CN115307863A - 发动机进气模拟的稳流量进气控制方法、系统及存储介质 - Google Patents

发动机进气模拟的稳流量进气控制方法、系统及存储介质 Download PDF

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CN115307863A CN202211244282.0A CN202211244282A CN115307863A CN 115307863 A CN115307863 A CN 115307863A CN 202211244282 A CN202211244282 A CN 202211244282A CN 115307863 A CN115307863 A CN 115307863A
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Abstract

本发明适用于风洞试验技术领域，提供了一种发动机进气模拟的稳流量进气控制方法、系统及存储介质。本申请通过设定的目标流量，计算流量测量噪声方差W和流量过程噪声方差V，并通过模拟计算得到流量Q与离心风机转速R的关系函数，再根据卡尔曼滤波器原理以及上述得到的参数进行卡尔曼滤波计算，输出预估流量真值；根据该预估流量真值与目标流量的差值来对离心风机的转速进行调整。采用本申请的控制方法和系统，可以对发动机进气模拟的流量进行精确控制，维持试验过程中进气流量的压力稳定性。并且还能根据不同的流量需求和试验条件实现控制参数的修正，有助于提高控制性能，进一步提高整体控制的稳定性。

Description

发动机进气模拟的稳流量进气控制方法、系统及存储介质
技术领域
本发明涉及风洞试验技术领域，尤其是涉及一种发动机进气模拟的稳流量进气控制方法、系统及存储介质。
背景技术
飞机发动机在结冰气象条件下工作时，进气部件易发生结冰，以致发动机性能恶化，轻则造成功率/推力损失，重则引起发动机损坏、停车，对飞行安全产生严重的危害。我国民用航空规章《航空发动机适航规定》（CCAR 33）对航空发动机进气部件的结冰条件、防冰方式及结冰和防除冰试验等方面提出了明确要求，确保飞机进入预期自然结冰环境，发动机仍能正常运转。在适航审定的背景下，开展发动机进气部件结冰及防除冰适航验证试验是飞行安全的必要前提。目前，对于进气部件的结冰问题研究及防除冰系统验证，主要通过结冰风洞试验来实现，制造典型结冰环境及其工作状态，达到模拟真实飞行的情况。
制造进气部件工作状态是指模拟发动机的进气功能，结冰风洞利用发动进气模拟系统以完成进气模拟。系统使用管道连通进气部件模型和抽气设备，控制抽气设备工作，气流流入模型，再通过流量计测量流量得到等价的进气流量值。进气部件结冰风洞试验需求稳流量进气，在试验过程中，发动机进气模拟系统抽吸模型，实际进气流量达到目标值附近，但喷雾后进气部件内部持续结冰，流阻随之增大，系统会提高抽气设备功率，维持流量接近目标值。考虑流量计实际输出的流量值是动态变化，所以流量真实的变化趋势难以捕获，若以当前动态流量值或处理短时间内的动态流量值直接用于控制抽气设备，会出现流量输出波动幅度大，偏差增大的现象。
如专利CN202110778697.5公开了一种进气模拟系统、进气模拟方法和空模型压损模拟方法，通过离心风机和真空抽气泵的结合，通过对比真空抽气泵的压力与试验模型的压力，并将其压力差反馈至离心风机，及时调整离心风机的流量，从而实现了真空抽气泵压力对离心风机压力的反馈，提高了进气流量的压力稳定性。但是实践中发现，这种进气模拟系统和方法随着试验时间的增加，流量目标偏差和波动幅度逐渐变大，如图1所示，仍然不能很好地控制进气流量的压力稳定性。
发明内容
为了提高发动机进气模拟的气流量的压力稳定性，本发明提供了一种发动机进气模拟的稳流量进气控制方法及系统。
