一种航空发动机进口畸变下推力衰退自主控制方法技术

本发明专利技术公开了一种航空发动机进口畸变条件下推力衰退自主控制方法，该方法包括：建立进口畸变对推力、喘振裕度等状态量的影响关系，采用NARMA‑L2模型结合迭代学习控制方法建立转速控制系统；结合转速控制系统，设计基于变增量LP算法的推力寻优模块，得到适应发动机发生进口畸变的推力衰退自主控制器。本发明专利技术解决了常规控制器在发动机发生进口畸变的情况下整机推力水平下降的问题，适用于在一定飞行包线内不同工作点的发动机推力衰退自主控制，对于在不超温、不超转的情况下缓解由发动机进口畸变引起的整机推力损失、提高发动机整机性能表现有着积极的促进作用。

An autonomous control method for aero-engine thrust decay under inlet distortion

【技术实现步骤摘要】
一种航空发动机进口畸变下推力衰退自主控制方法
本专利技术属于航空发动机推力衰退自主控制
，尤其涉及一种航空发动机进口畸变下推力衰退自主控制方法。
技术介绍
航空发动机是飞机的心脏，保证其稳定工作对于飞行安全来说至关重要。舰载机在起飞和着舰时，由于海面盐雾条件等因素，其发动机进口畸变不可避免，致使部件特性及相关设计参数发生变化；此外当飞机格斗或作机动飞行时，发动机常常工作在存在大攻角和侧滑角的条件下，进口畸变同样十分严重，导致发动机性能下降甚至不稳定工作。为了确保飞行器的安全飞行、延长发动机使用寿命，需要对发生部件性能突变的发动机进行推力恢复，因此，研究航空发动机推力衰退自主控制方法十分必要。航空发动机是一个复杂的热力学系统，具有很强的不确定性和时变性，为了有效防止压气机喘振，保证航空发动机的稳定工作，需要保留足够的喘振裕度。航空发动机性能越先进，其稳定工作范围要求越宽，抗进口畸变能力越强，对喘振裕度的要求也就越高。但喘振裕度的提高是以牺牲发动机的设计性能为代价的，过于保守的喘振裕度设计极大地限制了发动机的性能发挥。因此，当喘振裕度满足必需要求的前提下，可以适量减小以提高发动机性能。同时，航空发动机的复杂性使得转速控制器的设计变得困难。带有反馈线性化的非线性自回归滑动平均(NARMA-L2)控制器是一种有效的人工神经网络控制器架构。在一定条件下，非线性系统的输入输出关系可以由NARMA-L2模型辨识得到，并且可以通过简单的数学变换得到控制律。然而由于NARMA-L2模型存在建模误差和训练误差，使得所设计的控制器性能在包线内应用受到影响。因此，本专利技术设计一种基于迭代学习修正的航空发动机性能衰退缓解控制器(IL-NARMA-L2)，该方法利用迭代学习算法对控制量进行在线补偿，以消除控制系统响应的稳态误差，降低系统超调量，提高了控制性能。本专利技术提出了基于变增量LP算法的航空发动机进口畸变下推力衰退自主控制器，在发动机转速控制器外部加入性能恢复控制回路，其中转速控制通过NARMA-L2模型逆实现。当发动机发生进口畸变时，首先将高压转子转速指令降低1％确保发动机安全工作，之后利用变增量LP优化算法在保证发动机不超限条件下得到推力衰退自主所需的主燃烧室燃油流量和尾喷口喉道面积控制量，从而使发动机在进口畸变导致性能退化情况下尽可能继续提供所需推力。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术提供一种航空发动机进口畸变下推力衰退自主的控制方法，针对常规控制器在发动机在进口畸变的情况下推力水平下降的问题，将基于变增量LP算法的推力寻优模块同IL-NARMA-L2转速控制器控制系统结合，得到发动机推力衰退自主控制器。该方法可在不超温、不超转的情况下缓解由进口畸变引起的整机推力损失，提高发动机整机性能表现。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种航空发动机进口畸变下推力衰退自主控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A)建立进口畸变对推力、喘振裕度等状态量的影响关系，利用发动机主燃油量与高压转子转速之间的数学映射，设计基于IL-NARMA-L2转速控制的迭代学习控制器；步骤B)结合IL-NARMA-L2转速控制器，开发基于变增量LP算法推力寻优的多变量控制模块，建立适应发动机发生进口畸变的推力衰退自主控制器。进一步的，所述步骤A)中建立进口畸变对推力、喘振裕度等状态量的影响关系，利用发动机主燃油量与高压转子转速之间的数学映射，设计基于IL-NARMA-L2转速控制的迭代学习控制器具体步骤如下：步骤A1)，利用相对换算转速nL、压比πf和畸变指数W插值确定风扇部件换算流量和效率：Wa2cor＝f1(nL,πf,W)ηa2cor＝f2(nL,πf,W)其中，Wa2cor和ηa2cor分别为风扇的换算流量和效率。计算发生进口畸变后的总压恢复系数，公式为：其中，Ma为马赫数。通过修正发动机风扇的流量、效率以及总压恢复系数，利用发动机部件级模型计算方法，建立畸变对推力、喘振裕度等状态量的影响关系；步骤A2)，设计IL-NARMA-L2转速控制器，初始控制律为：其中，发动机主燃油量作为输入量u(k)，高压转子转速作为输出量y(k)，y*(k)为发动机期望输出，f0*(·)和g0*(·)为神经网络组。当发动机处于动态工况时，控制律仅为初始控制律；当发动机处于稳态工况时，根据初始控制律求出控制量u0(k)作用于发动机得到输出量y(k)，利用期望输出和实际输出间的误差e(k)输入到迭代学习模块迭代更新控制量，得到下一时刻的控制律u(k+1)，表达式为：其中，Γp、Γi和Γd为迭代学习增益。进一步的，所述步骤B)中结合IL-NARMA-L2转速控制器，开发基于变增量LP算法推力寻优的多变量控制模块，建立适应发动机发生进口畸变的推力衰退自主控制器具体步骤如下：步骤B1)，构建基于变增量LP算法的航空发动机推力衰退自主控制系统结构图，包括IL-NARMA-L2控制模块、变增量LP寻优模块和畸变估计模块；步骤B2)，利用发动机模型输出和限制条件设计基于变增量LP算法的推力寻优模块，建立适应发动机发生进口畸变的推力衰退自主控制器。进一步的，所述步骤B2)利用发动机模型输出和限制条件设计基于变增量LP算法的推力寻优模块，建立适应发动机发生进口畸变的推力衰退自主控制器具体步骤如下：步骤B2.1)，构建LP优化问题，在发动机不超转、不超温、喘振裕度和控制量满足范围要求、推力不超过期望值的约束下寻找发动机最大推力，具体公式为：其中，Fn为发动机推力，u＝[Wf,A8]T为发动机控制向量，umin和umax分别为向量下界和上界，x＝[nL,nH,Tt6]T，xmax和xmin分别为状态量的上下界，其中，nL为低压转子转速，nH为高压转子转速，Tt6为涡轮后温度，Smf和Smc分别为风扇和压气机喘振裕度，Fnor为实时模型计算出未发生进口畸变的发动机推力期望值；步骤B2.2)，提取推进系统矩阵，结合构建的LP优化问题，求解推力恢复所需的主燃油流量Wf和尾喷口喉道面积A8。进一步的，所述步骤B2.2)中提取推进系统矩阵，结合构建的LP优化问题，求解推力恢复所需的主燃油流量Wf和尾喷口喉道面积A8。具体步骤如下：步骤B2.2.1)，对边界限制条件和不可测推力在工作点附近小范围进行线性化，通过扰动法提取步骤B2.1)中状态量与控制量间的推进系统矩阵P。其中扰动所需的控制量增量Δuj可由相应控制量uj乘以增量系数得出，增量系数的选取规则为：其中，k为迭代次数；ΔFn为推力增量。步骤B2.2.2)，根据推进系统矩阵P，将步骤B2.1)中状态量表示为控制量的线性组合，得到完整的LP问题。步骤B2.2.3)，求解LP问题，经反复迭代至满足精度要求或达到最大迭代次数限制后得到全局最优解Wf和A8，此时控制模块切换到LP寻优模块，将二者作为新的控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种航空发动机进口畸变下推力衰退自主控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤A)建立进口畸变对航空发动机状态量的影响关系，所述状态量包括低压转子转速、高压转子转速、涡轮后温度、风扇喘振裕度、压气机喘振裕度以及发动机推力；利用发动机主燃油量与高压转子转速之间的数学映射，设计IL-NARMA-L2转速控制器；/n步骤B)结合IL-NARMA-L2转速控制器，开发基于变增量LP算法推力寻优的多变量控制模块，建立适应发动机发生进口畸变的推力衰退自主控制器。/n

