CN115370486A - 一种自适应发动机转差特性的大小油门转速闭环控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于发动机控制技术领域，具体涉及一种自适应发动机转差特性的大小油门转速闭环控制方法。该方法包括步骤S1、确定飞机满足大小油门控制进入条件；步骤S2、通过计时器开始计时，并确定初始时刻的低压换算转速；步骤S3、确定与实测高压换算转速对应的基准转速上升率；步骤S4、基于初始时刻的低压换算转速及用户给定的推力要求确定随时间变化的基准低压换算转速参考值；步骤S5、基于实测的低压换算转速与所述基准低压换算转速参考值的大小关系，调整基准转速上升率；步骤S6、基于基准转速上升率，计算燃油流量。本申请规避了慢车到中间加速稳定性和大小油门推力响应不兼容的问题，实现常规加减速和大小油门的单独控制。

Description

一种自适应发动机转差特性的大小油门转速闭环控制方法

技术领域

本申请属于发动机控制技术领域，具体涉及一种自适应发动机转差特性的大小油门转速闭环控制方法。

背景技术

当舰载机执行着舰复飞时，对发动机一定时间内推力上升速率有特殊要求，与发动机常规加速过程对加速时间提出要求不同，这个过程是考核油门上推时刻起始，时间轴和推力增加量的关系，这就需要发动机推力随时间迅速响应到位，这种响应特性就是舰载机发动机大小油门特性。

大油门推力响应特性是指按舰载飞机要求，发动机由进场着舰状态(推力在一定范围内)快速上推油门杆到中间状态时的推力响应特性，发动机的大油门推力特性可使舰载飞机在油门杆动作后短时间内获得加速度增益。小油门推力响应特性是指发动机对油门的阶跃输入的快速响应特性，可使飞机纵向加速度迅速获得增益。

综上所述，发动机大小油门过程实际上仍然是一个加速过程，其特点是不仅对推力变化时间要求严格，且对加速过程中每一时刻的推力值也有严格的要求，即推力随时间变化的轨迹有要求，这就加大了发动机大小油门特性实现的难度。目前舰载机发动机大油门动作时，按照发动机慢车到中间常规加速性的供油规律控制，油门杆动作后，推力响应存在滞后，大小油门性能无法全面满足舰载机需求。

目前的大小油门加速过程控制算法为开环油气比控制。

大小油门加速过程和发动机慢车到中间的加速过程采用相同控制方法。即判断为加速状态后，按照给定的加速油气比执行加速过程燃油流量控制。

现有技术方案可以实现常规加速性满足设计要求。但是由于发动机存在生产分散度以及寿命衰减等问题，每台发动机加速性不一致，同一台发动机随使用时间累计，加速性也会衰减。同样的因素，大小油门过程的推力响应特性也存在差异。因此存在以下缺点：

1.同一套加速油气比规律无法满足不同台份或者同一台发动机全寿命期的大小油门要求；

2.使用同一套加速油气比规律，某些发动机可能存在稳定裕度不足现象，某些发动机可能存在加速性不足的矛盾；

3.加速过程供油和高压转速相关，但高压转速和发动机推力不直接相关，高压转速的变化速率不能直接反应发动机推力量级；

4.为了满足大小油门推力要求，每一台发动机出厂时可能需要多次调试加速油气比规律，增加出厂调试时间和占台周期。

发明内容

为了解决上述问题之一，改善大小油门特性，同时兼顾常规加速性能，本申请提供了一种自适应发动机转差特性的大小油门转速闭环控制方法，在发动机稳定裕度限制下，将低压转子转速与推力的对应关系作为高压转速上升率控制的修正条件。

本申请提供的自适应发动机转差特性的大小油门转速闭环控制方法，主要包括：

步骤S1、确定飞机满足大小油门控制进入条件；

步骤S2、通过计时器开始计时，并确定初始时刻的低压换算转速；

步骤S3、确定与实测高压换算转速对应的基准转速上升率；

步骤S4、基于初始时刻的低压换算转速及用户给定的推力要求确定随时间变化的基准低压换算转速参考值；

步骤S5、基于实测的低压换算转速与所述基准低压换算转速参考值的大小关系，调整所述基准转速上升率；

步骤S6、基于所述基准转速上升率或调整后的基准转速上升率，采用PID算法计算燃油流量。

优选的是，步骤S1中，确定飞机满足大小油门控制进入条件包括：

步骤S11、获取轮载信号及加速标识；

步骤S12、当所述轮载信号为空且发动机加速标识成立，则所述飞机满足大小油门控制进入条件；或者当所述轮载信号为地面且持续时间小于3秒，之后轮载信号为空中时，所述飞机满足大小油门控制进入条件。

