CN114637210A - 航空发动机多回路综合控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空发动机多回路综合控制方法，对发动机稳态控制、限制保护控制和加减速控制的需求进行综合管理，输出同时满足各种需求的综合控制指令，通过一个控制回路达到多回路控制目标，可以避免传统Min‑Max选择方法的复杂结构和多控制回路切换中的干扰问题，提高控制系统的性能，其适用对象包括但不限于涡扇发动机、涡轴发动机、变循环发动机、涡轮基冲压组合发动机等。本发明还公开了一种航空发动机多回路综合控制系统。相比现有技术，本发明在保证航空发动机安全可靠控制的前提下，可大幅简化控制系统结构和控制器设计工作。

Description

航空发动机多回路综合控制方法及系统

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，具体涉及一种航空发动机控制方法。

背景技术

发动机控制系统的主要功能包括稳态控制、过渡态控制和限制保护控制，因此发动机控制系统有多个对应的控制回路，而多个控制回路通常是单独设计的，并通过Min-Max选择法进行综合。图1给出了一个典型的单输入单输出基于Min-Max选择的发动机控制系统结构，稳态回路控制高压转子转速n₂，n_2r为高压转速控制指令，加速/减速控制器均通过风扇进口总温T₂、高压转子转速n₂、压气机出口总压P₃进行基于换算油气比的加速供油流量W_facc和减速供油流量W_fdec计算。安全限制回路包括：压气机出口总压P₃、低压转子转速n₁、涡轮出口总温T₄₆的最大值限制；压气机出口总压P₃的最小值限制。从图1中可以看出，发动机控制系统包括多个控制回路，各个回路的控制器需要单独设计，工作量大，闭环控制系统回路多，控制回路之间的高低选切换有可能引起输出跳变现象，影响发动机的性能和安全性。为简化控制系统结构，模型预测控制(MPC)得到了广泛关注，它通过有约束优化将加减速控制和限制保护控制综合到稳态控制回路，通过优化满足约束条件的输入来达到多个控制目标。然而，优化过程受到预测模型精度和实时性以及优化算法精度和实时性的影响，总体计算工作量较大，因此有学者通过减少优化控制序列的维度来降低计算工作量，但仍不能满足现役机载设备的要求，所以Min-Max选择方法仍被广泛用于航空发动机控制系统中。

最近，又有学者将输出预测和优化方法相结合，通过在线优化来获得不超出安全限制的控制指令，但优化的存在同样带来了计算工作量的增多，不利于实际应用，同时也没有解决加减速控制和主控制回路的综合问题。此外，目前的加减速控制也多采用基于换算油气比的开环控制方法，对发动机性能变化的适应能力弱。

综上可知，亟需一种结构简单、设计方便的航空发动机多回路综合控制方案。

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，提供一种航空发动机多回路综合控制方法，在保证航空发动机安全可靠控制的前提下，可大幅简化控制系统结构和控制器设计工作。

本发明所提出的技术方案具体如下：

一种航空发动机多回路综合控制方法，包括以下步骤：

步骤1、根据航空发动机的稳态控制计划获得航空发动机的第一转速控制指令；根据航空发动机的加减速控制计划获得航空发动机加减速过程的转子加速度控制指令，并通过对其积分获得航空发动机的第二转速控制指令；通过预先为航空发动机的各被限制量分别建立的预测模型获得各被限制量的预测值；

步骤2、对第一转速控制指令进行以下修正：判断各被限制量的预测值是否存在超出安全范围的情形，如是，则将第一转速控制指令置换为前一时刻的第一转速控制指令；否则，保持第一转速控制指令不变；

步骤3、根据当前航空发动机的加减速工作状态对第一转速控制指令和第二转速控制指令进行Min-Max选择，获得综合后的转速控制指令：如当前航空发动机为加速工作状态，则以第一转速控制指令和第二转速控制指令中的最小值作为综合后的转速控制指令，否则，以第一转速控制指令和第二转速控制指令中的最大值作为综合后的转速控制指令；

步骤4、以综合后的转速控制指令作为输入，对航空发动机进行闭环稳态控制。

优选地，所述预测模型具体如下：

其中，y_lim,i表示第i个被限制量，y_r(t)表示t时刻的第一转速控制指令，顶标“^”代表预测值，顶标“～”代表预测模型输入值，n_a和n_b分别为预测模型的输出和输入阶次，n_a≥n_b≥1，min{}表示取最小值，ε_i(t-1)为前一时刻的预测误差。