发明人在实践中发现，现有技术中，发动机进气模拟系统采用流量均值反馈的PID闭环控制方式，提取在一定时间内流量计输出的动态流量数据值做均值处理，得到的均值流量作为PID控制反馈。具体控制情况如图1所示，例如，试验要求的目标进气流量为8.45kg/s，75s以前结冰风洞未喷雾，进气流量达到8.45kg/s，波动幅度±0.1kg/s；75s开始喷雾，进气部件内部发生结冰，进气流阻增大，流量出现下降趋势，抽气设备受控于流量偏差，提升转速克服流阻，使流量接近目标值。整个试验过程，结冰致使进气流量减小，当流量实际值与目标值偏差达到一定量，转速抬升增加，呈现阶梯式调节，喷雾时间越长，模型内积冰越严重，流阻增加量更大，转速调节频率加快，流量目标偏差和波动幅度逐渐变大。可见，动态流量数据做平均处理后，作为反馈用于控制，存在偏差和波动幅度增大的问题，主要原因是对动态的数据的辨识不准确，抽气设备响应不及时，从而流量调节慢。
基于此，本申请对发动机进气模拟的稳流量进气控制系统进行了改进，选用文丘里管作为流量计，减少流量计对气流的干扰，提高检测精度，并且选用卡尔曼滤波器对采集信号进行处理，通过合理地设计卡尔曼滤波器各计算量的获得方式，用于估计真值，并将得到的真值与目标值的偏差作为系统的控制反馈，进行闭环控制。由此，本申请将现有技术中的采集动态流量的平均值作为控制反馈的控制方式，改为通过采集离心风机的转速和当前测得的流量值预测下一时刻的流量值，并基于该预测流量值与目标流量的差值作为控制反馈的控制方式，能够实现流量调节快，能够很好地控制进气流量的压力稳定性。
本申请一方面提供一种发动机进气模拟的稳流量进气控制方法，包括与发动机进气模型依次连接的流量计和离心风机；
S10. 设定目标流量Q；
S20. 计算流量测量噪声方差W和流量过程噪声方差V；
S30. 根据流量测量噪声方差W和流量过程噪声方差V计算卡尔曼滤波器的滤波增益K，并且仿真计算得到流量Q与离心风机转速R的关系函数Q=f(R)；
S40. 根据步骤S30中的滤波增益K，关系函数Q=f(R)以及当前流量Qm，离心风机转速R，利用卡尔曼滤波器原理，计算预估流量输出真值
Figure 105560DEST_PATH_IMAGE001
；所述当前流量Qm由流量计测量得到；
S50. 计算预估流量输出真值
Figure 811216DEST_PATH_IMAGE001
与目标流量Q的差值，当所述差值大于预设阈值，调整离心风机的转速R。
进一步地，步骤S20中，所述计算流量测量噪声方差W的方法为：
S211. 根据所述流量计的测量精度范围[-A，A]和目标流量，得到目标流量波动范围[Q+A，Q-A]；
S212. 在所述目标流量波动范围内随机取样B个，以目标流量Q设定为平均值，计算B个样本的样本方差，记为流量测量噪声方差W。
进一步地，步骤S20中，所述计算流量过程噪声方差V的方法为：
S221. 在设定试验环境下，运行发动机进气模拟系统；
S222. 调节所述离心风机的转速，使得所述流量计测得的流量值稳定在目标流量值附近；
S223. 记录多个流量计的测量值，并基于所述多个流量计的测量值计算方差，并将该方差记为流量过程噪声方差V。
进一步地，步骤S30中，所述滤波增益K通过下式计算：
Figure 566683DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 159338DEST_PATH_IMAGE003
，
k-1|k-1为上一次的值，k|k-1为上一次与下一次的中间值，即预估值，P为过程噪声与测量噪声的协方差，K(k)为下一次的滤波增益。
进一步地，步骤S40中，预估流量输出真值
Figure 974847DEST_PATH_IMAGE001
的计算为：
Figure 669265DEST_PATH_IMAGE004
，
其中，
Figure 228422DEST_PATH_IMAGE005
为上一次与下一次的预估流量中间值，
Figure 206743DEST_PATH_IMAGE006
为下一次的预估流量输出真值；
Figure 927574DEST_PATH_IMAGE007
