CN115638054A - 一种航空发动机转速上升率控制规律的设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于发动机控制技术领域，具体涉及一种航空发动机转速上升率控制规律的设计方法。该方法包括步骤S1、确定在标准大气条件下，按照油气比控制规律控制发动机时，转速上升率关系曲线，所述转速上升率关系曲线中横坐标为标准大气条件下的转速，纵坐标为转速上升率控制计划值；步骤S2、基于发动机加速过程的起始转速与目标终止转速对所述转速上升率控制计划值进行修正，获得修正后的转速上升率控制计划值；步骤S3、基于修正后的转速上升率控制计划值确定转速上升率给定值。本申请可以快速、准确的设计出转速上升率控制计划值，既保证加速性要求，又能保证发动机稳定工作。

Description

一种航空发动机转速上升率控制规律的设计方法

技术领域

本申请属于发动机控制技术领域，具体涉及一种航空发动机转速上 升率控制规律的设计方法。

背景技术

目前，航空发动机加速过程一般采用油气比的加速供油方式进行控 制，油气比的控制计划设计方法相对比较成熟，且已经经过充分的使用 验证。但随着航空发动机技术的进步，全权限数字电子控制系统FADEC 的全面推广应用，为了进一步提高加速过程的控制精度，避免由于成附 件供油偏差导致加速过程的控制偏差，加速过程会采用转速上升率闭环 控制。

对于加速过程转速上升率的控制方法，还未得到全面推广应用，对 于转速上升率的设计方法相对较少。一般会采用数值仿真模型进行相关 设计，该方法受模型精度的影响较大。由于航空发动机工作包线大、系 统复杂，发动机数值仿真模型精度一般较低，导致本方法很难快速的应 用到工程实践中，需要通过大量的试验摸索验证，不仅需要大量的人力和资源进行验证，还会导致工程应用时间难以保证。

发明内容

为了解决上述问题之一，本申请提供了一种航空发动机转速上升率 控制规律的设计方法，通过现有加速过程油气比控制下的试验结果，快 速获得能够应用于工程实践的转速上升率控制计划。

本申请提供的航空发动机转速上升率控制规律的设计方法，主要包 括：

步骤S1、确定在标准大气条件下，按照油气比控制规律控制发动机 时，转速上升率关系曲线，所述转速上升率关系曲线中横坐标为标准大 气条件下的转速n_c，纵坐标为转速上升率控制计划值f_ndot(n_c)_st，其被设定 为：

其中，ndot为转速上升率，P₃₁为压气机出口压力，T₁为发动机进口总 温；

步骤S2、基于发动机加速过程的起始转速与目标终止转速对所述转 速上升率控制计划值进行修正，获得修正后的转速上升率控制计划值；

步骤S3、基于修正后的转速上升率控制计划值确定转速上升率给定 值。

优选的是，步骤S1进一步包括：

步骤S11、获取多个标准大气条件下的转速n_c及对应的转速上升率控 制计划值f_ndot(n_c)_st；

步骤S12、通过画图或者拟合的方式确定所述转速上升率关系曲线。

优选的是，步骤S2进一步包括基于喘振裕度修正所述转速上升率控 制计划值。

优选的是，基于喘振裕度修正所述转速上升率控制计划值包括：

将发动机进入加速时的转速进行分段；

确定每一分段转速的喘振裕度；

对喘振裕度小于设定值的对应的分段转速，按设定比例降低该分段 转速对应的转速上升率控制计划值，同理，对喘振裕度大于设定值的对 应的分段转速，按设定比例提高该分段转速对应的转速上升率控制计划 值。

优选的是，步骤S2中，基于发动机加速过程的起始转速与目标终止 转速对所述转速上升率控制计划值进行修正包括：

步骤S21、确定本次加速开始时的换算转速和慢车状态的换算转速之 间的第一差值，确定本次加速结束时的目标换算转速和中间状态的最大 换算转速之间的第二差值；

步骤S22、对任一转速，在转速上升率关系曲线中，将其右移所述第 一差值后，形成该转速的右侧控制值；同时，将其左移所述第二差值后 形成该转速的左侧控制值；

步骤S23、对该转速，选择其左侧控制值、右侧控制值及其对应的转 速上升率控制计划值三者中的最小值，作为修正后的转速上升率控制计 划值。

优选的是，步骤S3中，基于修正后的转速上升率控制计划值m确定转 速上升率给定值ndot_Dem为：

本申请的关键点在于如何通过已有的、基于油气比控制的试验数据， 准确的归纳总结出转速上升率给定值，既能保证加速性，又能保证发动 机稳定控制。

本申请可以通过已有的、基于油气比控制方式下的实际转速上升率 值，快速、准确的设计出转速上升率控制计划值，能够很好的应用于工 程实际(既保证加速性要求，又能保证发动机稳定工作)。相比于传统 的仿真计算方法，不仅可以节约大量的试验验证时间和资源，而且可以 极大的缩短转速上升率控制计划值的工程应用周期。

