CN114235421B - 一种涡喷发动机最大燃油流量限制线测定装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡喷发动机最大燃油流量限制线测定装置及其方法。该装置安装在涡喷发动机系统中，具有进口总温信号调理电路、进口总压信号调理电路、转速信号调理电路、燃油流量信号调理电路、数字信号隔离电路、电源状态监测电路、隔离式DC/DC变换电路、电源、驱动电流检测电路、电机驱动电路、起动继电器、点火控制电路、压气机出口压力信号调理电路、排气温度信号调理电路、通信接口电路。测定方法运行在该装置中，主要包括5个步骤，通过将按转速控制和按喘振裕度控制两种方案的切换得到最大燃油流量限制线上工作点的转速和燃油流量，再采用前馈神经网络建立拟合模型，具有过程简单、精度高的特点。

Description

一种涡喷发动机最大燃油流量限制线测定装置及其方法

技术领域

本发明属于航空电子行业电气控制技术领域，尤其涉及一种涡喷发动机最大燃油流量限制线测定装置及其方法。

背景技术

涡喷发动机是一种应用广泛的航空发动机，其性能主要由两个方面决定：①涡喷发动机的设计水平和制造水平；②涡喷发动机控制系统的设计水平。在涡喷发动机控制系统设计中，其最大燃油流量限制线的确定对控制计划的制订尤为重要，是决定加速控制计划及控制包线的重要因素之一。

对于如何确定涡喷发动机最大燃油流量限制线的问题，主要有两种方法：①计算法，也就是涡喷发动机在设计之时根据其物理机理建立模型，通过计算的方式得到其喘振边界，由喘振边界计算最大燃油流量限制线，这种方法的主要问题在于模型假设强烈，对于涡喷发动机工作环境的各种复杂不确定性因素难以考虑周全，得到的数据误差较大；②试验法，即通过试验不断尝试，观察压气机的工作状况，从而确定喘振边界，再进一步由喘振边界确定最大燃油流量限制线，这种方法需要多次试验，成本较高，测试周期比较长，需要进一步改进。

因此，本发明设计一种改进的涡喷发动机最大燃油流量限制线测定方法以及实现该方法的装置。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决现有涡喷发动机最大燃油流量限制线获取方法误差大、测试成本高、周期长的缺陷，本发明提供一种涡喷发动机最大燃油流量限制线测定装置及其方法，以快速确定涡喷发动机最大燃油流量限制线，为其加速控制计划的制订提供参考。

(二)技术方案

本发明的一个方面是设计了一种涡喷发动机最大燃油流量限制线测定装置，该装置安装在涡喷发动机系统中，具备航空发动机电子控制器(ECU)的部分功能，为最大燃油流量限制线测定方法的实施提供基础。该装置具有进口总温信号调理电路、进口总压信号调理电路、转速信号调理电路、燃油流量信号调理电路、数字信号隔离电路、电源状态监测电路、隔离式DC/DC变换电路、电源、驱动电流检测电路、电机驱动电路、起动继电器、点火控制电路、压气机出口压力信号调理电路、排气温度信号调理电路、通信接口电路。

本发明的另一个方面是提出了一种涡喷发动机最大燃油流量限制线测定方法，其特征在于，所述测定方法至少包括如下步骤：

步骤S1：起动涡喷发动机并将其控制到稳态燃油流量工作线上的慢车功率点，并维持一定时间(例如5s左右)；

步骤S2：将涡喷发动机由稳态的慢车功率点切换到按喘振裕度控制模式，由于在稳态工作点喘振裕度大，给定一较小的喘振裕度Sm(可选定为5％、3％等)，通过合理设置喘振裕度控制器的结构和参数将涡喷发动机控制到最大燃油流量限制线上的一第一工作点并维持一定时间(例如10s左右)，记录涡喷发动机在该第一工作点下的转速n₁、燃油流量W_f1、进口总压进口总温/>数据[n₁ W_f1]和/>

步骤S3：将涡喷发动机切换为按转速控制模式，将涡喷发动机由最大燃油流量限制线上的第一工作点切换到稳态燃油流量工作线上的下一个工作点并维持一段时间(例如10s左右)。

步骤S4：重复步骤2、步骤3直到将涡喷发动机控制到最大功率点，得到最大燃油流量限制线上的第二工作点、第三工作点、……、第N工作点的数据[n₂ W_f2]、[n₃ W_f3]、……、[n_N W_fN]和

步骤S5：将获得的最大燃油流量限制线上的各个工作点的数据[n_i W_fi](i＝1,2，……，N)转换为标准海平面下的折合转速和折合流量[n_Ci W_Cfi](i＝1,2，……，N)。

