所述第二步中获取任意高度、速度及油门杆角度组合对应的发动机稳态特性数据包括发动机的推力、耗油率、燃油流量、空气流量,高压转子转速、低压转子转速、低压涡轮排气温度参数。
一种可能实现的方式中,所述第六步步骤包括将高度分段调节,不同高度调节出不同的KP、KI、KD控制参数的步骤。
与现有技术相比,本发明获得的有益效果是:
本发明公开的一种航空发动机动态特性模拟方法,基于PID控制方法形成的发动机仿真计算程序,可以实时动态的模拟发动机各个性能参数,为飞行器飞行仿真提供更为准确的发动机特性数据,可以大幅提高飞行器机动过程中的准确性,提高飞行模拟的真实性并提高飞行模拟器的训练效能。
本发明公开的一种航空发动机动态特性模拟方法,发动机的推力、耗油率、转速、排气温度等特性参数均可以通过PID控制方法进行仿真,其典型的PID调节器根据系统误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制,具有不需要建立数学模型和控制效果好等优点。
附图说明
图1为基于PID控制方法的发动机动态特性仿真原理图。
具体实施方式
下面结合附图,对实施例进行详细说明。
一种航空发动机动态特性模拟方法,包括以下步骤:
第一步:向发动机研制单位获取发动机稳态特性数据和典型状态发动机加减速特性数据或曲线;
典型状态发动机加减速特性数据或曲线是指发动机研制单位在地面台架试验获取不同发动机状态之间的加减速特性数据或曲线,其中必须包含有发动机从慢车到最大状态的加速性、最大到慢车的减速性、部分中间状态到最大状态的加速性和部分中间状态到慢车的减速性。
第二步:根据发动机研制单位提供的根据发动机稳态特性数据,编制三维插值程序,可以获取任意高度、速度及油门杆角度组合对应的发动机稳态特性数据,包括发动机的推力、耗油率、燃油流量、空气流量,高压转子转速、低压转子转速、低压涡轮排气温度参数。
第三步:基于PID控制算法,建立发动机推力、转子转速、燃油流量以及排气温度的动态特性仿真模型;
发动机的推力、耗油率、转速、排气温度等特性参数均可以通过PID控制方法进行仿真,其典型的PID调节器根据系统误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制,具有不需要建立数学模型和控制效果好等优点。PID调节器由比例调节、积分调节和微分调节三项组成。基于PID控制方法的发动机动态特性仿真原理图如图1所示。
图1基于PID控制方法的发动机动态特性仿真原理图
图1中,α(t)是发动机油门杆角度,r(t)为发动机稳态特性数据,由发动机研制单位提供,u(t)是系统的实际输出值,为发动机实时特性数据,e(t)作为PID控制器的输入,为给定值与实际输出值构成控制偏差,e(t)=r(t)-u(t)。
基于PID控制算法,建立发动机推力、转子转速、燃油流量以及排气温度的动态特性仿真模型,
比例环节的作用是对偏差瞬间做出快速反应,偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用,使控制量向减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数KP,KP越大,控制越强,但过大的KP会导致系统震荡,破坏系统的稳定性。
积分环节的作用是把偏差的积累作为输出。在控制过程中,只要有偏差存在,积分环节的输出就会不断增大。直到偏差e(t)=0,输出的u(t)才可能维持在某一常量,使系统在给定值r(t)不变的条件下趋于稳态。积分环节的调节作用虽然会消除静态误差,但也会降低系统的响应速度,增加系统的超调量。积分常数TI越大,积分的累积作用越弱。增大积分常数TI会减慢静态误差的消除过程,但可以减少超调量,提高系统的稳定性。所以,必须根据实际控制的具体要求来确定TI。
微分环节的作用是阻止偏差的变化。它是根据偏差的变化趋势进行控制。偏差变化的越快,微分控制器的输出越大,并能在偏差值变大之前进行修正。微分作用的引入,有助于减小超调量,克服震荡,使系统趋于稳定。适当的选择微分常数TD,可以使微分的作用达到最优。
第四步:对公式(1)中的积分项和微分项离散化处理;
离散化处理的方法为:以T作为采样周期,k为采样序号,则连续时间t离散对应着采样时间k·T,u(t)、e(t)分别对应的离散量为uk、ek,计算公式如下:
t≈kT,k=0,1,2,3,..........................................(29)
从而得到离散的PID表达式:
为提高计算效率,采用下式进行计算:
uk=uk-1+Δuk.................................................(13)
Δuk=KP(ek-ek-1)+KIek+KD(ek-2ek-1+ek-2)..........................(14)