附图说明

图1为本申请航空发动机转速上升率控制规律的设计方法的一优选 实施例的流程图。

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。

本申请提供的航空发动机转速上升率控制规律的设计方法，如图1所 示，主要包括：

步骤S1、确定在标准大气条件下，按照油气比控制规律控制发动机 时，转速上升率关系曲线，所述转速上升率关系曲线中横坐标为标准大 气条件下的转速n_c，纵坐标为转速上升率控制计划值f_ndot(n_c)_st，其被设定 为：

其中，ndot为转速上升率，P₃₁为压气机出口压力，T₁为发动机进口总 温。

随着航空发动机的不断使用，积累了大量试验、试飞数据，充分验 证了传统油气比控制方式下的加速控制方法，同时获取了大量的实际转 速上升率规律。为了保证设计出的转速上升率控制计划值，能够快速的 应用于工程实践，需要从传统的油气比控制规律中总结归纳出转速上升 率控制规律。

1)根据发动机原理可知，动态过程中，在几何角度规律给定、发 动机进口条件(总温T₁和总压P₁)一定的情况下：

式中，

为转速上升率，n_c为换算至标准大气条件下的转速；wf 为进入主燃烧室的燃油流量。

2)传统油气比控制规律为：

式中，f_wf(n_c)_st为标准大气条件下的油气比给定值；P₃₁为压气机出 口压力；

3)综合公式(1)和(2)可得：

4)公式(3)整理，重新赋值得：

式中，f_ndot(n_c)_st为标准大气条件下的转速上升率给定值。

因此，在步骤S1中，统计现有油气比控制时的

规律， 即按横坐标为n_c和纵坐标为

生成转速上升率关系曲线。

在一些可选实施方式中，步骤S1进一步包括：

步骤S11、获取多个标准大气条件下的转速n_c及对应的转速上升率控 制计划值f_ndot(n_c)_st；

步骤S12、通过画图或者拟合的方式确定所述转速上升率关系曲线。

步骤S2、基于发动机加速过程的起始转速与目标终止转速对所述转 速上升率控制计划值进行修正，获得修正后的转速上升率控制计划值。

由于加速过程中，发动机进入加速时的起始转速和目标终止转速不 同，为了保证发动机能够稳定工作(只要转速上升率给定值小于f_ndot(n_c)_st即可保证)，因此，在一些可选实施方式中，步骤S2中，基于发动机加 速过程的起始转速与目标终止转速对所述转速上升率控制计划值进行修 正包括：