步骤S6：基于由[n_Ci W_Cfi](i＝1,2，……，N)构建的数据集，采用前馈神经网络建立拟合模型，该网络输入是折合转速n_C，输出是折合流量W_Cf，采用神经网络优化算法训练，训练好之后再使用，根据拟合模型计算出当前转速下的最大燃油流量限制值。

优选地，步骤S1中，涡喷发动机在慢车功率点的维持时间为5s左右。

优选地，步骤S2中，给定的喘振裕度Sm可选定为5％、3％等；涡喷发动机在最大燃油流量限制线上的第一工作点的维持时间为10s左右。

优选地，步骤S2中，压力相关度测量模块的输入为压气机出口压力P_t3，输出为单位时间内的事件次数u，其中事件次数u定义为单位时间(一般是控制周期)内压气机出口压力P_t3相关度值C(t)小于选定阈值C_TH(可选为0.7)的平均次数，压气机出口压力P_t3相关度值C(t)按以下公式计算：

其中，和/>为相差一个间隔周期内的N个采样信号的的两个窗口的对应的压气机出口排气压力值，wnd为窗口长度。

优选地，步骤S2中，喘振裕度控制器为PI控制器，其结构和参数为：

式中，是喘振裕度控制器的控制输出增量，/>是喘振裕度控制器的比例系数，e_SM是喘振裕度控制器的误差，/>是喘振裕度控制器的积分系数。

优选地，步骤S3中，转速控制器PI控制器，其结构和参数为：

式中，是转速控制器的控制输出增量、/>是转速控制器的比例系数、e_NS是转速控制器的误差，/>是转速控制器的积分系数。

优选地，步骤S5中，折算公式如下：

优选地，步骤S6中，前馈神经网络建立拟合模型采用LM算法训练，隐含层激励函数为径向基函数，输出层激励函数为双曲正切函数。

(三)有益效果

同现有技术相比，本发明具有下列有益效果：

(1)精度高：提供了一种基于试验的涡喷发动机最大燃油流量限制线测定方法，解决已有最大燃油流量限制线获取方法误差大、测试成本高、周期长的问题；

(2)成本低：该装置结构简单、质量轻、造价低廉、容易制造，能为涡喷发动机的高可靠控制设计提供助力。

附图说明

图1是本发明的涡喷发动机最大燃油流量限制线测定装置安装在涡喷发动机系统中的总体结构图；

图2是本发明的涡喷发动机最大燃油流量限制线测定装置原理框图；

图3是本发明的涡喷发动机控制包线示意图；

图4是本发明的涡喷发动机最大燃油流量限制线测定方法的测定过程示意图；

图5是本发明的涡喷发动机最大燃油流量限制线测定装置的按转速控制原理框图；

图6是本发明的涡喷发动机最大燃油流量限制线测定装置的按喘振裕度控制的原理框图；

图7是本发明采用的一种拟合网络示意图。

附图标记说明：

最大燃油流量限制测试装置1，航空煤油箱2，燃油流量计3，燃油泵4，涡喷发动机5，进口总压传感器6，进口总温传感器7，起动电机8，转速传感器9，点火控制装置10，压气机出口压力传感器11，排气温度传感器12，起动按钮13，急停按钮14，进口总温信号调理电路101，进口总压信号调理电路102，转速信号调理电路103，燃油流量信号调理电路104，数字信号隔离电路105，电源状态监测电路106，隔离式DC/DC变换电路107，电源108，驱动电流检测电路109，电机驱动电路110，起动继电器111，点火控制电路112，压气机出口压力信号调理电路113，排气温度信号调理电路114，通信接口电路115。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明的涡喷发动机最大燃油流量限制线测定装置安装在涡喷发动机系统中的总体结构图，包括14个部分：最大燃油流量限制测试装置1、航空煤油箱2、燃油流量计3、燃油泵4、涡喷发动机5、进口总压传感器6、进口总温传感器7、起动电机8、转速传感器9、点火控制装置10、压气机出口压力传感器11、排气温度传感器12、起动按钮13、急停按钮14。其中：航空煤油箱2用于储存航空煤油，供涡喷发动机5工作时使用。燃油流量计3用于测量燃油流量Wf。燃油泵4用于控制喷油量Wf。涡喷发动机5是整个系统的控制对象。进口总压传感器6用于测量进口总压Pt2。进口总温传感器7用于测量进口总温Tt2。起动电机8与涡喷发动机5的主轴相连接，带动涡喷发动机5的主轴旋转，从而使得涡喷发动机5获得初始动能。转速传感器9用于测量涡喷发动机5的轴转速信号n。点火控制装置10用于涡喷发动机起动过程控制逻辑所需点火、点火燃油或燃气控制。压气机出口压力传感器11用于测量压气机出口压力Pt3。排气温度传感器12用于测量涡喷发动机5的排气温度T5。起动按钮13用于控制涡喷发动机5的起动。急停按钮14用于控制涡喷发动机5急停。