优选地，所述加减速控制计划是基于加减速过程中的控制需求，在不同高度处优化得到。

进一步地，所述闭环稳态控制的输入还包括航空发动机的推力指令。

优选地，使用增广LQR方法设计得到所述闭环稳态控制的稳态控制器。

优选地，根据修正后第一转速指令的变化情况判断当前航空发动机的加减速工作状态。

基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：

一种航空发动机多回路综合控制系统，包括：

指令生成及预测模块，用于根据航空发动机的稳态控制计划获得航空发动机的第一转速控制指令；根据航空发动机的加减速控制计划获得航空发动机加减速过程的转子加速度控制指令，并通过对其积分获得航空发动机的第二转速控制指令；通过预先为航空发动机的各被限制量分别建立的预测模型获得各被限制量的预测值；

转速指令修正模块，用于对第一转速控制指令进行以下修正：判断各被限制量的预测值是否存在超出安全范围的情形，如是，则将第一转速控制指令置换为前一时刻的第一转速控制指令；否则，保持第一转速控制指令不变；

Min-Max选择模块，用于根据当前航空发动机的加减速工作状态对第一转速控制指令和第二转速控制指令进行Min-Max选择，获得综合后的转速控制指令：如当前航空发动机为加速工作状态，则以第一转速控制指令和第二转速控制指令中的最小值作为综合后的转速控制指令，否则，以第一转速控制指令和第二转速控制指令中的最大值作为综合后的转速控制指令；

稳态控制器，用于以综合后的转速控制指令作为输入，对航空发动机进行闭环稳态控制。

优选地，所述预测模型具体如下：

其中，y_lim,i表示第i个被限制量，y_r(t)表示t时刻的第一转速控制指令，顶标“^”代表预测值，顶标“～”代表预测模型输入值，n_a和n_b分别为预测模型的输出和输入阶次，n_a≥n_b≥1，min{}表示取最小值，ε_i(t-1)为前一时刻的预测误差。

优选地，所述加减速控制计划是基于加减速过程中的控制需求，在不同高度处优化得到。

进一步地，所述稳态控制器的输入还包括航空发动机的推力。

优选地，使用增广LQR方法设计得到所述稳态控制器。

优选地，根据修正后第一转速指令的变化情况判断当前航空发动机的加减速工作状态。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

1)控制系统结构简单，仅需设计稳态控制器：本发明通过综合指令管理，将稳态控制、限制保护控制和加减速控制需求综合为稳态控制回路指令，仅需设计稳态控制器，执行综合后的转速控制指令，简化了控制系统结构；

2)对超限进行预测，基于指令重置实现限制保护：本发明通过被限制量预测模型，对发动机在未来时刻可能出现的超限现象进行提前预测，一旦超限则重置为未超限时的控制指令，可避免超限现象的出现；

3)仅对控制指令进行调整，控制系统稳定性好：本发明通过综合指令管理，获得一个满足各控制回路需求的综合指令信号，无需在各控制回路之间进行切换，不会受到切换带来的稳定性问题影响，提高了控制系统的安全性。

附图说明

图1为典型Min-Max选择多回路综合控制系统结构；

图2为具体实施例中的被限制量预测模型在t+3时刻的预测效果；

图3为本发明提出的航空发动机多回路综合控制系统一个具体实例的结构示意图；

图4为具体实施例中的本发明控制系统在H＝0km、Ma＝0处的仿真结果。

图5为具体实施例的本发明控制系统在H＝3km、Ma＝0.3处的仿真结果。

具体实施方式

针对现有技术不足，本发明的解决思路是对发动机稳态控制、限制保护控制和加减速控制的需求进行综合管理，输出同时满足各种需求的综合控制指令，通过一个控制回路达到多回路控制目标，可以避免传统Min-Max选择方法的复杂结构和多控制回路切换中的干扰问题，提高控制系统的性能，其适用对象包括但不限于涡扇发动机、涡轴发动机、变循环发动机、涡轮基冲压组合发动机等。

本发明所提出的航空发动机多回路综合控制方法，包括以下步骤：

步骤1、根据航空发动机的稳态控制计划获得航空发动机的第一转速控制指令；根据航空发动机的加减速控制计划获得航空发动机加减速过程的转子加速度控制指令，并通过对其积分获得航空发动机的第二转速控制指令；通过预先为航空发动机的各被限制量分别建立的预测模型获得各被限制量的预测值；