步骤S21、确定本次加速开始时的换算转速和慢车状态的换算转速之 间的第一差值，确定本次加速结束时的目标换算转速和中间状态的最大 换算转速之间的第二差值；

步骤S22、对任一转速，在转速上升率关系曲线中，将其右移所述第 一差值后，形成该转速的右侧控制值；同时，将其左移所述第二差值后 形成该转速的左侧控制值；

步骤S23、对该转速，选择其左侧控制值、右侧控制值及其对应的转 速上升率控制计划值三者中的最小值，作为修正后的转速上升率控制计 划值。

步骤S3、基于修正后的转速上升率控制计划值确定转速上升率给定 值。

在一些可选实施方式中，步骤S3中，基于修正后的转速上升率控制 计划值m确定转速上升率给定值ndot_Dem为：

结合步骤S2中对所述转速上升率控制计划值进行修正的描述，步骤 S3最终形成的计算公式为：

其中，f_ndot(n_c)_st为起始点为n_{c_mcMin}和终止点为n_{c_zjMax}的标准大气条件下 转速上升率控制计划值；

n_c起始和n_{c_mcMin}为本次加速开始时的换算转速和慢车状态的换算转速值；

n_c终止和n_{c_zjMax}为本次加速结束时的目标换算转速和中间状态的最大换 算转速值；

shift_R(f_ndot(n_c)_st，n_c起始-n_cmc)为f_ndot(n_c)_st按n_c右移n_c起始-n_{c_mcMin}后的值；

shift_L(f_ndot(n_c)_st，n_c终止-n_czj)为f_ndot(n_c)_st按n_c左移n_c终止-n_{c_zjMax}后的值。

在一些可选实施方式中，步骤S2进一步包括基于喘振裕度修正所述 转速上升率控制计划值。根据现有发动机的稳定裕度情况，在确保加速 性满足要求的情况下，局部调整转速上升率控制计划，如航空发动机在 某一转速范围内喘振裕度比较小，可以适当降低该转速段的转速上升率， 并同时提高喘振裕度比较大的转速段，以确保加速性满足要求。具体的， 在一些可选实施方式中，基于喘振裕度修正所述转速上升率控制计划值 包括：

将发动机进入加速时的转速进行分段；

确定每一分段转速的喘振裕度；

对喘振裕度小于设定值的对应的分段转速，按设定比例降低该分段 转速对应的转速上升率控制计划值，同理，对喘振裕度大于设定值的对 应的分段转速，按设定比例提高该分段转速对应的转速上升率控制计划 值。

另外需要说明的是，根据拟合统计的图中的规律，可以适当分区域 确定转速上升率给定值；如根据发动机加速性要求(一般会按高度和表 速给出)，按不同高度和表速给定不同的转速上升率控制计划值。

本申请可以通过已有的、基于油气比控制方式下的实际转速上升率 值，快速、准确的设计出转速上升率控制计划值，能够很好的应用于工 程实际(既保证加速性要求，又能保证发动机稳定工作)。相比于传统 的仿真计算方法，不仅可以节约大量的试验验证时间和资源，而且可以 极大的缩短转速上升率控制计划值的工程应用周期。

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 (6)

1.一种航空发动机转速上升率控制规律的设计方法，其特征在于，包括：

步骤S1、确定在标准大气条件下，按照油气比控制规律控制发动机时，转速上升率关系曲线，所述转速上升率关系曲线中横坐标为标准大气条件下的转速n_c，纵坐标为转速上升率控制计划值f_ndot(n_c)_st，其被设定为：

其中，ndot为转速上升率，P₃₁为压气机出口压力，T₁为发动机进口总温；

步骤S2、基于发动机加速过程的起始转速与目标终止转速对所述转速上升率控制计划值进行修正，获得修正后的转速上升率控制计划值；

步骤S3、基于修正后的转速上升率控制计划值确定转速上升率给定值。

2.如权利要求1所述的航空发动机转速上升率控制规律的设计方法，其特征在于，步骤S1进一步包括：

步骤S11、获取多个标准大气条件下的转速n_c及对应的转速上升率控制计划值f_ndot(n_c)_st；

步骤S12、通过画图或者拟合的方式确定所述转速上升率关系曲线。

3.如权利要求2所述的航空发动机转速上升率控制规律的设计方法，其特征在于，步骤S2进一步包括基于喘振裕度修正所述转速上升率控制计划值。

4.如权利要求3所述的航空发动机转速上升率控制规律的设计方法，其特征在于，基于喘振裕度修正所述转速上升率控制计划值包括：

将发动机进入加速时的转速进行分段；

确定每一分段转速的喘振裕度；

对喘振裕度小于设定值的对应的分段转速，按设定比例降低该分段转速对应的转速上升率控制计划值，同理，对喘振裕度大于设定值的对应的分段转速，按设定比例提高该分段转速对应的转速上升率控制计划值。

5.如权利要求1所述的航空发动机转速上升率控制规律的设计方法，其特征在于，步骤S2中，基于发动机加速过程的起始转速与目标终止转速对所述转速上升率控制计划值进行修正包括：

步骤S21、确定本次加速开始时的换算转速和慢车状态的换算转速之间的第一差值，确定本次加速结束时的目标换算转速和中间状态的最大换算转速之间的第二差值；

步骤S22、对任一转速，在转速上升率关系曲线中，将其右移所述第一差值后，形成该转速的右侧控制值；同时，将其左移所述第二差值后形成该转速的左侧控制值；

步骤S23、对该转速，选择其左侧控制值、右侧控制值及其对应的转速上升率控制计划值三者中的最小值，作为修正后的转速上升率控制计划值。

6.如权利要求1所述的航空发动机转速上升率控制规律的设计方法，其特征在于，步骤S3中，基于修正后的转速上升率控制计划值m确定转速上升率给定值ndot_Dem为：

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