优选的是，步骤S12中，确定发动机加速标识成立包括：

步骤S121、获取低压转速、高压转速、排气温度及压气机后总压；

步骤S122、分别计算低压转速与低压转速设定值、高压转速与高压转速设定值、排气温度与排气温度设定值、压气机后总压与压气机后总压设定值之间的差值，并取其中的最小值；

步骤S123、当所述最小值大于等于5，则确定发动机加速标识成立。

优选的是，步骤S4进一步包括：

步骤S41、基于用户给定的至少两条随时间变化的推力曲线，确定对应的低压换算转速随时间的变化曲线；

步骤S42、基于初始时刻的低压换算转速在所述变化曲线中插值出随时间变化的基准低压换算转速参考曲线。

优选的是，步骤S5进一步包括：

步骤S51、计算基于实测的低压换算转速与所述基准低压换算转速参考值的差值；

步骤S52、当所述差值的绝对值大于设定值，且持续两个周期后，调整所述基准转速上升率，当所述差值的绝对值小于设定值，且持续两个周期后，或者飞机不再满足大小油门控制进入条件时，退出对所述基准转速上升率的调整。

优选的是，调整所述基准转速上升率包括：

若所述差值大于2，则当前时刻的所述基准转速上升率为上一时刻的基准转速上升率的基础上减去第一修正值，所述第一修正值为控制周期内允许减小的修正量；

若所述差值小于2，则当前时刻的所述基准转速上升率为上一时刻的基准转速上升率的基础上增加第二修正值，所述第二修正值为控制周期内允许增加的修正量。

优选的是，步骤S6中进一步包括对所述燃油流量进行限制，对燃油流量进行限制包括：

步骤S61、在加速供油上下限曲线中插值出当前实测的高压换算转速对应的换算燃油流量上限及换算燃油流量下限；

步骤S62、基于实测的发动机进口总温与压气机出口压力分别计算与所述换算燃油流量上限对应的实际燃油流量上限，及与所述换算燃油流量下限对应的实际燃油流量下限；

步骤S63、若计算的燃油流量超过实际燃油流量上限则按照所述实际燃油流量上限进行供油控制，若计算的燃油流量低于实际燃油流量下限，则按照所述实际燃油流量下限进行供油控制。

优选的是，步骤S6之后进一步包括：

步骤S7、当轮载信号为地面，或者飞行速度小于速度预设值，或者发动机舱压低于舱压预设值，或者不再满足加速条件，或者不再满足大小油门控制进入条件时，退出大小油门加速控制。

优选的是，当发动机舱压信号故障时，按高度重构所述发动机舱压信号。

对于新生产发动机，本申请能够兼容发动机生产、装配过程等带来的性能分散度，提升大小油门特性一致性，节约发动机工厂内调试开车次和占台时间，具有显著经济效益。对于交付使用的发动机，随着使用时间增加，使用环境、磨损、修理等因素会导致发动机性能衰退，大小油门推力响应时间增长，本申请能够自动修正大小油门瞬态过程的主调节变量，在给定的发动机稳定裕度允许增油量限制范围之内，保证翻修期内发动机大小油门推力响应特性保持一致。

附图说明

图1为本申请自适应发动机转差特性的大小油门转速闭环控制方法的一优选实施例的流程图。

图2为换算推力响应要求示意图。

图3为控制策略示意图。

图4为低压换算转速修正示意图。

图5为基准低压换算转速参考值随时间变化曲线示意图。

图6为大小油门加速油调试范围示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式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。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

用户对舰载机发动机大小油门要求是推力和时间的关系：将油门杆开始动作为零时刻，要求推力响应大于等于图中变化率，即在加速过程的每一时刻的推力均落入图2中的阴影区。为了达到该目标，大小油门过程应采用最能反映推力的参数来控制。

为了满足用户的大小油门特性要求，同时兼顾发动机全包线范围内的加减速要求，设计大小油门独立控制环节，将大小油门特性控制环节的触发条件限定在特定包线内。即在该包线内进行加速时，按大小油门特性控制环节进行，在该包线外进行加减速时，按常规加减速执行。

发动机大小油门本质是加速过程，压气机工作线向稳定边界移动，导致剩余稳定裕度减小，因此采用压气机转速上升率作为转速闭环直接控制参数，可以保证发动机压气机转速加速满足时间要求且压气机可以稳定工作，控制规律示意见图3。但是压气机转速并不直接与发动机推力相关。对于双转子涡扇发动机，低压换算转速与进口换算空气流量相关；而空气换算流量可表征推力量级。因此推力随时间的关系，可转化为低压换算转速随时间的关系曲线，见图4中基准低压换算转速示意.

