CN115056990B - 倾转旋翼机动力系统控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种倾转旋翼机动力系统控制方法。本发明基于倾转旋翼机旋翼变转速过程中主旋翼总距与发动机燃油流量与定转速过程中所不同的变化趋势，引入了自适应前馈控制方法，并在此基础上进一步引入增益自调度（GSS）补偿方法，在确保直升机/发动机稳定运行的前提下，可以充分发挥序列变速控制方法的优越性，实现低功耗变转速控制，有效实现了倾转旋翼机动力系统的高品质综合控制，同时弥补了国内对旋翼变转速下倾转旋翼机动力系统综合控制研究的不足。本发明还公开了一种倾转旋翼机动力系统控制装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种倾转旋翼机动力系统控制方法，属于航空宇航推进理论与工程技术领域。
背景技术
高速直升机是未来直升机的发展方向和制高点，倾转旋翼机、复合直升机是迄今为止高速直升机的两种典型形式。目前倾转旋翼机的最大飞行速度能够达到740km/h，是常规直升机的两倍。其本质上需要兼容直升机与涡桨飞机两种工作模式，[陈皓.倾转旋翼机过渡模式下非定常气动力数值模拟[D]]且旋翼通过传动机构与涡轴发动机相连，共同组成了倾转旋翼机的“动力系统”。
根据动力系统的功率传递特点，存在两种实现旋翼变转速的方式：
1)通过变速动力涡轮轴发动机，结合常规定传动比变速机构来实现变转速。此时，由于动力转速不再恒定，发动机工作于非设计点，动力涡轮的效率损失是亟需解决的关键问题。
2)通过可变传动比的变速机构与常规的涡轴发动机匹配实现变转速。目前常见的变速机构主要包括无级变速传动机构与两级变速传动机构。相比于无级变速传动机构，基于差动行星齿轮系的两级变速传动机构不仅可获得更大的单级减速比，而且有利于减少零件数目、降低传动机构质量以及均衡载荷，具有一定的工程实用价值。然而，在迅速的换挡变速过程中，两级变速传动机构会造成传递功率的瞬间损失，容易对传动系统产生一定的危害。
目前针对倾转旋翼动力系统控制方法的研究相对较少，Hans A开发了变转速倾转旋翼飞行器耦合动力系统综合仿真平台，研究了倾转旋翼动力系统间的动态耦合特性，探究了不同变速速率对涡轴发动机动态响应的影响规律。[Hans A.DeSmidt,EdwardC.Smith,Robert C.Bill and Kon-Well Wang.Comprehensive Modeling and Analysisof Rotorcraft Variable Speed Propulsion System with Coupled Engine/Transmission/Rotor Dynamics[R]]聂友伟围绕倾转旋翼机及其动力系统—涡轴发动机，开展了发动机控制规律研究[聂友伟.倾转旋翼机飞机/发动机综合建模及控制研究[D]]。盛汉霖以涡桨发动机为动力系统，针对倾转四旋翼机开展了飞行/推进系统的建模、控制与试验技术研究[盛汉霖.倾转旋翼机飞行/推进系统综合建模与控制技术研究[D]]。上述研究或者单一研究变转速对发动机动态特性的影响规律，或者分别针对倾转旋翼机不同的工作模式，对发动机进行定转速控制规律设计，鲜有针对变转速过程中发动机动态响应品质，进行精细化的变转速控制方法研究。
变旋翼转速过程综合控制方面，陈国强、杨娟[陈国强,杨娟.基于直升机/发动机综合模型的变旋翼转速控制研究[J]]基于序列转移控制方案实现了旋翼转速变换(两台涡轴发动机结合两台多级变速器)，针对变旋翼转速过程中旋翼扭矩强扰动的问题设计了鲁棒LMI+ADRC扭矩正前馈的综合控制方法来快速跟踪指令转速，减少调节时间，减小超调量与下垂量。姚文荣等[姚文荣,宁景涛,张海波.基于无级变速的直升机变旋翼转速控制模拟方法研究[J]]提出了无级变速的变旋翼转速方法，使用PID+总距正前馈的控制结构来实现直升机变旋翼转速过程中发动机的快速响应控制。
可见目前变旋翼转速综合控制的研究或是针对单发情况实现变旋翼转速的控制，或是以常规的直升机为研究对象进行变旋翼转速控制的研究。而区别于常规的单旋翼直升机，倾转旋翼机存在多个动力传动通道，此时，采用序列变速控制来实现旋翼变转速时，发动机在变转速过程中交替脱开、接入，动力涡轮转速势必会出现难以接受的超调与下垂量。基于此，有必要围绕倾转旋翼机序列变速控制过程，设计高品质的发动机动力系统控制方法，以改善变旋翼转速过程中动力系统的动态响应品质。