为上一次的转速与流量的关系，
Figure 607823DEST_PATH_IMAGE008
为下一次的当前流量。
进一步地，所述流量计为文丘里管。
进一步地，还包括步骤S60. 重复步骤S40和S50。
本申请另一方面还提供一种发动机进气模拟的稳流量进气控制系统，包括与发动机进气模型依次连接的流量计和离心风机，以及控制模块，所述控制模块连接所述流量计，并采集离心风机的转速，执行如前任一所述的一种发动机进气模拟的稳流量进气控制方法。
进一步地，所述流量计为文丘里管，所述文丘里管包括依次连接的第一直管段，收缩段，喉道），扩散段，以及第二直管段，所述第一直管段连接所述发动机进气模型的输出管路，所述第二直管段连接所述离心机的输入管路。
本申请第三方面还提供一种存储介质，存储有执行如前任一所述的计算机程序。
采用本申请的一种发动机进气模拟的稳流量进气控制方法、系统及存储介质，相对于现有技术，至少具有以下有益效果：
（1）本申请通过设定目标流量，根据设定系统特性计算流量测量噪声方差W和流量过程噪声方差V，再利用卡尔曼滤波器原理，对流量输出真值进行预估，根据预估的流量输出真值与目标流量的差值作为系统反馈调整离心风机的转速。采用本发明的这种控制方法，能够显著提高对动态数据的辨识度，并利用卡尔曼滤波对动态流量进行了真值估算，为控制器输入更为真实的流量偏差反馈，提高流量调剂的响应速度，实现流量调节快，能够很好地控制进气流量的压力稳定性。
（2）本申请在计算流量过程噪声方差V时通过在设定试验环境下试验，获得的测量值进行方差计算，进而作为卡尔曼滤波器的输入参数，能够根据不同的试验条件实现控制参数的修正，提高控制性能。
（3）本申请在计算流量测量噪声方差W时，根据流量计的测量精度范围和目标流量，计算目标流量波动范围，并在该波动范围内随机取样来计算样本方差，以避免系统干扰对该流量测量噪声方差计算值的影响，从而提高了卡尔曼滤波器的估计精度。
（4）本申请的控制系统对现有的系统改动小，控制方法简单，便于对现有控制系统的改造，整体上提升控制性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是采用现有技术的进气模拟系统控制得到的流量与真空抽气泵转速变化图；
图2是本发明实施例1的一种发动机进气模拟的稳流量进气控制方法的流程示意图；
图3是本发明实施例1中计算流量测量噪声方差W的流程示意图；
图4是本发明实施例1中计算流量过程噪声方差V的流程示意图；
图5是采用本发明实施例1的控制方法所得到的控制效果图；
图6是本发明实施例2的一种发动机进气模拟的稳流量进气控制系统的结构示意图；
图7是本发明实施例2中的文丘里管的结构示意图。
图中，10-第一直管段，20-收缩段，30-喉道，40-扩散段，50-第二直管段，60-发动机进气模型，70-流量计，80-离心风机，90-风洞集气腔，100-控制模块。
具体实施方式
以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。
实施例1
一种发动机进气模拟的稳流量进气控制方法，如图2所示，与发动机进气模型依次连接的流量计和离心风机；
S10. 设定目标流量Q；
本领域技术人员可以理解，目标流量Q是根据实验需求设定的。
S20. 计算流量测量噪声方差W和流量过程噪声方差V；
其中，如图3所示，计算流量测量噪声方差W的方法为：
S211. 根据所述流量计的测量精度范围[-A，A]和目标流量，得到目标流量波动范围[Q+A，Q-A]；
本实施例采用文丘里管作为流量计，图7为文丘里管的结构示意图，发动机进气模拟系统是利用文丘里管进行流量测量。文氏管流量计由直管段、收缩段、喉道、扩散段、直管段组成，是一种差压型流量计，通过直管段、喉道管道壁面的两组环状引气管，获得稳定的壁面静压，使用差压传感器得到第一直管段与喉道的静压差
Figure 705092DEST_PATH_IMAGE009
