CN114856832A - 航空发动机起动燃油流量控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及航空发动机起动控制技术领域，为了便于对起动燃油流量进行控制，本申请提供了一种航空发动机起动燃油流量控制方法，包括：1、采集发动机起动时前k个周期分别对应的供油量、压气机实际转速并设定各控制周期的压气机转速速率目标值；2、计算供油增加量及压气机转速速率；3、构造矩阵Y、X和A，4、求解矩阵A的当前最小二乘解；5、根据最小二乘解获取发动机模型参数；6、根据发动机模型参数计算下一周期的目标供油量；7、重复步骤1‑6，直至发动机起动成功。采用上述步骤可便于对起动燃油流量进行控制。

Description

航空发动机起动燃油流量控制方法
技术领域
本发明涉及航空发动机起动控制技术领域，具体是一种基于模型参数在线辨识的航空发动机起动燃油流量控制方法。
背景技术
航空发动机起动过程是一个典型非线性特性过程，燃油流量控制不当会引起起动超温、发动机热悬挂、起动超时等现象，处理不当会直接损伤发动机。目前航空发动机起动燃油流量控制一般是在获得发动机部件特性参数之后，对发动机起动过程进行分段线性化，再针对每段线性化模型计算控制参数。该过程前期需要进行大量的气动和热动试验以获取发动机特性参数，试验过程复杂、花费较大。同时航空发动机起动过程受环境因素直接影响，在不同的环境温度和海拔条件下起动发动机，发动机模型参数会直接发生改变，需要针对模型参数变化对燃油流量控制参数进行调整。
发明内容
针对航空发动机模型参数非线性、模型参数不易获取和模型参数受环境变量影响大的问题，提供一种基于模型参数在线辨识加离散比例积分控制的起动燃油流量控制方法，该方法可在发动机模型未知的情况下，快速实现航空发动机的起动试车，试验发动机的性能。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
航空发动机起动燃油流量控制方法，包括：
步骤1、采集发动机起动时前k个周期分别对应的供油量Wf(k)及压气机转速N(k)，并分别设定各控制周期的压气机转速速率目标值
Figure BDA0003638016530000011
步骤2、根据ΔWf(k-1)＝Wf(k)-Wf(k-1)计算供油增加量ΔWf(k-1)，并根据
Figure BDA0003638016530000012
计算压气机转速速率
Figure BDA0003638016530000013
式中ΔT为系统的采样周期；
步骤3、构造矩阵Y、X和A，其中，
Figure BDA0003638016530000021
式中，N为矩阵阶数；
步骤4、根据A＝(XTX)-1XTY，及Y＝XA，求解矩阵A的当前最小二乘解；
步骤5、根据最小二乘解获取a1、a2、b0、b1；
步骤6、根据Wfdem(k+1)＝Wf(k)+ΔWfdem(k+1)计算下一周期的目标供油量，其中
Figure BDA0003638016530000022
式中，d0为反映期望系统性能指标的参数；
步骤7、重复步骤1-6，直至发动机起动成功。
进一步地，N取20。
本发明相比于现有技术具有的有益效果是：通过计算新的最小二乘解以获取新的模型参数，再计算新的供油量，不停的迭代，直到起动成功，实现在发动机模型未知的情况下，快速实现航空发动机的起动试车，试验发动机的性能。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
航空发动机起动燃油流量控制方法，包括：
步骤1、采集发动机起动时前k个周期分别对应的供油量Wf(k)及压气机转速N(k)，并分别设定各控制周期的压气机转速速率目标值
Figure BDA0003638016530000023
步骤2、根据ΔWf(k-1)＝Wf(k)-Wf(k-1)计算供油增加量ΔWf(k-1)，并根据
Figure BDA0003638016530000031
计算压气机转速速率
Figure BDA0003638016530000032
式中ΔT为系统的采样周期；
步骤3、构造矩阵Y、X和A，其中，
Figure BDA0003638016530000033
式中，N为矩阵阶数；
步骤4、根据A＝(XTX)-1XTY，及Y＝XA，求解矩阵A的当前最小二乘解；
步骤5、根据最小二乘解获取a1、a2、b0、b1；
步骤6、根据Wfdem(k+1)＝Wf(k)+ΔWfdem(k+1)计算下一周期的目标供油量，其中
Figure BDA0003638016530000034
式中，d0为反映期望系统性能指标的参数；
步骤7、重复步骤1-6，直至发动机起动成功。
优选的，N取20。
整个思考化简流程如下：
根据发动机起动控制经验，选取压气机转速速率作为控制变量。因航空发动机压气机转子速率与燃油供油增加量存在正相关特性，假设发动机燃油流量供油增加量与压气机转子速率之间的传递函数结构为：