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，提供一种倾转旋翼机动力系统控制方法，以有效改善倾转旋翼机在变旋翼转速过程中动力系统的动态响应品质。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种倾转旋翼机动力系统控制方法，所述倾转旋翼机动力系统包括至少一个由涡轴发动机、变速传动机构、主旋翼依次连接而成的动力传动通道；所述控制方法包括：根据飞行指令以及倾转旋翼机的飞行状态通过序列变速控制方法对涡轴发动机以及变速传动机构进行控制；所述控制方法还包括：根据主旋翼总距的变化率、动力涡轮转速参考指令的变化率以及动力涡轮转速到主旋翼转速减速比的变化率对涡轴发动机进行自适应总距前馈控制，所述自适应总距前馈控制的控制律具体如下：
其中，Δθ0代表相邻采样时刻旋翼总距的变化率，Δpnpr代表相邻采样时刻动力涡轮转速参考指令的变化率,Δn代表相邻采样时刻动力涡轮转速到主旋翼转速减速比的变化率，K代表前馈增益。
进一步地，所述控制方法还包括：根据发动机输出扭矩与旋翼转速的变化率对动力涡轮转速控制回路的增益进行自调度补偿，具体补偿方法如下：
式中，kp、ki分别为动力涡轮转速控制回路的比例、积分增益，下标0代表初始值；Cp、Ci为对应常数，sgn是符号函数,ΔTqe为发动机输出扭矩的变化率，ΔΩmr为发动机主旋翼相对转速的变化率。
优选地，所述倾转旋翼机动力系统包括左右两路对称设置的所述动力传动通道。
基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：
一种倾转旋翼机动力系统控制装置，所述倾转旋翼机动力系统包括至少一个由涡轴发动机、变速传动机构、主旋翼依次连接而成的动力传动通道；所述控制装置包括：
序列变速控制模块，用于根据飞行指令以及倾转旋翼机的飞行状态通过序列变速控制方法对涡轴发动机以及变速传动机构进行控制；
所述控制装置还包括：
自适应总距前馈控制模块，用于根据主旋翼总距的变化率、动力涡轮转速参考指令的变化率以及动力涡轮转速到主旋翼转速减速比的变化率对涡轴发动机进行自适应总距前馈控制，所述自适应总距前馈控制的控制律具体如下：
其中，Δθ0代表相邻采样时刻旋翼总距的变化率，Δpnpr代表相邻采样时刻动力涡轮转速参考指令的变化率,Δn代表相邻采样时刻动力涡轮转速到主旋翼转速减速比的变化率，K代表前馈增益。
进一步地，所述控制装置还包括：
增益自调节模块，用于根据发动机输出扭矩与旋翼转速的变化率对动力涡轮转所速控制回路的增益进行自调度补偿，具体补偿方法如下：
式中，kp、ki分别为动力涡轮转速控制回路的比例、积分增益，下标0代表初始值；Cp、Ci为对应常数，sgn是符号函数,ΔTqe为发动机输出扭矩的变化率，ΔΩmr为发动机主旋翼相对转速的变化率。
优选地，所述倾转旋翼机动力系统包括左右两路对称设置的所述动力传动通道。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明基于倾转旋翼机旋翼变转速过程中主旋翼总距与发动机燃油流量与定转速过程中所不同的变化趋势，引入了自适应前馈控制方法，并在此基础上进一步引入增益自调度(GSS)补偿方法，在确保直升机/发动机稳定运行的前提下，可以充分发挥序列变速控制方法的优越性，实现低功耗变转速控制，有效实现了倾转旋翼机动力系统的高品质综合控制，同时弥补了国内对旋翼变转速下倾转旋翼机动力系统综合控制研究的不足。
附图说明
图1是具体实施例中的倾转旋翼机动力系统结构示意图；
图2是本发明所提出的倾转旋翼机动力系统控制装置的结构框图；
图3是动力涡轮相对转速仿真结果对比图；
图4是主旋翼相对转速仿真结果对比图；
图5是燃油流量仿真结果对比图；
图6是压气机转子相对转速仿真结果对比图；
图7是发动机输出扭矩仿真结果对比图；
图8是主旋翼总距仿真结果对比图。
具体实施方式
本发明所针对的研究对象是包括至少一个动力传动通道的倾转旋翼机动力系统，每个动力传动通道均由涡轴发动机、变速传动机构、主旋翼依次连接而成。
