CN117170225A - 基于转子加速度反馈的航空发动机增量式控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于转子加速度反馈的航空发动机增量式控制器，属于航空发动机控制技术领域，其特征在于含有一个转速控制器、一个转子加速度控制计划限幅模块、一个转子加速度控制器、N个限制保护控制器、一个加法器和一个限幅器。基于Min‑Max选择逻辑的控制器结构复杂、存在切换控制问题，本发明提出了一种基于转子加速度反馈的航空发动机增量式控制器，在控制系统最内环引入转子加速度反馈控制，消除系统非线性、时变和模型不确定性，简化外环控制律，提高系统鲁棒性；利用叠加控制增量和当前反馈控制量的方式，同时实现转速、加减速和限制保护控制，简化控制结构，减小系统相位滞后。本发明的优点在于鲁棒性好、结构简单、易于实现，不存在切换控制问题。

Description

基于转子加速度反馈的航空发动机增量式控制器

技术领域

本发明属于航空发动机控制技术领域，涉及一种基于转子加速度反馈的航空发动机增量式控制器。

背景技术

航空发动机是一个时变系统，其特性参数会随着工作寿命、环境条件、运行工作、生产批次等因素的影响而发生改变或产生差异，导致系统响应特性发生变化，给系统控制器的设计带来巨大的挑战。目前，工程中常采用基于Min-Max选择逻辑的切换控制器实现转速控制作为航空发动机控制方案，给整个系统带来以下问题：

(1)基于Min-Max选择逻辑的切换控制器的过渡态控制是基于计划实现的，鲁棒性较差，由于产品差异、性能蜕化等因素，同一型号发动机在不同寿命阶段不同工况下，无法维持加、减速性能的一致性。为确保每个产品、每个寿命阶段、每个运行工况加、减速性能的一致性，需要对产品进行人工校正和标定，增加了工作量。

(2)基于Min-Max选择逻辑的切换控制器存在切换控制逻辑，通过切换控制器实现如稳态控制、加速控制、减速控制、超温保护、超转保护、超压保护等控制功能。然而，由于各种干扰因素，可能引起发动机工作过程中控制器频繁地切换，导致发动机输入的燃油流量产生波动，不利于发动机的稳定运行。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种航空发动机控制器，以提高航空发动机控制系统的鲁棒性，同时避免切换控制逻辑导致的切换控制问题。

基于转子加速度反馈的航空发动机增量式控制器，其特征在于，至少含有一个转速控制器、一个转子加速度控制计划限幅模块、一个转子加速度控制器、N个限制保护控制器、一个加法器和一个限幅器，N为大于1的整数；其中：

所述转速控制器用于实现航空发动机转速闭环控制，其输入信号为转速控制指令n_cmd和转速反馈信号n_fbk，根据转速控制指令n_cmd和转速反馈信号n_fbk，通过闭环控制算法计算得到转子加速度指令作为所述转子加速度控制计划限幅模块的输入信号；

所述转子加速度控制计划限幅模块用于对转子加速度指令进行限幅运算，根据转速反馈信号n_fbk，以及航空发动机加减速过程的转子加速度调节计划计算得到当前转速下的转子加速度指令最大限幅值/>和转子加速度指令最小限幅值/>然后，根据转子加速度指令最大限幅值/>和转子加速度指令最小限幅值/>对转子加速度指令/>进行限幅运算，得到限幅后的转子加速度指令/>输出至所述转子加速度控制器；

所述转子加速度控制器用于实现航空发动机转子加速度闭环控制，根据限幅后的转子加速度指令和转子加速度反馈信号/>通过闭环控制算法计算得到所述转子加速度控制器输出的燃油控制增量/>输出至所述加法器；

第i个所述限制保护控制器，其中i＝1,…,N，用于将航空发动机第i个控制限制变量限定在合理范围，根据第i个控制限制变量限制值与第i个控制限制变量反馈值/>之间的关系和控制律计算得到第i个所述限制保护控制器输出的燃油控制增量/>输出至所述加法器；

所述加法器用于实现所述转子加速度控制器输出的燃油控制增量第i个所述限制保护控制器输出的燃油控制增量/>和燃油流量反馈值Wf_fbk的求和运算，得到所述加法器输出的燃油流量指令/>即/>作为所述限幅器的输入信号；

所述限幅器对所述加法器输出的燃油流量指令进行限幅运算，得到限幅后的燃油控制指令/>输出至燃油计量控制器或燃油控制系统。

可选的，所述转速控制器至少含有一个减法器和一个闭环控制器；其中：

所述减法器用于实现转速控制指令n_cmd与转速反馈信号n_fbk的相减运算，得到转速控制误差e_n＝n_cmd-n_fbk，作为所述闭环控制器的输入信号；

所述闭环控制器根据转速控制误差e_n计算得到转子加速度指令作为所述转速控制器的输出信号。

可选的，所述转子加速度控制器至少含有一个减法器、一个插值函数和一个除法器；其中：

所述减法器用于实现限幅后的转子加速度指令

和转子加速度反馈信号的相减运算，得到转子加速度控制误差/>作为所述插值函数的输入信号；

所述插值函数根据不同转速情况下燃油变化量与转速变化率之间的映射表，利用转速反馈信号n_fbk插值得到当前转速情况下燃油变化量到转速变化率之间的增益作为所述除法器的输入信号；