基于上述原理，本申请提出一种进行低压换算转速修正的自适应转速闭环控制方法。当按照给定的高压转速闭环控制规律执行时，实时判读当前控制时刻的低压换算转速。如果实际测试的低压换算转速低于参考低压换算转速时，需自适应增加基准转速上升率直到低压转速满足要求；如果实际测试的低压换算转速高于参考低压换算转速时，需自适应降低基准转速上升率直到低压转速满足要求。最终在保证压气机稳定工作的条件下，实现了推力满足图2的要求。

参考图2，本申请提供的自适应发动机转差特性的大小油门转速闭环控制方法，主要包括：

步骤S1、确定飞机满足大小油门控制进入条件。

在一些可选实施方式中，该步骤中，确定飞机满足大小油门控制进入条件包括：步骤S11、获取轮载信号及加速标识；步骤S12、当所述轮载信号为空且发动机加速标识成立，则所述飞机满足大小油门控制进入条件；或者当所述轮载信号为地面且持续时间小于3秒，之后轮载信号为空中时，所述飞机满足大小油门控制进入条件。

在一些可选实施方式中，步骤S12中，确定发动机加速标识成立包括：步骤S121、获取低压转速、高压转速、排气温度及压气机后总压；步骤S122、分别计算低压转速与低压转速设定值、高压转速与高压转速设定值、排气温度与排气温度设定值、压气机后总压与压气机后总压设定值之间的差值，并取其中的最小值；步骤S123、当所述最小值大于等于5，则确定发动机加速标识成立。

该实施例中，设置加速标识为accID，当accID＝1，表征加速成立；当accID＝0，表征加速不成立。

控制系统可通过发动机油门信号PLA、发动机进口总温T₁计算得到发动机控制系统设定的低压转速控制规律-低压转速设定值n_1DEM、发动机控制系统设定的高压转速控制规律-高压转速设定值n_2DEM、发动机控制系统设定的排气温度控制规律-排气温度设定值T_6DEM、发动机控制系统设定的压气机后总压控制规律-压气机后总压设定孩子P_31DEM。控制系统根据实测的n₁、n₂、T₆、P₃₁计算得到发动机实际状态与目标状态的偏差：dn₁、dn₂、dT₆、dP₃₁。dn₁＝n_1DEM-n₁、dn₂＝n_2DEM-n₂、dT₆＝T_6DEM-T₆、dP₃₁＝(P_31DEM-P₃₁)×100/P_31DEM(％)。最终dn₂为：dn₂＝min(dn₁、dn₂、dT₆、dP₃₁)。

当dn₂≥5时，表明进入加速过程，加速标识accID＝1；

当dn₂≤2时，表明退出加速过程，加速标识accID＝0。

之后，进行大小油门过程控制的进入条件判断。设置大小油门状态标识YMacc，当YMacc＝1表示大小油门状态成立；当YMacc＝0表示大小油门状态不成立。

当满足a)且c)或者a)且b)时，满足大小油门控制的进入条件，标识符YMacc＝1。

a)轮载信号为空中；

b)轮载信号为地面且持续时间小于3秒；

c)accID＝1。

步骤S2、通过计时器开始计时，并确定初始时刻的低压换算转速。

设t为计时器，Δt为控制系统计算1周期的时间。当刚满足YMacc＝1时，计时器开始计时，同时记录t₀时刻的低压换算转速n1r₀。

步骤S3、确定与实测高压换算转速对应的基准转速上升率。

采用当前时刻的实测高压换算转速在图3的理论控制线中插值得到基准转速上升率(dn2/dt)dem。

步骤S4、基于初始时刻的低压换算转速及用户给定的推力要求确定随时间变化的基准低压换算转速参考值。

在一些可选实施方式中，步骤S4进一步包括：

步骤S41、基于用户给定的至少两条随时间变化的推力曲线，确定对应的低压换算转速随时间的变化曲线；

步骤S42、基于初始时刻的低压换算转速在所述变化曲线中插值出随时间变化的基准低压换算转速参考曲线。

如图5所示，依据低压换算转速n1r₀在图5中进行插值，获得随时间t变化的目标n1r_acc-dem；该曲线由用户提出的t～推力要求转化而来。通常情况下，用户给定的推力要求为随时间变化的两条推力线，基于推力与低压换算转速的关系，给出图5的两条低压换算转速关系曲线，然后根据初始的低压换算转速n1r₀进行插值，获得基准低压换算转速参考值n1r_acc-dem。