，根据流量计算公式得到进气流量Q：
Figure 537919DEST_PATH_IMAGE010
上式中，d为喉道直径，
Figure 164072DEST_PATH_IMAGE011
为膨胀比，C为流量系数，
Figure 833082DEST_PATH_IMAGE012
为直径比，
Figure 435839DEST_PATH_IMAGE013
为气流密度，
Figure 608326DEST_PATH_IMAGE009
为直管段与喉道的差压。易知，d、C、
Figure 139801DEST_PATH_IMAGE013
等参数多为固定值或小量变值，对流量的变化影响较小，所以进气流量的数值大小主要取决于压差
Figure 279796DEST_PATH_IMAGE009
。压差是通过差压传感器测量获得，因此流量的波动源于压差传感器的测量精度。压差传感器的测量精度范围，也就是文丘里管的测量精度范围。
由此也可以看出，本申请采用文丘里管作为流量计，可以提高流量计的测量精度，一方面是由于以上分析的原因，文丘里管的测量精度只受压差传感器的影响；另一方面，文丘里管中没有伸入到气道中的探头，不会对气道中的气流产生影响，所采集到的流量信息更准确。
S212. 在所述目标流量波动范围内随机取样B个，以目标流量Q设定为平均值，计算B个样本的样本方差，记为流量测量噪声方差W。
样本数量B可以人为设定。值得说明的是，该步骤中，正常情况下，B个样本可以通过试验获得，也可以随机生成，本实施例中之所以直接随机取样而不是通过试验获得，是因为试验过程中，会受到试验系统的干扰，例如试验条件（温度，流速，模拟高度等），系统内各部件的干扰等，而不是只反应测量噪声。在已知多个样本的情况下，计算样本方差是本领域技术人员都熟知的，在此不再赘述。
如图4所示，所述计算流量过程噪声方差V的方法为：
S221. 在设定试验环境下，运行发动机进气模拟系统；
设定试验环境包括需要模拟的环境条件，如风速，温度，高度，防冰方式等，在这些条件达到稳定时，进行后续试验步骤；
S222. 调节所述离心风机的转速，使得所述流量计测得的流量值稳定在目标流量值附近；
本领域技术人员可以理解，使得流量计测得的流量值稳定在目标流量值附近，是指测量值在目标流量值附近一定范围内均可，该范围可以人为设定；
S223. 记录多个流量计的测量值，并基于所述多个流量计的测量值计算方差，并将该方差记为流量过程噪声方差V。
当流量计测得的流量值稳定在目标流量值附近后，随机记录多个测量值，并基于该多个测量值计算方差，就得到流量过程噪声方差V，该流量过程噪声方差用于表征测量系统误差。
S30. 根据流量测量噪声方差W和流量过程噪声方差V计算卡尔曼滤波器的滤波增益K，并且仿真计算得到流量Q与离心风机转速R的关系函数Q=f(R)；
所述滤波增益K通过下式计算：
Figure 984447DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 900188DEST_PATH_IMAGE015
，
k-1|k-1为上一次的值，k|k-1为上一次与下一次的中间值，即预估值，P为过程噪声与测量噪声的协方差，K(k)为下一次的滤波增益。
对于仿真计算，是为了获取流量Q与离心风机转速R的关系函数Q=f(R)，本领域技术人员可以理解，通过建立系统模型进行模拟，该技术属于本领域的现有技术，在此不作赘述。
S40. 根据步骤S30中的滤波增益K，关系函数Q=f(R)以及当前流量Qm，离心风机转速R，利用卡尔曼滤波器原理，计算预估流量输出真值
Figure 150035DEST_PATH_IMAGE016
：
Figure 151226DEST_PATH_IMAGE017
，
其中，
Figure 393989DEST_PATH_IMAGE018
为上一次与下一次的预估流量中间值，
Figure 790335DEST_PATH_IMAGE019
为下一次的流量真值估值；