所述除法器根据转子加速度控制误差和当前转速情况下燃油变化量到转速变化率之间的增益/>计算得到所述转子加速度控制器输出的燃油控制增量作为所述转子加速度控制器输出信号。

可选的，第i个所述限制保护控制器，其中i＝1,…,N，至少含有一个减法器和一个比例积分环节；其中：

所述减法器用于实现第i个控制限制变量限制值与第i个控制限制变量反馈值的相减运算，得到第i个限制偏差Δx_i，即/>输出至所述比例积分环节；

所述比例积分环节根据限制偏差Δx_i、比例参数K_P、积分参数K_I计算得到第i个所述限制保护控制器输出的燃油控制增量即：若Δx_i≥0，/>否则，

本发明采用以上技术即可实现航空发动机的转速、加减速和限制保护控制，该控制器在控制系统最内环引入转子加速度反馈控制，消除系统的非线性、时变和模型不确定性，简化外环控制律，提高系统鲁棒性；叠加控制增量和当前控制量的方式，实现航空发动机控制，简化控制结构，减小系统相位滞后。本发明的优点在于鲁棒性好、结构简单、易于实现，不存在切换控制问题。

附图说明

图1：本发明基于转子加速度反馈的航空发动机增量式控制器框图。

图2：高压转子转速控制指令和响应曲线图。

图3：低压涡轮出口总温限制保护响应曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明，此处所说明的方案只用来提供对本发明的进一步理解，为本申请的一部分，不构成对本发明方案的限定。

本实施例以涡扇发动机控制为例进行介绍，航空发动机控制需要实现转速控制功能、加速控制功能、减速控制功能、超转保护功能、超温保护功能、超压保护功能和防熄火保护功能。图1中的转速控制器、转子加速度控制器、限制保护控制器、加法器和限幅器采用同一个控制器，其含有1个控制处理器和6路传感器采样电路。转速控制指令由外部数字总线定时传输至控制处理器，控制处理器采用美国德州仪器公司(Texas Instrum ents，简称TI)的数字信号处理芯片TMS320C6678，内部含有定时中断源，并按以下步骤实现基于转子加速度反馈的航空发动机增量式控制器：

(1)初始化：根据涡扇发动机性能设置加减速过程的高压转子加速度调节计划、燃油流量指令限幅值和N个控制限制变量限制值，设置系统控制周期T_s，并给定相应的控制参数；

(2)控制处理器内部定时中断服务程序以采样周期T_s采集涡扇发动机的高压转子转速反馈信号，并通过数据通信总线读取最新的转速控制指令，依据最新的高压转子转速控制指令n_cmd和涡扇发动机的高压转子转速反馈信号n_fbk计算涡扇发动机高压转子转速控制误差e_n；

(3)控制处理器根据涡扇发动机高压转子转速控制误差e_n和转速控制器参数计算得到高压转子加速度指令作为转子加速度控制器输入；

(4)控制处理器根据高压转子转速反馈信号n_fbk，以及涡扇发动机加减速过程的转子加速度调节计划计算得到当前高压转子转速下的高压转子加速度指令最大限幅值和高压转子加速度指令最小限幅值/>对高压转子加速度指令/>进行限幅运算，得到限幅后的高压转子加速度指令/>

(5)控制处理器根据涡扇发动机当前状态估计当前高压转子加速度反馈信号依据高压转子加速度控制指令/>和高压转子加速度反馈信号/>计算涡扇发动机高压转子加速度控制误差/>

(6)控制处理器根据不同转速情况下燃油变化量与转速变化率之间的映射表，利用涡扇发动机高压转子转速反馈信号n_fbk插值得到当前高压转子转速情况下燃油变化量到高压转子转速变化率之间的增益

(8)控制处理器根据高压转子加速度控制误差和当前高压转子转速情况下燃油变化量到高压转子转速变化率之间的增益/>计算得到转子加速度控制器输出的燃油控制增量/>

(7)控制处理器内部定时中断服务程序以采样周期T_s采集涡扇发动机需要限制保护的第i个控制限制变量反馈信号根据设定的第i个控制限制变量限制值/>与第i个控制限制变量反馈值/>计算第i个限制偏差Δx_i，然后控制处理器根据限制保护控制器参数与第i个限制偏差Δx_i计算得到第i个限制保护控制器输出的燃油控制增量/>一般为负值，防止控制限制变量超限；

(8)控制处理器内部定时中断服务程序以采样周期T_s读取燃油计量装置当前燃油燃油流量反馈值Wf_fbk，将转子加速度控制器输出的燃油控制增量第i个限制保护控制器输出的燃油控制增量/>和燃油流量反馈值Wf_fbk相加得到加法器输出的燃油流量指令/>