步骤2、对第一转速控制指令进行以下修正：判断各被限制量的预测值是否存在超出安全范围的情形，如是，则将第一转速控制指令置换为前一时刻的第一转速控制指令；否则，保持第一转速控制指令不变；

步骤3、根据当前航空发动机的加减速工作状态对第一转速控制指令和第二转速控制指令进行Min-Max选择，获得综合后的转速控制指令：如当前航空发动机为加速工作状态，则以第一转速控制指令和第二转速控制指令中的最小值作为综合后的转速控制指令，否则，以第一转速控制指令和第二转速控制指令中的最大值作为综合后的转速控制指令；

步骤4、以综合后的转速控制指令作为输入，对航空发动机进行闭环稳态控制。

优选地，所述预测模型具体如下：

其中，y_lim,i表示第i个被限制量，y_r(t)表示t时刻的第一转速控制指令，顶标“^”代表预测值，顶标“～”代表预测模型输入值，n_a和n_b分别为预测模型的输出和输入阶次，n_a≥n_b≥1，min{}表示取最小值，ε_i(t-1)为前一时刻的预测误差。

优选地，所述加减速控制计划是基于加减速过程中的控制需求，在不同高度处优化得到。

进一步地，所述闭环稳态控制的输入还包括航空发动机的推力指令。

优选地，使用增广LQR方法设计得到所述闭环稳态控制的稳态控制器。优选地，根据修正后第一转速指令的变化情况判断当前航空发动机的加减速工作状态。

为便于公众理解，下面以某型双轴混和排气加力式涡扇发动机为例，结合控制系统的建立过程来对本发明的技术方案进行详细说明：

首先确定所研究的涡扇发动机稳态被控制量为低压转子转速n₁，其稳态控制指令n_1r通过飞行高度H、马赫数Ma、油门杆角度PLA的插值函数计算，低压转子加速度控制指令

通过高度插值计算，安全限制量包括高压转速n₂，压气机出口总压P₃、低压涡轮出口总温T₄₆：

n_1r(t)＝f(H(t),Ma(t),PLA(t)) (1)

其中n_1r控制计划在发动机设计过程中给出，

控制计划基于加减速过程中的控制需求，在不同高度处优化得到；flag为加减速控制标志，flag＝1时按加速控制计划表进行插值，flag＝-1时按减速控制计划表进行插值。本实施例所研究的涡扇发动机飞行高度范围为0到15km，加减速过程优化获得的

控制计划如表1所示。

表1

控制计划表

针对每个安全限制量，建立输出预测模型，对被限制量输出进行预测，所建立的预测模型具有如下形式：

其中，下标“r”代表控制指令，顶标“^”代表预测值，n_a和n_b分别为预测模型输出和输入阶次，n_a≥n_b≥1，n₁、n₂为低压、高压转子转速，P₃为压气机出口总压，T₄₆为涡轮出口总温。

基于当前输入对第t+k时刻输出进行预测时，对于t时刻还未获得实测值的输入变量，采用预测值代替，则有t+k预测值为：

其中，

所研究的为双转子涡扇发动机，考虑执行机构动态及模型精度和复杂度，选择3阶系统来描述其动态模型，因此，本实施例中n_a＝n_b＝3。

在地面工作状态，基于发动机部件级闭环数学模型，通过小扰动法建立安全限制量的线性化数学模型，并考虑动态模型输出误差补偿，可将式(3)改写为如下形式：

其中，下标a_ij、b_ij,i＝1,2,3,j＝1,2,3为预测模型参数。

当前输入下，预测安全限制量在t+3步的输出，则有

在容易进入最大值限制的高转速工作状态，建立模型，以模型在t+3步预测输出误差最小为目标，定义代价函数为

采用非线性最小二乘法，对式(9)进行求解，获得最优模型参数{a₁₁,a₁₂,a₁₃,b₁₁,b₁₂,b₁₃,a₂₁,a₂₂,a₂₃,b₂₁,b₂₂,b₂₃,a₃₁,a₃₂,a₃₃,b₃₁,b₃₂,b₃₃}。

以高转速工作状态(n₁＝98％)所建立预测模型为例，得到的预测模型输出和发动机部件级模型输出的对比如图2所示，其中n₂的预测误差最小，并且n₂和P₃的最大预测误差都在0.1％以内；T₄₆的预测误差相对较大，最大误差在0.5％以内，可以看出所建立预测模型精度满足要求。