Figure 211083DEST_PATH_IMAGE020
为上一次的转速与流量的关系，
Figure 591249DEST_PATH_IMAGE008
为下一次的当前流量。
当前时刻流量Q m (k)由流量计测量得到；由此得到下一次的预估流量输出真值
Figure 372123DEST_PATH_IMAGE016
，令
Figure 888555DEST_PATH_IMAGE021
；
S50. 计算预估流量输出真值
Figure 978740DEST_PATH_IMAGE016
与目标流量Q的差值，当所述差值大于预设阈值，调整离心风机的转速R。
也就是说，计算预估流量输出真值
Figure 783885DEST_PATH_IMAGE016
与目标流量Q的偏差作为系统的控制反馈，进行闭环控制，对离心风机的转速R进行适当调整，如此，实现对发动机进气模拟的稳流量进气控制的一次控制。
进一步地，在试验过程中，还需要重复执行步骤S40和S50，以维持试验过程中进气流量的压力稳定性。
采用本申请的一种发动机进气模拟的稳流量进气控制方法，其控制效果如图5所示，喷雾后，进气部件内部迅速结冰，进气流阻突增，流量短暂出现降低，随着发动机进气模拟系统调节抽气设备，提升转速增大抽气功率，进气流量增加趋近于目标值。图中，喷雾前流量稳定于14.2kg/s，波动幅度为±0.1kg/s，喷雾后流量最低降低至14.0kg/s，经过975s左右的喷雾，发动机进气模拟系统响应流量变化持续提升转速，使流量保持在14.1kg/s，波动幅度为±0.1kg/s，喷雾后流量偏差了0.1kg/s，但整体稳定性较好，能长时间保持。相对于现有技术，进气流量稳定性得到明显提高。
本申请的控制方法，可以根据不同的流量需求和试验条件实现控制参数的修正，有助于提高控制性能，进一步提高整体的稳定性。
实施例2
本实施例提供了一种发动机进气模拟的稳流量进气控制系统，如图6所示，包括与发动机进气模型60依次连接的流量计70和离心风机80，以及控制模块100，所述控制模块100连接所述流量计70，并采集离心风机80的转速，执行如实施例1所述的一种发动机进气模拟的稳流量进气控制方法。其中，发动机进气模型60设置于风洞试验段，可选地，将离心风机80的另一端连接风洞集气腔90。
进一步地，本申请将流量计70选为文丘里管，其结构如图7所示，所述文丘里管包括依次连接的第一直管段10，收缩段20，喉道30，扩散段40，以及第二直管段50，所述第一直管段10连接所述发动机进气模型60的输出管路，所述第二直管段50连接所述离心风机80的输入管路。文丘里管通过差压传感器获得第一直管段与喉道的静压差得到进气流量，由于没有探头伸入流道，不会对管路内的气流产生扰动，所测得的结果更加准确，进一步提高了本申请的控制系统的控制精度。
同时，本发明还提供了一种存储介质，存储有用于执行如实施例1所述的计算机程序。存储介质是一种计算机可读存储介质，可以是诸如闪存、EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）、EPROM、硬盘或者ROM之类的电子存储器。可选地，计算机可读存储介质包括非易失性计算机可读介质（non-transitory computer-readable storage medium）。计算机可读存储介质具有执行上述方法中的任何方法步骤的程序代码的存储空间。这些程序代码可以从一个或者多个计算机程序产品中读出或者写入到这一个或者多个计算机程序产品中。程序代码可以例如以适当形式进行压缩。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种发动机进气模拟的稳流量进气控制方法，其特征在于，包括与发动机进气模型依次连接的流量计和离心风机；
S10. 设定目标流量Q；
S20. 计算流量测量噪声方差W和流量过程噪声方差V；
S30. 根据流量测量噪声方差W和流量过程噪声方差V计算卡尔曼滤波器的滤波增益K，并且仿真计算得到流量Q与离心风机转速R的关系函数Q=f(R)；
