CN112711278B - 变循环发动机模态转换恒定流量控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变循环发动机模态转换恒定流量控制方法。本发明方法以模态转换过程中的发动机进口流量恒定为控制目标，以风扇转速Nl和压气机转速Nh作为状态变量，以供油量Wfb和尾喷管喉道面积A8作为控制变量，以风扇转速Nl及风扇静压变化ΔP与风扇进口总压Pt2的比值ΔP/Pt2为输出变量，对所述变循环发动机进行闭环控制。相比现有技术，本发明在模态转换过程中控制流量恒定，使得发动机与进气道流量较好匹配，降低进气道溢流阻力，提高发动机安装推力性能。

Description

变循环发动机模态转换恒定流量控制方法
技术领域
本发明属于航空宇航推进理论与工程中的系统建模与仿真领域，具体涉及一种变循环发动机模态转换恒定流量控制方法。
背景技术
变循环发动机自20世纪60年代起在美国已经开展了一系列长期研究计划，在这些研究中变循环发动机的技术已逐步走向成熟。变循环发动机通过调节可调部件几何参数改变发动机涵道比及相关性能，使发动机兼具大涵道比涡扇发动机的低耗油及小涵道比涡扇大推力的特点。变循环发动机涡扇及涡喷两种模式的切换是通过模态转换来完成的，模态转换即为调节发动机模式选择活门的开闭来进行大涵道比及小涵道比的切换，若是打开模式选择活门，则发动机是以涡扇模式运行(大涵道比)，若是关闭模式选择活门。为此，模态转换过程成了变循环发动机的亮点及热门研究内容。
目前，国内外关于双外涵变循环发动机模式转换进行了大量研究，其中包括了模态转换过程发动机可调部件调节规律，发动机在模态转换过程中性能变化情况等。国内周红等人针对双外涵变循环发动机可变几何特性进行研究，分析了变循环发动机在不同工作状态下几何调节变量的控制规律；南京航空航天大学苟学中对双外涵变循环发动机建模及控制规律进行研究，并对单双外涵模态及过渡态控制做了进一步分析；刘增文等人数值模拟了变循环发动机模态转换过程，设计了变循环发动机模态转换方案，确立了模态转换时的多部件调节规律。国外美国GE公司对双外涵变循环发动机开展部件和整机试验验证。然而在现有的模式转换控制规律研究中，控制方法均采用开环控制调节变循环发动机可调部件，虽实现了发动机平稳切换，但却并未考虑模态转换过程中发动机与进气道流量匹配问题，即不能保证发动机转换过程中流量恒定，这会增大进气道溢流阻力，对变循环发动机安装性能来说是不利的。因此，研究变循环发动机模态转换恒定流量控制具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种变循环发动机模态转换恒定流量控制方法，在模态转换过程中控制流量恒定，使得发动机与进气道流量较好匹配，降低进气道溢流阻力，提高发动机安装推力性能。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
变循环发动机模态转换恒定流量控制方法，以模态转换过程中的发动机进口流量恒定为控制目标，以风扇转速Nl和压气机转速Nh作为状态变量，以供油量Wfb和尾喷管喉道面积A8作为控制变量，以风扇转速Nl及风扇静压变化ΔP与风扇进口总压Pt2的比值ΔP/Pt2为输出变量，对所述变循环发动机进行闭环控制。
进一步地，所述状态变量还包括供油量Wfb和尾喷管喉道面积A8。
优选地，使用增广LQR方法进行所述闭环控制。
进一步地，所述闭环控制的控制器表达形式具体如下：
Figure BDA0002822111270000022
其中
Figure BDA0002822111270000023
表示状态变量x的导数，e为系统输入指令与输出变量的误差值，
Figure BDA0002822111270000024
Ke为反馈矩阵按
Figure BDA0002822111270000025
和e表示的分块矩阵，s表示拉普拉斯变换。
更进一步地，所述变循环发动机为双外涵变循环发动机，所述控制器参数具体如下：
Figure BDA0002822111270000021