特别地，考虑到发动机的非线性，对于飞行包线内其他工作点的输出预测，首先通过相似变换将工作参数变换到地面状态，基于地面状态的预测模型对输出进行预测，再将预测值相似变换回实际工作点，作为当前工作点的预测值。相似变换计算方法如下：

其中T₂代表风扇进口总温，下标“0”代表地面工作点参数，下标“1”代表包线内其他工作点参数。

基于限制量预测模型的输出判断是否会超出安全限制，控制系统受到n₂、P₃、T₄₆的最大允许值限制，P₃的最小允许值限制，有任一个被限制量超出安全限制，则将控制指令重置为t-1时刻的指令，则超限判断过程为：

其中，下标“max”代表最大允许值，下标“min”代表最小允许值，符号“|”代表逻辑或运算，本实施例中k＝3。

根据转速控制指令n_1r的变化，判断t(t>1)时刻加减速工作状态，置初始工作状态标志flag(1)＝0，则有：

初始工作状态flag＝0，一旦转速控制指令n_1r发生变化，发动机进入加减速工作过程。当flag＝1时，说明控制系统进入加速，在转到减速控制之前flag＝1，即指令不变的动态响应过程属于加速过程。当flag＝-1时，说明控制系统进入减速，其动态响应过程都有flag＝-1直至转速指令增大。相比传统的以转速来判断加减速过程，采用转速指令来判断，避免了动态超调引起的加减速过程误判。

利用式(2)计算低压转子加速的控制指令

通过积分将

转化为转速控制指令n_1d，离散化的积分表达式变为：

其中T代表积分步长。

对转化后的转速控制指令n_1d、预测不超限的转速控制指令n_1r进行Min-Max选择，获得综合后的转速控制指令n_1rI：

由式(14)可见，在加速过程中，对控制指令进行的最小值选择，减速过程中进行了最大值选择，使得控制指令满足加减速控制需求。

设计稳态控制回路的控制器，以综合后的转速控制指令n_1rI为闭环输入，搭建闭环控制系统。

本实施例采用控制结构简单、鲁棒性强的增广LQR方法设计稳态控制回路的稳态控制器。由于涡扇发动机已经发展为多变量控制系统，为此采用双变量闭环控制结构设计稳态控制，被控制量除低压转子转速外还有推力F，最终得到的航空发动机多回路综合控制系统结构如图3所示，推力控制指令同样通过高度、马赫数、油门杆角度插值获得。相比图1所示的传统单变量控制系统，双变量控制系统的闭环回路只包括了转速控制回路和推力控制回路，加减速控制和限制保护控制均不需要设计控制器，控制回路之间无切换，避免了回路切换带来的性能影响和稳定性问题。

设包含执行机构的发动机状态变量模型为：

式中，x＝[n₁ n₂ W_f A₈]^T，u＝[W_fr A_8r]^T，y＝[n₁ F]^T，n₁为低压转子转速，W_f为燃油流量，A₈为尾喷口喉道面积，W_fr为燃油流量指令，A_8r为尾喷口喉道面积指令，A、B、C为状态变量模型参数矩阵。

为实现鲁棒跟踪，将输出y的跟踪误差e增广为状态变量，e＝[n_1rI-n₁ F_r-F]^T，F_r为推力指令。则增广后的状态变量为

增广后的控制器设计对象为：

式中，

对式(16)设计LQR状态调节器，使t→∞,

这样稳态时的跟踪误差为零。

得到状态反馈控制：

对式(16)积分，得到控制量：

在地面工作点(H＝0km、Ma＝0)基于差分进化算法优化控制器参数，使得闭环系统输出跟踪时间常数为0.5的惯性环节输出，得出最优的ALQR控制器的参数

K_e，如表2所示。

表2 ALQR控制器参数

为验证本发明技术方案的技术效果，分别在H＝0km、Ma＝0；H＝3km、Ma＝0.3进行系统仿真验证，积分步长T＝0.02s，整个仿真过程模拟PLA从30°增加到70°的运行过程，仿真结果如图4和5所示。

从图4可见，在H＝0km、Ma＝0，推力和低压转子转速响应均无稳态误差，调节时间约为2.6s，推力约有0.2％超调，低压转子转速无超调，满足控制需求。从图5可见，在H＝3km、Ma＝0.3，推力和低压转子转速响应均无稳态误差，调节时间约为3s，推力和低压转子转速无超调，满足控制需求。从仿真结果分析，本发明控制方法使发动机能够稳定快速地工作。

Claims (12)