Figure BDA0003638016530000035
其中
Figure BDA0003638016530000036
表示压气机转速速率，ΔWf(s)表示燃油流量增加量，s表示频域算子，m1、m2、n0和n1表示发动机模型参数，这四个参数会在发动机加速起动过程中动态改变。
为实现发动机模型参数的在线辨识，将模型公式(1)转化为如下离散形式：
Figure BDA0003638016530000041
式中a1、a2、b0和b1为实际需要辨识的发动机模型参数。
将模型公式(2)改写为差分形式，可得：
Figure BDA0003638016530000042
其中k代表当前时刻，k-1代表上一采样时刻，ΔWf(k-1)表示上一控制周期燃油流量增加量。
为了获取发动机模型参数，定义矩阵Y、X和A，并根据发动机起动过程中的相关采样值构造成如下形式：
Figure BDA0003638016530000043
Figure BDA0003638016530000044
Figure BDA0003638016530000045
其中N为辨识矩阵的阶数，取值范围为10-30，可为10、15、20等，具体实施过程中，考虑到辨识参数的精度要求和计算复杂量限制，N值的选取不易过大也不易过小，可设置N＝20。为避免辨识矩阵奇异，可在供油增量基础上增加一个高斯白噪声信号，以避免每个控制周期供油增加量都一样，从而确保公式(7)一定有解。
根据公式(3)，矩阵Y、X和A满足Y＝XA的关系。通过公式(7)的矩阵运算，即可获得发动机模型参数矩阵A的当前最小二乘解，从而得知a1、a2、b0和b1的取值。
A＝(XTX)-1XTY(7)
辨识得到发动机模型参数后，采用比例积分控制器进行燃油流量控制，比例积分控制器的离散形式如下：
Figure BDA0003638016530000051
为保证系统稳定，加入一个滤波环节：F(z-1)＝1+f1z-1(9)
根据公式(8)和公式(9)将控制器改写为：
Figure BDA0003638016530000052
因系统为最小相位系统，结合公式(2)和(10)，采用零极点对消计算控制器参数如下：
Figure BDA0003638016530000053
此时系统的闭环传递函数为：
Figure BDA0003638016530000054
可根据期望的系统性能指标，设定d0的值。
根据公式(10)和(11)，下一控制周期目标燃油流量增加量可计算如下：
Figure BDA0003638016530000055
其中ΔWfdem(k)为本控制周期的目标燃油流量增加量，在最开始进行迭代计算时ΔWfdem(k-1)与ΔWf(k-1)的取值相同，ΔWfdem(k-2)的取值与ΔWf(k-2)的取值相同，
Figure BDA0003638016530000056
为本控制周期的压气机转速速率目标值，该值可以从控制计划中读取，k-1和k-2分别表示上一周期和前两步周期的相应值。
结合上一控制周期的燃油流量控制量，下一控制周期应供油的燃油流量为Wfdem(k+1)＝Wf(k)+ΔWfdem(k+1)。
整个过程先根据前几个周期的采集值计算模型的最小二乘解，然后计算当前的供油量，根据新的采集值计算新的最小二乘解，再计算新的供油量，不停的迭代，直到起动成功。通过在线最小二乘辨识，可有效解决起动过程中发动机模型非线性动态变化的问题。

Claims (2)

1.航空发动机起动燃油流量控制方法，其特征在于，包括：
步骤1、采集发动机起动时前k个周期分别对应的供油量Wf(k)及压气机转速N(k)，并分别设定各控制周期的压气机转速速率目标值
Figure FDA0003638016520000011
步骤2、根据ΔWf(k-1)＝Wf(k)-Wf(k-1)计算供油增加量ΔWf(k-1)，并根据
Figure FDA0003638016520000012
计算压气机转速速率
Figure FDA0003638016520000013
式中ΔT为系统的采样周期；
步骤3、构造矩阵Y、X和A，其中，
Figure FDA0003638016520000014
式中，N为矩阵阶数；
步骤4、根据A＝(XTX)-1XTY，及Y＝XA，求解矩阵A的当前最小二乘解；
步骤5、根据最小二乘解获取a1、a2、b0、b1；
步骤6、根据Wfdem(k+1)＝Wf(k)+ΔWfdem(k+1)计算下一周期的目标供油量，其中
Figure FDA0003638016520000015
式中，d0为反映期望系统性能指标的参数；
步骤7、重复步骤1-6，直至发动机起动成功。
2.根据权利要求1所述的航空发动机起动燃油流量控制方法，其特征在于，N取20。
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