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
(1)建立的变循环发动机模态转换恒定流量控制方法相比开环调节减少了需调参数(燃油Wfb和尾喷管喉道面积A8)，降低了调节的复杂性；
(2)在模态转换过程中，采用增广LQR控制方法通过对燃油及尾喷管喉道面积的调节来实现发动机风扇转速及风扇静压变化与风扇进口总压的比值闭环控制，从而控制发动机进口流量恒定，保证进气道与发动机良好匹配，稳定安装推力，确保发动机推进性能不受模态转换的影响。
附图说明
图1为双外涵变循环发动机结构图；
图2为双外涵变循环发动机模态转换局部结构图；
图3为增广LQR控制系统结构示意图；
图4为双外涵变循环发动机双涵变单涵模态转换中恒定流量控制效果图；
图5为双外涵变循环发动机双涵变单涵模态转换中未加控制器效果图；
图6为双外涵变循环发动机单涵变双涵模态转换中恒定流量控制效果图；
图7为双外涵变循环发动机单涵变双涵模态转换中未加控制器效果图。
具体实施方式
为实现变循环发动机模态转换恒定流量控制方法，本发明所采取的解决方案是以模态转换过程中的发动机进口流量恒定为控制目标，以风扇转速和压气机转速作为状态变量，以供油量和尾喷管喉道面积作为控制变量，以风扇转速及风扇静压变化与风扇进口总压的比值为输出变量，对变循环发动机进行闭环控制。
为便于公众理解，下面以双外涵变循环发动机为例并结合附图来对本发明的技术方案进行进一步详细说明：
要建立双外涵变循环发动机模态转换恒定流量控制方法，首先需建立双外涵变循环发动机模型，对于双外涵变循环发动机，其建模原理可参考双外涵变循环发动机部件级模型[王元.变循环发动机建模及性能寻优控制技术研究[D].南京航空航天大学,2015.]建立，图1为其结构示意图。在变循环发动机模态转换过程中，可调部件包括模式选择活门(MSV)，前涵道引射器(FVABI)，后涵道引射器(RVABI)，尾喷管，风扇导叶角，核心驱动风扇级(CDFS)导叶角，压气机导叶角，低压涡轮导向器。图2给出了双外涵变循环发动机模态转换局部结构图，图中给出了各截面编号：2截面为风扇进口，22截面为风扇叶尖出口，21截面为风扇叶根出口，225截面为副外涵出口，125截面为CDFS涵道出口，15截面为前混合室进口。在模态转换过程中调节模式选择活门(MSV)的开闭来进行发动机单涵及双涵之间的转换。
在模态转换过程中通过气动仿真软件模拟模式选择活门关闭及打开时风扇涵道比α及副外涵总压恢复系数σ的变化情况，建立风扇涵道比及副外涵总压恢复系数与高度H、马赫数Ma、MSV角度θ之间的关系函数，其中f1()，f2()分别为风扇涵道比和副外涵总压恢复系数的插值函数。
α＝f1(H,Ma,θ) (1)
σ＝f2(H,Ma,θ) (2)
基于上述模型研究变循环发动机模态转换恒定流量控制方法，从模型中获取发动机风扇转速Nl及风扇静压变化与风扇进口总压的比值ΔP/Pt2，控制量选取燃油Wfb与喷管喉道面积A8，其中风扇静压变化ΔP计算公式如下：
ΔP＝P22-P2 (1)
式中P22为风扇出口静压，P2为风扇进口静压。
为研究双外涵变循环发动机模态转换恒流量控制方法，需建立双外涵变循环发动机状态变量模型，双外涵变循环发动机状态变量模型表达式为：
Figure BDA0002822111270000041
其中选择风扇转速Nl和压气机转速Nh为状态变量x，供油量Wfb和尾喷管喉道面积A8为控制变量u，风扇转速Nl及风扇静压变化与风扇进口总压的比值ΔP/Pt2为输出变量y。
Figure BDA0002822111270000042
根据增广LQR方法得双外涵变循环发动机系统的控制器为
Figure BDA0002822111270000043
其中
Figure BDA0002822111270000044
表示状态变量x的导数，e为系统输入指令与输出变量的误差值，
Figure BDA0002822111270000045
Ke为反馈矩阵按
Figure BDA0002822111270000046