图2是本发明的涡喷发动机最大燃油流量限制线测定装置原理框图，主要包括：进口总温信号调理电路101、进口总压信号调理电路102、转速信号调理电路103、燃油流量信号调理电路104、数字信号隔离电路105、电源状态监测电路106、隔离式DC/DC变换电路107、电源108、驱动电流检测电路109、电机驱动电路110、起动继电器111、点火控制电路112、压气机出口压力信号调理电路113、排气温度信号调理电路114、通信接口电路115。其中：进口总温信号调理电路101用于进口总温信号调理，包括滤波、放大等必要信号调理及AD转换功能。进口总压信号调理电路102用于进口总压信号调理，包括滤波、放大等必要信号调理及AD转换功能。转速信号调理电路103用于转速信号调理，包括限幅、滞回电压比较、信号整形等必要功能。燃油流量信号调理电路104用于燃油流量信号测量，包括限幅、滞回电压比较、信号整形等必要功能。数字信号隔离电路105起动按钮13、急停按钮14相连接，并向中央控制器116传送起动信号和急停信号。电源状态监测电路106与电源108相连接，对电源的输出电压、输出电流和健康状况进行实时监测，并向中央控制器116传送电源监测信号。隔离式DC/DC变换电路107与电源108相连接，为整个ECU提供能源。电流检测电路109用于检测燃油泵4的工作电流。电机驱动电路110用于燃油泵4的电机驱动，中央控制器116向其传输PWM信号，从而驱动并控制燃油泵8的转速。起动电机驱动电路111用于起动电机8转速控制。点火控制电路112用于控制点火控制装置10。压气机出口压力信号调理电路113用于压气机出口压力Pt3的信号调理，包括包括滤波、放大等必要信号调理及AD转换功能。通信接口电路115用于通信接口电平转换，可与上位机、自动驾驶仪等外部通信、控制设备相连。中央控制器116是整个最大燃油流量限制测定装置的核心，用于整个涡喷发动机5各个运行状态进行实时监测和控制，并在其中实现本发明的最大燃油流量限制测定方法。

图4是本发明的涡喷发动机最大燃油流量限制线测定方法的测定过程示意图。其测定过程主要包括如下6个步骤：

步骤S1：最大燃油流量限制线测定装置起动涡喷发动机并控制到慢车功率点，也就是图3中的第一稳态工作点1，并维持一定5秒。

步骤S2：参照图6，将涡喷发动机切换为按喘振裕度控制模式，由于在稳态工作点喘振裕度大，给定喘振裕度Sm小(可选定为5％、3％等)，通过合理设置喘振裕度控制器的结构和参数将涡喷发动机由第一稳态工作点1(即慢车功率点)控制到最大燃油流量限制的第一工作点1并维持10秒，记录发动机在该第一工作点1下的转速n、燃油流量W_f、进口总压P_t2、进口总温T_t2，得到数据[n₁ W_f1]和其中，n₁、W_f1、/>分别为发动机处于第一工作点1下的转速、燃油流量、进口总压、进口总温，图6中压力相关度测量模块的输入为压气机出口压力P_t3，输出为单位时间内的事件次数u，其中事件次数u定义为单位时间(一般是控制周期)内压气机出口压力P_t3的相关度值C(t)小于选定阈值C_TH(可选为0.7)的平均次数，压气机出口压力P_t3的相关度值C(t)按以下公式计算：

其中和/>为相差一个间隔周期内的N个采样信号的两个时间窗口i、i-N的对应的压气机出口排气压力值，wnd为时间窗口长度，n为时间窗口的数量。进一步，通过u-SML模块可以估算出当前的喘振裕度，图6中喘振裕度控制器为PI控制器，其结构和参数为：

式中，是喘振裕度控制器的控制输出增量，/>是喘振裕度控制器的比例系数，e_SM是喘振裕度控制器的误差，/>是喘振裕度控制器的积分系数。

步骤S3：参照图5，将涡喷发动机切换为按转速控制模式，通过合理设置转速控制器的结构和参数将涡喷发动机由第一工作点1控制切换到稳态燃油流量更大的第二稳态工作点2并维持10秒。图4中所示的控制器为PI控制器，其结构和参数为：

式中，是转速控制器的控制输出增量、/>是转速控制器的比例系数、e_NS是转速控制器的误差，/>是转速控制器的积分系数。

重复步骤2、步骤3直到将涡喷发动机控制到最大功率点，也就是稳态工作点N，得到工作点2、工作点3、……、工作点N的数据[n₂ W_f2]、[n₃ W_f3]、……、[n_N W_fN]和