S40. 根据步骤S30中的滤波增益K，关系函数Q=f(R)以及当前流量Qm，离心风机转速R，利用卡尔曼滤波器原理，计算预估流量输出真值
Figure 121959DEST_PATH_IMAGE001
；所述当前流量Qm由流量计测量得到；
S50. 计算预估流量输出真值
Figure 492898DEST_PATH_IMAGE001
与目标流量Q的差值，当所述差值大于预设阈值，调整离心风机的转速R。
2.据权利要求1所述的一种发动机进气模拟的稳流量进气控制方法，其特征在于，步骤S20中，所述计算流量测量噪声方差W的方法为：
S211. 根据所述流量计的测量精度范围[-A，A]和目标流量，得到目标流量波动范围[Q+A，Q-A]；
S212. 在所述目标流量波动范围内随机取样B个，以目标流量Q设定为平均值，计算B个样本的样本方差，记为流量测量噪声方差W。
3.根据权利要求1所述的一种发动机进气模拟的稳流量进气控制方法，其特征在于，步骤S20中，所述计算流量过程噪声方差V的方法为：
S221. 在设定试验环境下，运行发动机进气模拟系统；
S222. 调节所述离心风机的转速，使得所述流量计测得的流量值稳定在目标流量值附近；
S223. 记录多个流量计的测量值，并基于所述多个流量计的测量值计算方差，并将该方差记为流量过程噪声方差V。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种发动机进气模拟的稳流量进气控制方法，其特征在于，步骤S30中，所述滤波增益K通过下式计算：
Figure 504716DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 328316DEST_PATH_IMAGE003
，
k-1|k-1为上一次的值，k|k-1为上一次与下一次的中间值，即预估值，P为过程噪声与测量噪声的协方差，K(k)为下一次的滤波增益。
5.根据权利要求4所述的一种发动机进气模拟的稳流量进气控制方法，其特征在于，步骤S40中，预估流量输出真值
Figure 732883DEST_PATH_IMAGE001
的计算为：
Figure 958328DEST_PATH_IMAGE004
，
其中，
Figure 141048DEST_PATH_IMAGE005
为上一次与下一次的预估流量中间值，
Figure 717523DEST_PATH_IMAGE006
为下一次的预估流量输出真值；
Figure 893158DEST_PATH_IMAGE007
为上一次的转速与流量的关系，
Figure 176372DEST_PATH_IMAGE008
为下一次的当前流量。
6.根据权利要求5所述的一种发动机进气模拟的稳流量进气控制方法，其特征在于，所述流量计为文丘里管。
7.根据权利要求6所述的一种发动机进气模拟的稳流量进气控制方法，其特征在于，还包括步骤S60. 重复步骤S40和S50。
8.一种发动机进气模拟的稳流量进气控制系统，其特征在于，包括与发动机进气模型（60）依次连接的流量计（70）和离心风机（80），以及控制模块（100），所述控制模块（100）连接所述流量计（70），并采集离心风机（80）的转速，执行如权利要求1-7任一所述的一种发动机进气模拟的稳流量进气控制方法。
9.根据权利要求8所述的一种发动机进气模拟的稳流量进气控制系统，其特征在于，所述流量计（70）为文丘里管，所述文丘里管包括依次连接的第一直管段（10），收缩段（20），喉道（30），扩散段（40），以及第二直管段（50），所述第一直管段（10）连接所述发动机进气模型（60）的输出管路，所述第二直管段（50）连接所述离心风机（80）的输入管路。
10.一种存储介质，其特征在于，存储有执行如权利要求1-7任一所述的计算机程序。
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