(9)控制处理器按照设置的燃油流量指令限幅值对加法器输出的燃油流量指令进行限幅运算，得到限幅后的燃油控制指令/>

(10)限幅后的燃油控制指令作为控制处理器最终输出控制量给至燃油计量控制器或燃油控制系统，控制航空发动机供油量，实现转速的调节。

通过以上步骤即可实现基于转子加速度反馈的涡扇发动机增量式控制，基于Simulin k验证所提出基于转子加速度反馈的航空发动机增量式控制器的可行性和有效性，将转速控制指令设置为由慢车(70％最大转速)加速至最大转速，然后再由最大转速减速至慢车状态，高压转子转速控制指令和响应曲线如图2所示。以低压涡轮出口总温的限制保护为例，低压涡轮出口总温的响应曲线如图3所示。经验证，提出的基于转子加速度反馈的航空发动机增量式鲁棒器能安全、稳定的实现航空发动机控制。

以上所述的具体实施方法，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明方法的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于转子加速度反馈的航空发动机增量式控制器，其特征在于，至少含有一个转速控制器、一个转子加速度控制计划限幅模块、一个转子加速度控制器、N个限制保护控制器、一个加法器和一个限幅器，N为大于1的整数；其中：

所述转速控制器用于实现航空发动机转速闭环控制，其输入信号为转速控制指令n_cmd和转速反馈信号n_fbk，根据转速控制指令n_cmd和转速反馈信号n_fbk，通过闭环控制算法计算得到转子加速度指令作为所述转子加速度控制计划限幅模块的输入信号；

所述转子加速度控制计划限幅模块用于对转子加速度指令进行限幅运算，根据转速反馈信号n_fbk，以及航空发动机加减速过程的转子加速度调节计划计算得到当前转速下的转子加速度指令最大限幅值/>和转子加速度指令最小限幅值/>然后，根据转子加速度指令最大限幅值/>和转子加速度指令最小限幅值/>对转子加速度指令/>进行限幅运算，得到限幅后的转子加速度指令/>输出至所述转子加速度控制器；

所述转子加速度控制器用于实现航空发动机转子加速度闭环控制，根据限幅后的转子加速度指令和转子加速度反馈信号/>通过闭环控制算法计算得到所述转子加速度控制器输出的燃油控制增量/>输出至所述加法器；

第i个所述限制保护控制器，其中i＝1,…,N，用于将航空发动机第i个控制限制变量限定在合理范围，根据第i个控制限制变量限制值与第i个控制限制变量反馈值/>之间的关系和控制律计算得到第i个所述限制保护控制器输出的燃油控制增量/>输出至所述加法器；

所述加法器用于实现所述转子加速度控制器输出的燃油控制增量第i个所述限制保护控制器输出的燃油控制增量/>和燃油流量反馈值Wf_fbk的求和运算，得到所述加法器输出的燃油流量指令/>即/>作为所述限幅器的输入信号；

所述限幅器对所述加法器输出的燃油流量指令进行限幅运算，得到限幅后的燃油控制指令/>输出至燃油计量控制器或燃油控制系统。

2.根据权利要求1中所述基于转子加速度反馈的航空发动机增量式控制器，其特征在于，所述转速控制器至少含有一个减法器和一个闭环控制器；其中：

所述减法器用于实现转速控制指令n_cmd与转速反馈信号n_fbk的相减运算，得到转速控制误差e_n＝n_cmd-n_fbk，作为所述闭环控制器的输入信号；

所述闭环控制器根据转速控制误差e_n计算得到转子加速度指令作为所述转速控制器的输出信号。

3.根据权利要求1中所述基于转子加速度反馈的航空发动机增量式控制器，其特征在于，所述转子加速度控制器至少含有一个减法器、一个插值函数和一个除法器；其中：

所述减法器用于实现限幅后的转子加速度指令和转子加速度反馈信号/>的相减运算，得到转子加速度控制误差/>作为所述插值函数的输入信号；

所述插值函数根据不同转速情况下燃油变化量与转速变化率之间的映射表，利用转速反馈信号n_fbk插值得到当前转速情况下燃油变化量到转速变化率之间的增益作为所述除法器的输入信号；

所述除法器根据转子加速度控制误差和当前转速情况下燃油变化量到转速变化率之间的增益/>计算得到所述转子加速度控制器输出的燃油控制增量/>作为所述转子加速度控制器输出信号。

4.根据权利要求1中所述基于转子加速度反馈的航空发动机增量式控制器，其特征在于，第i个所述限制保护控制器，其中i＝1,…,N，至少含有一个减法器和一个比例积分环节；其中：

所述减法器用于实现第i个控制限制变量限制值与第i个控制限制变量反馈值/>的相减运算，得到第i个限制偏差Δx_i，即/>输出至所述比例积分环节；

所述比例积分环节根据限制偏差Δx_i、比例参数K_P、积分参数K_I计算得到第i个所述限制保护控制器输出的燃油控制增量即：若Δx_i≥0，/>否则，