传统变旋翼转速系统所采用的总距前馈控制律可表示为：
Δ＝KΔθ0
式中，K代表前馈增益(通常大于0)，Δθ0为主旋翼总距的变化率。
定旋翼转速下，增益通常为正值。而为了适用于全包线情形，一般会结合相似变换与插值搜索，实现增益自调节。定旋翼转速下，总距增加，直升机需求功率升高，发动机燃油随之增大，此时，上述的前馈控制律可起到提前补偿燃油的作用。
而在倾转旋翼机的旋翼变转速条件下，总距与燃油变化趋势不一致。为了兼顾上述定、变转速情形，本发明设计了一种自适应总距前馈控制律：
式中，Δθ0代表相邻采样时刻旋翼总距的变化率，Δpnpr代表相邻采样时刻动力涡轮转速参考指令的变化率,Δn代表相邻采样时刻动力涡轮转速到主旋翼转速减速比的变化率，K代表前馈增益(通常大于0)。
进一步地，为了应对序列变速控制过程中，发动机重新接入时，转速下垂较大的问题，本发明设计了一种基于发动机输出扭矩变化率与旋翼转速变化率的增益自调度补偿方法(GSS)，具体如下：
式中，kp、ki分别为动力涡轮转速控制回路的比例、积分增益，下标0代表初始值。Cp、Ci为对应常数，sgn是符号函数,ΔTqe为发动机输出扭矩的变化率，ΔΩmr为主旋翼相对转速的变化率。当且仅当两侧涡轴发动机重新接入时，动力涡轮转速控制回路的增益才会增加。
为了便于公众理解，下面通过一个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
本实施例中的倾转旋翼机为含有多级变速装置的双发驱动双旋翼的倾转旋翼机，其动力系统结构如图1所示，倾转旋翼机动力系统的左右动力传动通道结构一致，从左到右依次为涡轴发动机、两级变速传动机构和主旋翼，且从动力涡轮到主旋翼共存在三级减速，其中nDCT为两级变速传动机构的减速比。
针对图1所示的倾转旋翼机动力系统，本发明所提出的倾转旋翼机动力系统控制装置的基本结构如图2所示，其基本控制流程为：由飞行控制模块结合飞行指令以及倾转旋翼机的飞行状态向序列变速控制模块发出变转速指令，序列变速控制模块分别向多级变速装置发出变传动比指令，向涡轴发动机控制模块发出动力涡轮转速指令，以此实现序列变旋翼转速的操作。如图2所示，为了有效改善序列变旋翼转速控制过程中动力系统的动态响应品质，在前述控制结构中加入了自适应总距前馈控制模块和增益自调节模块。
定旋翼转速下，总距增加，直升机需求功率升高，发动机燃油随之增大；旋翼变转速条件下，总距与燃油变化趋势相反。为了兼顾上述定、变转速情形，如图2所示，本发明在控制系统中增加了自适应总距前馈控制模块，所述自适应总距前馈控制模块用于根据主旋翼总距的变化率、动力涡轮转速参考指令的变化率以及动力涡轮转速到主旋翼转速减速比的变化率对涡轴发动机进行自适应总距前馈控制，所述自适应总距前馈控制的控制律具体如下：
其中，Δθ0代表相邻采样时刻旋翼总距的变化率，Δpnpr代表相邻采样时刻动力涡轮转速参考指令的变化率,Δn代表相邻采样时刻动力涡轮转速到主旋翼转速减速比的变化率，K代表前馈增益。由上式可知，当倾转旋翼机工作于定旋翼转速、定传动比时，该前馈控制与常规的总距正前馈方式等价。当pnpr一定，减速比n发生变化时，即采用变传动比实现变旋翼转速，则在变转速过程中，前馈项Δ＝-KΔθ0；同理，当n一定，pnpr变化时，前馈项仍为Δ＝-KΔθ0。由此可得出结论：旋翼变转速过程中，即使旋翼总距与燃油流量的变化趋势相反，上述控制律仍然可以实现前馈补偿。
本发明还在控制系统中增加了增益自调节模块，采用基于发动机输出扭矩与旋翼转速变化率的增益自调度(GSS)补偿方法：利用发动机输出扭矩与旋翼转速的变化率适应性调节动力涡轮转速控制器增益；具体地，对控制回路的比例、积分增益kp、ki作如下定义：
式中，kp、ki分别为动力涡轮转速控制回路的比例、积分增益，下标0代表初始值。Cp、Ci为对应常数，sgn是符号函数,ΔTqe为发动机输出扭矩的变化率，ΔΩmr为主旋翼相对转速的变化率。当且仅当两侧涡轴发动机重新接入时，动力涡轮转速控制回路的增益才会增加，即应对了序列变速控制过程中，发动机重新接入时，转速下垂较大的问题。