步骤S5、基于实测的低压换算转速与所述基准低压换算转速参考值的大小关系，调整所述基准转速上升率。

在一些可选实施方式中，步骤S5进一步包括：步骤S51、计算基于实测的低压换算转速与所述基准低压换算转速参考值的差值；步骤S52、当所述差值的绝对值大于设定值，且持续两个周期后，调整所述基准转速上升率，当所述差值的绝对值小于设定值，且持续两个周期后，或者飞机不再满足大小油门控制进入条件时，退出对所述基准转速上升率的调整。

在一些可选实施方式中，调整所述基准转速上升率包括：若所述差值大于2，则当前时刻的所述基准转速上升率为上一时刻的基准转速上升率的基础上减去第一修正值，所述第一修正值为控制周期内允许减小的修正量；若所述差值小于2，则当前时刻的所述基准转速上升率为上一时刻的基准转速上升率的基础上增加第二修正值，所述第二修正值为控制周期内允许增加的修正量。

判断当前时刻，实际测得的低压换算转速n1r和图3中给定的基准低压换算转速参考值n1r_acc-dem的偏差△n1r＝n1r-(n1r)acc-dem，当该偏差|n1r-n1r_acc-dem|＞A且持续2个控制周期时进入修正控制，控制算法为：

a)当n1r-n1r_acc-dem＞2，当前时刻控制用(dn2/dt)_t+1＝(dn2/dt)_t-B。B为dn2/dt基于初始给定规律每个控制周期内允许减小的修正量，依据发动机初始给定的转速上升率进行评估获得。

b)当n1r-n1r_acc-dem＜2，修正(dn2/dt)_t+1＝(dn2/dt)_t+C。C为dn2/dt基于初始给定规律每个控制周期内允许增加的修正量，依据发动机初始给定的转速上升率进行评估获得。

当满足下述a或b条件退出控制修正：

a)|n1r-n1r_acc-dem|＜A且持续2个控制周期。

b)YMacc＝0。

步骤S6、基于所述基准转速上升率或调整后的基准转速上升率，采用PID算法计算燃油流量。

在一些可选实施方式中，步骤S6中考虑压气机稳定工作需求，上述计算得到的W_fym还需要进行进一步限制。图6给出了加速供油的上下限。具体算法如下：

步骤S61、在加速供油上下限曲线中插值出当前实测的高压换算转速对应的换算燃油流量上限及换算燃油流量下限。

步骤S62、基于实测的发动机进口总温与压气机出口压力分别计算与所述换算燃油流量上限对应的实际燃油流量上限，及与所述换算燃油流量下限对应的实际燃油流量下限。

步骤S62中，通过以下公式进行计算：

这里，W1代表实际燃油流量上限或者实际燃油流量下限，W2代表换算燃油流量上限或者换算燃油流量下限。

步骤S63、若计算的燃油流量超过实际燃油流量上限则按照所述实际燃油流量上限进行供油控制，若计算的燃油流量低于实际燃油流量下限，则按照所述实际燃油流量下限进行供油控制。

步骤S63的控制策略采用如下公式实现：

Wfym＝max(min(W_fym，W_{f_up})，W_{f_down})。其中，W_fym为计算的燃油流量，W_{f_up}为实际燃油流量上限，W_{f_down}为实际燃油流量下限。

该实施例中，常规加速油气比指满足加速但未满足大小油门的加速供油规律；其中上下限通过发动机设计及台架验证获得。

优选的是，步骤S6之后进一步包括：

步骤S7、当轮载信号为地面，或者飞行速度小于速度预设值，或者发动机舱压低于舱压预设值，或者不再满足加速条件，或者不再满足大小油门控制进入条件时，退出大小油门加速控制。

该实施例中，当满足轮载信号为地面或飞行速度＜180km/h或PH＜80kPa或accID＝0，YMacc＝0，退出大小油门加速控制。

在一些可选实施方式中，当发动机舱压信号故障时，按高度重构所述发动机舱压信号。

当H＜11km时：

P_H＝(0.101325×(1-0.0226×H)^5.2553)(单位MPa)。

当H≥11km时：

P_H＝(0.02269×e^(11-H)/6.318)(单位MPa)。

本申请提出了一种大小油门识别方法。发动机大小油门用于舰载飞机着舰前姿态调整和着舰时复飞准备，采用轮载信号识别了满足大小油门控制的进入条件，实现了大小油门的独立控制。这种方法规避了慢车到中间加速稳定性和大小油门推力响应不兼容的问题，实现常规加减速和大小油门的单独控制。