和e表示的分块矩阵，s表示拉普拉斯变换。图3给出了相应的增广LQR控制系统结构示意图。
在发动机闭环系统中，其执行机构定为一阶惯性环节。将执行机构增广至状态变量，使得发动机模型更具有真实性。由此发动机系统状态变量为x＝[Nl Nh Wfb A8]T，控制变量是u＝[Wfb A8]T，输出变量是y＝[Nl ΔP/Pt2]T，双外涵变循环发动机状态空间模型为
Figure BDA0002822111270000051
Figure BDA0002822111270000052
设计权值Q,R为：
Q＝diag(1 1 10 100 30)，R＝diag(1 1)
根据求出的权值，可求得控制器参数：
Figure BDA0002822111270000053
为验证上述控制系统，选定在模式选择活门角度θ为10°情况下改变可调部件参数值大小模拟恒定流量控制对发动机性能的影响，并与采用状态变量及控制变量与恒定流量控制方法相同，输出量为发动机风扇转速Nl及发动机总压比EPR的增广LQR控制器进行对比。其仿真结果如表1、表2所示。表中θCDFS为CDFS导叶角角度，θC为压气机导叶角角度，A163为后涵道引射器面积，θnL为低压涡轮导向器角度，F为发动机推力，Wa2为风扇进口流量，Wa24为CDFS进口流量，α为风扇涵道比。从表中可以看出，不论可调部件参数如何变化，恒定流量控制方法可保证变循环发动机风扇涵道比及进口流量不变。
表1恒定流量控制方法
Figure BDA0002822111270000054
Figure BDA0002822111270000061
表2输出量为Nl、EPR控制方法
Figure BDA0002822111270000062
进一步，将增广LQR控制器嵌入变循环发动机部件级模型中进行高空点仿真验证，飞行状态为高度10km，马赫数1.2，变循环发动机由双涵模式转变为单涵模式。图4、图5分别给出了变循环发动机从双涵变单涵模态转换中加恒定流量控制与不加控制器的效果图，图中Wa2表示风扇进口流量，Wa24表示CDFS进口流量，Wa25表示压气机进口流量，从图中可以看出恒定流量控制方法可以使变循环发动机在模态转换过程中改善流量变化的问题，从而减少溢流阻力，提高发动机安装性能。图6、图7分别给出了变循环发动机从单涵变双涵模态转换中加恒定流量控制与不加控制器的效果图，从图中可明显看出加入控制器的模态转换过程能更好的控制流量保持恒定，且在所有控制过程中发动机不超温，不超转，不进喘，能保证稳定运行。

Claims (5)

1.变循环发动机模态转换恒定流量控制方法，其特征在于，以模态转换过程中的发动机进口流量恒定为控制目标，以风扇转速Nl和压气机转速Nh作为状态变量，以供油量Wfb和尾喷管喉道面积A8作为控制变量，以风扇转速Nl及风扇静压变化ΔP与风扇进口总压Pt2的比值ΔP/Pt2为输出变量，对所述变循环发动机进行闭环控制。
2.如权利要求1所述变循环发动机模态转换恒定流量控制方法，其特征在于，所述状态变量还包括供油量Wfb和尾喷管喉道面积A8。
3.如权利要求1所述变循环发动机模态转换恒定流量控制方法，其特征在于，使用增广LQR方法进行所述闭环控制。
4.如权利要求3所述变循环发动机模态转换恒定流量控制方法，其特征在于，所述闭环控制的控制器表达形式具体如下：
Figure FDA0002822111260000011
其中
Figure FDA0002822111260000012
表示状态变量x的导数，e为系统输入指令与输出变量的误差值，
Figure FDA0002822111260000013
Ke为反馈矩阵按
Figure FDA0002822111260000014
和e表示的分块矩阵，s表示拉普拉斯变换。
5.如权利要求4所述变循环发动机模态转换恒定流量控制方法，其特征在于，所述变循环发动机为双外涵变循环发动机，所述控制器参数具体如下：
Figure FDA0002822111260000015
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