为了验证图2所示控制装置的技术效果，在已经构建的基于序列变速控制的倾转旋翼动力系统仿真平台上，对其进行数值仿真验证，结果如图3～图8所示。其中，下标L、R为左、右两通道。结合图4、图7可知，t＝12-42s时，左侧涡轴发动机脱离，左、右主旋翼所需动力均由右侧发动机供给。当t＝42s时，左侧发动机开始重新接入，发动机端扭矩逐渐增加。左侧主旋翼的转速出现瞬间下垂的趋势，所设计的动力系统综合控制方法利用旋翼转速与发动机输出扭矩的变化率，预测到这一变化趋势，并自适应增大动力涡轮转速控制回路的增益。t＝44s时，虽然发动机端的扭矩仍在增加，但旋翼转速变化率为正，此时增益自调度补偿环节不再发挥作用。由图3可知，在42-45s间，相比于常规总距前馈，带增益自调度补偿环节的自适应总距前馈综合控制方法，可使左侧动力涡轮转速的下垂量减小27％以上。同样，当t＝82s、190s、245s时，增益自调度补偿环节再次启动，对改善左、右两侧动力涡轮转速的下垂量产生了积极的作用。此外，值得注意的是，t＝52s时，右侧发动机开始脱离，此时增益自调度补偿环节未启动，但右侧动力涡轮转速的超调量仍降低43.6％左右。这是因为在设计动力涡轮转速控制回路时，采用增量式PID方法，历史时刻的控制器输出对当前时刻具有一定的影响。t＝196s时，左侧涡轴发动机再次脱开，情况与此类似。由图5所示发动机燃油流量变化曲线可知，相比于采用常规总距前馈，带增益自调度补偿环节的综合控制方法并未带来额外的输入负担，燃油流量基本一致。相应地，压气机转速(如图6所示)、发动机输出扭矩(如图7所示)也基本相同。
Claims (4)
1.一种倾转旋翼机动力系统控制方法，所述倾转旋翼机动力系统包括至少一个由涡轴发动机、变速传动机构、主旋翼依次连接而成的动力传动通道；所述控制方法包括：根据飞行指令以及倾转旋翼机的飞行状态通过序列变速控制方法对涡轴发动机以及变速传动机构进行控制；其特征在于，所述控制方法还包括：根据主旋翼总距的变化率、动力涡轮转速参考指令的变化率以及动力涡轮转速到主旋翼转速减速比的变化率对涡轴发动机进行自适应总距前馈控制，所述自适应总距前馈控制的控制律具体如下：
其中，Δθ0代表相邻采样时刻旋翼总距的变化率，Δpnpr代表相邻采样时刻动力涡轮转速参考指令的变化率,Δn代表相邻采样时刻动力涡轮转速到主旋翼转速减速比的变化率，K代表前馈增益；
根据发动机输出扭矩与旋翼转速的变化率对动力涡轮转速控制回路的增益进行自调度补偿，具体补偿方法如下：
式中，kp、ki分别为动力涡轮转速控制回路的比例、积分增益，下标0代表初始值；Cp、Ci为对应常数，sgn是符号函数,ΔTqe为发动机输出扭矩的变化率，ΔΩmr为主旋翼相对转速的变化率。
2.如权利要求1所述倾转旋翼机动力系统控制方法，其特征在于，所述倾转旋翼机动力系统包括左右两路对称设置的所述动力传动通道。
3.一种倾转旋翼机动力系统控制装置，所述倾转旋翼机动力系统包括至少一个由涡轴发动机、变速传动机构、主旋翼依次连接而成的动力传动通道；所述控制装置包括：序列变速控制模块，用于根据飞行指令以及倾转旋翼机的飞行状态通过序列变速控制方法对涡轴发动机以及变速传动机构进行控制；
其特征在于，所述控制装置还包括：
自适应总距前馈控制模块，用于根据主旋翼总距的变化率、动力涡轮转速参考指令的变化率以及动力涡轮转速到主旋翼转速减速比的变化率对涡轴发动机进行自适应总距前馈控制，所述自适应总距前馈控制的控制律具体如下：
其中，Δθ0代表相邻采样时刻旋翼总距的变化率，Δpnpr代表相邻采样时刻动力涡轮转速参考指令的变化率,Δn代表相邻采样时刻动力涡轮转速到主旋翼转速减速比的变化率，K代表前馈增益；
增益自调节模块，用于根据发动机输出扭矩与旋翼转速的变化率对动力涡轮转速控制回路的增益进行自调度补偿，具体补偿方法如下：
式中，kp、ki分别为动力涡轮转速控制回路的比例、积分增益，下标0代表初始值；Cp、Ci为对应常数，sgn是符号函数,ΔTqe为发动机输出扭矩的变化率，ΔΩmr为主旋翼相对转速的变化率。
4.如权利要求3所述倾转旋翼机动力系统控制装置，其特征在于，所述倾转旋翼机动力系统包括左右两路对称设置的所述动力传动通道。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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