本申请提出了一种大小油门自适应控制方法，满足了大小油门推力响应的同时，适应由于发动机生产分散度带来的性能差异以及发动机寿命减少带来的性能衰退等问题。

本申请节约发动机性能调试开车次和开车时间，具有显著经济效益。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本申请作了详尽的描述，但在本申请基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本申请精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本申请要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种自适应发动机转差特性的大小油门转速闭环控制方法，其特征在于，包括：

步骤S1、确定飞机满足大小油门控制进入条件；

步骤S2、通过计时器开始计时，并确定初始时刻的低压换算转速；

步骤S3、确定与实测高压换算转速对应的基准转速上升率；

步骤S4、基于初始时刻的低压换算转速及用户给定的推力要求确定随时间变化的基准低压换算转速参考值；

步骤S5、基于实测的低压换算转速与所述基准低压换算转速参考值的大小关系，调整所述基准转速上升率；

步骤S6、基于所述基准转速上升率或调整后的基准转速上升率，采用PID算法计算燃油流量。

2.如权利要求1所述的自适应发动机转差特性的大小油门转速闭环控制方法，其特征在于，步骤S1中，确定飞机满足大小油门控制进入条件包括：

步骤S11、获取轮载信号及加速标识；

步骤S12、当所述轮载信号为空且发动机加速标识成立，则所述飞机满足大小油门控制进入条件；或者当所述轮载信号为地面且持续时间小于3秒，之后轮载信号为空中时，所述飞机满足大小油门控制进入条件。

3.如权利要求2所述的自适应发动机转差特性的大小油门转速闭环控制方法，其特征在于，步骤S12中，确定发动机加速标识成立包括：

步骤S121、获取低压转速、高压转速、排气温度及压气机后总压；

步骤S122、分别计算低压转速与低压转速设定值、高压转速与高压转速设定值、排气温度与排气温度设定值、压气机后总压与压气机后总压设定值之间的差值，并取其中的最小值；

步骤S123、当所述最小值大于等于5，则确定发动机加速标识成立。

4.如权利要求1所述的自适应发动机转差特性的大小油门转速闭环控制方法，其特征在于，步骤S4进一步包括：

步骤S41、基于用户给定的至少两条随时间变化的推力曲线，确定对应的低压换算转速随时间的变化曲线；

步骤S42、基于初始时刻的低压换算转速在所述变化曲线中插值出随时间变化的基准低压换算转速参考曲线。

5.如权利要求1所述的自适应发动机转差特性的大小油门转速闭环控制方法，其特征在于，步骤S5进一步包括：

步骤S51、计算基于实测的低压换算转速与所述基准低压换算转速参考值的差值；

步骤S52、当所述差值的绝对值大于设定值，且持续两个周期后，调整所述基准转速上升率，当所述差值的绝对值小于设定值，且持续两个周期后，或者飞机不再满足大小油门控制进入条件时，退出对所述基准转速上升率的调整。

6.如权利要求5所述的自适应发动机转差特性的大小油门转速闭环控制方法，其特征在于，调整所述基准转速上升率包括：

若所述差值大于2，则当前时刻的所述基准转速上升率为上一时刻的基准转速上升率的基础上减去第一修正值，所述第一修正值为控制周期内允许减小的修正量；

若所述差值小于2，则当前时刻的所述基准转速上升率为上一时刻的基准转速上升率的基础上增加第二修正值，所述第二修正值为控制周期内允许增加的修正量。

7.如权利要求1所述的自适应发动机转差特性的大小油门转速闭环控制方法，其特征在于，步骤S6中进一步包括对所述燃油流量进行限制，对燃油流量进行限制包括：

步骤S61、在加速供油上下限曲线中插值出当前实测的高压换算转速对应的换算燃油流量上限及换算燃油流量下限；

步骤S62、基于实测的发动机进口总温与压气机出口压力分别计算与所述换算燃油流量上限对应的实际燃油流量上限，及与所述换算燃油流量下限对应的实际燃油流量下限；

步骤S63、若计算的燃油流量超过实际燃油流量上限则按照所述实际燃油流量上限进行供油控制，若计算的燃油流量低于实际燃油流量下限，则按照所述实际燃油流量下限进行供油控制。

8.如权利要求1所述的自适应发动机转差特性的大小油门转速闭环控制方法，其特征在于，步骤S6之后进一步包括：

步骤S7、当轮载信号为地面，或者飞行速度小于速度预设值，或者发动机舱压低于舱压预设值，或者不再满足加速条件，或者不再满足大小油门控制进入条件时，退出大小油门加速控制。

9.如权利要求8所述的自适应发动机转差特性的大小油门转速闭环控制方法，其特征在于，当发动机舱压信号故障时，按高度重构所述发动机舱压信号。

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