步骤S4：将获得的各个工作点的数据[n_i W_fi](i＝1,2，……，N)转换为标准海平面下的折合转速和折合流量[n_Ci W_Cfi](i＝1,2，……，N)，折算公式如下：

步骤S5：基于由[n_Ci W_Cfi](i＝1,2，……，N)构建的数据集，采用图7所示前馈神经网络建立拟合模型，该网络输入是折合转速n_C，输出是折合流量W_Cf，采用LM算法训练，隐含层激励函数f1为径向基函数(radbas)，输出层激励函数f2为双曲正切sigmoid函数(tansig)，训练好之后即可使用，可以计算出当前转速下的最大燃油流量限制值。

以上对本发明的涡喷发动机最大燃油流量限制线测定装置及其方法进行了详细说明。从上述的结构特征及工作流程设计可以看出，本发明具有下列有益效果：

(1)精度高：本发明的基于试验的涡喷发动机最大燃油流量限制线测定方法，解决已有最大燃油流量限制线获取方法误差大、测试成本高、周期长的缺点；

(2)成本低：该装置结构简单、质量轻、造价低廉、容易制造，能为涡喷发动机的高可靠控制设计提供助力。

通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (6)

1.一种涡喷发动机最大燃油流量限制线测定方法，其特征在于，所述测定方法至少包括以下步骤：

步骤S1：起动涡喷发动机并将其控制到稳态燃油流量工作线上的慢车功率点，并维持一定时间；

步骤S2：将涡喷发动机由稳态的慢车功率点切换到按喘振裕度控制模式，给定一较小的喘振裕度Sm，将涡喷发动机控制到最大燃油流量限制线上的第一工作点并维持一定时间，记录涡喷发动机在该第一工作点下的转速n₁、燃油流量W_f1、进口总压进口总温/>得到数据[n₁ W_f1]和/>并且其中：

压力相关度测量模块的输入为压气机出口压力P_t3，输出为单位时间内的事件次数u，其中事件次数u定义为控制周期内压气机出口压力P_t3相关度值C(t)小于选定阈值C_TH的平均次数，压气机出口压力P_t3相关度值C(t)按以下公式计算：

式中，和/>为相差一个间隔周期内的N个采样信号的两个窗口的对应的压气机出口排气压力值，wnd为窗口长度；

步骤S3：将涡喷发动机切换为按转速控制模式，将涡喷发动机由最大燃油流量限制线上的第一工作点控制到下一个稳态工作点并维持一段时间；

步骤S4：重复步骤S2、步骤S3直到将涡喷发动机控制到最大功率点，得到最大燃油流量限制线上的第二工作点、第三工作点、……、第N工作点的数据[n₂ W_f2]、[n₃ W_f3]、……、[n_NW_fN]和

步骤S5：将获得的最大燃油流量限制线上的各个工作点的数据[n_i W_fi]转换为标准海平面下的折合转速和折合流量[n_Ci W_Cfi]，其中，i＝1,2,…,N，并且其中的折算公式如下：

步骤S6：基于由[n_Ci W_Cfi]构建的数据集，i＝1,2,…,N，采用前馈神经网络建立拟合模型，该网络输入是折合转速n_C，输出是折合流量W_Cf，采用神经网络优化算法训练，训练好之后再使用，根据拟合模型计算出当前转速下的最大燃油流量限制值。

2.根据权利要求1所述的涡喷发动机最大燃油流量限制线测定方法，其特征在于，步骤S1中，涡喷发动机在慢车功率点的维持时间为5s左右。

3.根据权利要求1所述的涡喷发动机最大燃油流量限制线测定方法，其特征在于，步骤S2中，给定的喘振裕度Sm选定为5％或3％；涡喷发动机在最大燃油流量限制线上的第一工作点的维持时间为10s左右。

4.根据权利要求1所述的涡喷发动机最大燃油流量限制线测定方法，其特征在于，步骤S2中，喘振裕度控制器为PI控制器，其结构和参数为：

式中，是喘振裕度控制器的控制输出增量，/>是喘振裕度控制器的比例系数，e_SM是喘振裕度控制器的误差，/>是喘振裕度控制器的积分系数。

5.根据权利要求1所述的涡喷发动机最大燃油流量限制线测定方法，其特征在于，步骤S3中，转速控制器PI控制器，其结构和参数为：

式中，是转速控制器的控制输出增量、/>是转速控制器的比例系数、e_NS是转速控制器的误差，/>是转速控制器的积分系数。

6.根据权利要求1所述的涡喷发动机最大燃油流量限制线测定方法，其特征在于，步骤S6中，前馈神经网络建立拟合模型采用LM算法训练，隐含层激励函数为径向基函数，输出层激励函数为双曲正切函数。