ek=r(k-1)-u(k-1)...............................................(8)
式中,KI=KPT/TI称为积分系数;
KD=KPTD/T称为微分系数;
第五步:以采样时间为T,采样序号为k,计算任意时刻t=k*T的发动机动态特性数据;当k≤3时,发动机动态特性数据近似等于稳态特性数据;当k>3时,按照公式(6)、(7)、(8)计算出发动机动态特性数据,其中KP、KI、KD为调节系数,不同的发动机对应的PID参数不一样;
第六步:调节KP、KI、KD三个控制参数,直到计算出的发动机动态特性与发动机研制单位提供的发动机地面台架试验试验曲线基本吻合为止。三个控制参数对计算结果的影响关系见公式(1)说明中。
第七步,发动机动态特性随高度变化较大,极难找到合适的KP、KI、KD控制参数满足发动机工作的所有高度,可以将高度分段加以解决。不同高度调节出不同的KP、KI、KD控制参数,可以大幅减少调节KP、KI、KD参数的时间并提高发动机动态特性模拟精度。
以上列举的仅是本发明的具体实施例之一。显然,本发明不限于以上实施例,还可以有许多类似的改形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形,均应认为是本发明所要保护的范围。
Claims (5)
1.一种航空发动机动态特性模拟方法,其特征在于:包括以下步骤:
第一步:向发动机研制单位获取发动机稳态特性数据和典型状态发动机加减速特性数据或曲线;
第二步:根据发动机研制单位提供的根据发动机稳态特性数据,编制三维插值程序,可以获取任意高度、速度及油门杆角度组合对应的发动机稳态特性数据;
第三步:基于PID控制算法,建立发动机推力、转子转速、燃油流量以及排气温度的动态特性仿真模型,
式中:e(t)作为PID控制器的输入,为给定值与实际输出值构成控制偏差,e(t)=r(t)-u(t),r(t)为发动机稳态特性数据,由发动机研制单位提供,u(t)是系统的实际输出值,为发动机实时特性数据;KP为比例系数,TI为积分时间,TD为微分时间,u0为控制常量;KPe(t)为比例项,为积分项,为微分项;
第四步:对公式(1)中的积分项和微分项离散化处理;
离散化处理的方法为:以T作为采样周期,k为采样序号,则连续时间t离散对应着采样时间k·T,u(t)、e(t)分别对应的离散量为uk、ek,计算公式如下:
t≈kT,k=0,1,2,3,..........................................(22)
从而得到离散的PID表达式:
为提高计算效率,采用下式进行计算:
uk=uk-1+Δuk..................................................(6)
Δuk=KP(ek-ek-1)+KIek+KD(ek-2ek-1+ek-2)..........................(7)
ek=r(k-1)-u(k-1)..............................................(8)
式中,KI=KPT/TI称为积分系数;
KD=KPTD/T称为微分系数;
第五步:以采样时间为T,采样序号为k,计算任意时刻t=k*T的发动机动态特性数据;当k≤3时,发动机动态特性数据近似等于稳态特性数据;当k>3时,按照公式(6)、(7)、(8)计算出发动机动态特性数据,其中KP、KI、KD为调节系数,不同的发动机对应的PID参数不一样;
第六步:调节KP、KI、KD三个控制参数,直到计算出的发动机动态特性与发动机研制单位提供的发动机地面台架试验试验曲线吻合为止。
2.如权利要求1所述的一种航空发动机动态特性模拟方法,其特征在于:所述第一步中发动机稳态特性数据包括发动机高度速度特性、节流特性数据。
3.如权利要求1所述的一种航空发动机动态特性模拟方法,其特征在于:所述第一步中典型状态发动机加减速特性数据或曲线是指发动机研制单位在地面台架试验获取不同发动机状态之间的加减速特性数据或曲线,其中必须包含有发动机从慢车到最大状态的加速性、最大到慢车的减速性、部分中间状态到最大状态的加速性和部分中间状态到慢车的减速性。
4.如权利要求1所述的一种航空发动机动态特性模拟方法,其特征在于:所述第二步中获取任意高度、速度及油门杆角度组合对应的发动机稳态特性数据包括发动机的推力、耗油率、燃油流量、空气流量,高压转子转速、低压转子转速、低压涡轮排气温度参数。
5.如权利要求1所述的一种航空发动机动态特性模拟方法,其特征在于:所述第六步步骤包括将高度分段调节,不同高度调节出不同的KP、KI、KD控制参数的步骤。
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