【技术特征摘要】
1.一种航空发动机进口畸变下推力衰退自主控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A)建立进口畸变对航空发动机状态量的影响关系，所述状态量包括低压转子转速、高压转子转速、涡轮后温度、风扇喘振裕度、压气机喘振裕度以及发动机推力；利用发动机主燃油量与高压转子转速之间的数学映射，设计IL-NARMA-L2转速控制器；
步骤B)结合IL-NARMA-L2转速控制器，开发基于变增量LP算法推力寻优的多变量控制模块，建立适应发动机发生进口畸变的推力衰退自主控制器。


2.根据权利要求1所述的一种航空发动机进口畸变下推力衰退自主控制方法，其特征在于：所述步骤A)中建立进口畸变对所述状态量的影响关系，利用发动机主燃油量与高压转子转速之间的数学映射，设计IL-NARMA-L2转速控制器具体步骤如下：
步骤A1)，利用相对换算转速nL、压比πf和畸变指数W插值确定风扇部件换算流量和效率：
Wa2cor＝f1(nL,πf,W)
ηa2cor＝f2(nL,πf,W)
其中，Wa2cor和ηa2cor分别为风扇的换算流量和效率；计算发生进口畸变后的总压恢复系数，公式为：



其中，Ma为马赫数；通过修正发动机风扇的换算流量、效率以及总压恢复系数，利用发动机部件级模型计算方法，建立畸变对所述状态量的影响关系；
步骤A2)，设计IL-NARMA-L2转速控制器，初始控制律为：



其中，发动机主燃油量作为输入量u(k)，高压转子转速作为输出量y(k)，y*(k)为发动机期望输出，f0*(·)和g0*(·)为神经网络组；当发动机处于动态工况时，控制律仅为初始控制律；当发动机处于稳态工况时，根据初始控制律求出控制量u0(k)作用于发动机得到输出量y(k)，利用期望输出和实际输出间的误差e(k)输入到迭代学习模块迭代更新控制量，得到下一时刻的控制律u(k+1)，表达式为：



其中，Γp、Γi和Γd为迭代学习增益。


3.根据权利要求1所述的一种航空发动机进口畸变下推力衰退自主控制方法，其特征在于：所述步骤B)中结合IL-NARMA-L2转速控制器，开发基于变增量LP算法推力寻优的多变量控制模块，建立适应发动机发生进口畸变的推力衰退自主控制器具体步骤如下：
步骤B1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁峰，闫召洪，黄金泉，仇小杰，秦海勤，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32