1.一种航空发动机多回路综合控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据航空发动机的稳态控制计划获得航空发动机的第一转速控制指令；根据航空发动机的加减速控制计划获得航空发动机加减速过程的转子加速度控制指令，并通过对其积分获得航空发动机的第二转速控制指令；通过预先为航空发动机的各被限制量分别建立的预测模型获得各被限制量的预测值；

步骤2、对第一转速控制指令进行以下修正：判断各被限制量的预测值是否存在超出安全范围的情形，如是，则将第一转速控制指令置换为前一时刻的第一转速控制指令；否则，保持第一转速控制指令不变；

步骤3、根据当前航空发动机的加减速工作状态对第一转速控制指令和第二转速控制指令进行Min-Max选择，获得综合后的转速控制指令：如当前航空发动机为加速工作状态，则以第一转速控制指令和第二转速控制指令中的最小值作为综合后的转速控制指令，否则，以第一转速控制指令和第二转速控制指令中的最大值作为综合后的转速控制指令；

步骤4、以综合后的转速控制指令作为输入，对航空发动机进行闭环稳态控制。

2.如权利要求1所述航空发动机多回路综合控制方法，其特征在于，所述预测模型具体如下：

其中，y_lim,i表示第i个被限制量，y_r(t)表示t时刻的第一转速控制指令，顶标“^”代表预测值，顶标“～”代表预测模型输入值，n_a和n_b分别为预测模型的输出和输入阶次，n_a≥n_b≥1，min{}表示取最小值，ε_i(t-1)为前一时刻的预测误差。

3.如权利要求1所述航空发动机多回路综合控制方法，其特征在于，所述加减速控制计划是基于加减速过程中的控制需求，在不同高度处优化得到。

4.如权利要求1所述航空发动机多回路综合控制方法，其特征在于，所述闭环稳态控制的输入还包括航空发动机的推力指令。

5.如权利要求1所述航空发动机多回路综合控制方法，其特征在于，使用增广LQR方法设计得到所述闭环稳态控制的稳态控制器。

6.如权利要求1所述航空发动机多回路综合控制方法，其特征在于，根据修正后第一转速指令的变化情况判断当前航空发动机的加减速工作状态。

7.一种航空发动机多回路综合控制系统，其特征在于，包括：

指令生成及预测模块，用于根据航空发动机的稳态控制计划获得航空发动机的第一转速控制指令；根据航空发动机的加减速控制计划获得航空发动机加减速过程的转子加速度控制指令，并通过对其积分获得航空发动机的第二转速控制指令；通过预先为航空发动机的各被限制量分别建立的预测模型获得各被限制量的预测值；

转速指令修正模块，用于对第一转速控制指令进行以下修正：判断各被限制量的预测值是否存在超出安全范围的情形，如是，则将第一转速控制指令置换为前一时刻的第一转速控制指令；否则，保持第一转速控制指令不变；

Min-Max选择模块，用于根据当前航空发动机的加减速工作状态对第一转速控制指令和第二转速控制指令进行Min-Max选择，获得综合后的转速控制指令：如当前航空发动机为加速工作状态，则以第一转速控制指令和第二转速控制指令中的最小值作为综合后的转速控制指令，否则，以第一转速控制指令和第二转速控制指令中的最大值作为综合后的转速控制指令；

稳态控制器，用于以综合后的转速控制指令作为输入，对航空发动机进行闭环稳态控制。

8.如权利要求7所述航空发动机多回路综合控制系统，其特征在于，所述预测模型具体如下：

其中，y_lim,i表示第i个被限制量，y_r(t)表示t时刻的第一转速控制指令，顶标“^”代表预测值，顶标“～”代表预测模型输入值，n_a和n_b分别为预测模型的输出和输入阶次，n_a≥n_b≥1，min{}表示取最小值，ε_i(t-1)为前一时刻的预测误差。

9.如权利要求7所述航空发动机多回路综合控制系统，其特征在于，所述加减速控制计划是基于加减速过程中的控制需求，在不同高度处优化得到。

10.如权利要求7所述航空发动机多回路综合控制系统，其特征在于，所述稳态控制器的输入还包括航空发动机的推力。

11.如权利要求7所述航空发动机多回路综合控制系统，其特征在于，使用增广LQR方法设计得到所述稳态控制器。

12.如权利要求7所述航空发动机多回路综合控制系统，其特征在于，根据修正后第一转速指令的变化情况判断当前航空发动机的加减速工作状态。

Images