基于稳定性估计与预测的航空发动机气动稳定性主动复合控
制方法
技术领域
背景技术
[0002] 第四代战斗机的五个典型的技术特征是：隐形、超声速巡航、高机动性、综合航电和自主后勤。这些优越特性的实现离不开S形进气道和高推重比发动机的使用以及过
失速机动的运用，但同时也使得进气畸变对
压气机稳定性的不利影响越来越大，对发动机稳定性提出了更高的要求；发动机面临着高压比、高效率、高稳定性与高抗畸变能
力综合寻优挑战，发动机性能与稳定性之间的矛盾越来越突出，对于我国在研制的高性能发动机乃至未来更高推重比的发动机来说，稳定性问题将变得更加突出，是新一代航空发动机研制成败的关键问题和技术“
瓶颈”。航空发动机气动稳定性控制的难点在于稳定边界的不确定性。诸如进气畸变、发动机部件性能退化、制造及装配误差等等因素都会导致发动机稳定边界的移动。气动稳定性控制方法包括被动控制方法和主动控制方法。当前的航空发动机气动稳定性控制采用的是被动控制方法，其控制方法是建立在失稳控制线的
基础上，结合短时增稳控制系统与失稳复原控制系统来解决发动机的不稳定工作问题。以失稳控制线、短时增稳控制系统及失稳复原系统为核心的被动控制方法已经发展较为成熟，在第三代战斗机的动力装置中得到了广泛的应用，很好地保证了发动机与飞机的安全。然而，失稳控制线保守的稳定裕度、短时增稳控制系统的开环性及失稳复原控制系统的事后性，使得传统的失稳控制方法具有诸多致命的
缺陷，主要体现在以下几个方面：(1)失稳控制线的存在使得发动机的性能无法得到充分的发挥，在相同的性能需求下，不得不选择性能更高的发动机，这将导致发动机的重量大幅增加，推重比大幅减小；(2)失稳控制线缩小了发动机的工作范围，使得剩余
喘振裕度无法得到有效利用，从而降低了发动机的可操作性和飞机的机动性；
(3)短时增稳控制系统为开环控制，意味着不管发动机是否真的面临失稳危险，飞行员都会强制启动，这种保守的控制措施，无疑也将降低发动机的性能；(4)失稳复原控制系统启动时，发动机已经处于气动失稳状态，如果进入“不可恢复性失速”，失稳复原控制系统将无法发挥作用，而不得不空中停车重新启动，即便能成功地退出失稳状态，短暂的失稳也将
加速发动机的老化，缩短发动机的使用寿命。
发明内容
[0003] 本发明正是针对
现有技术存在的不足，针对航空发动机气动稳定性问题，通过压气机部件扩稳、剩余稳定裕度利用、主动防喘三个不同
角度来提高发动机气动稳定性，获得一种喘振裕度可随应用需求动态调控的，适合航空发动机主动稳定性控制特点和工程应用背景的调控策略与
算法，其满足实际使用要求。
[0004] 为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：
[0005] 基于稳定性估计与预测的航空发动机气动稳定性主动复合控制方法，所述主动复合控制方法包括：
[0006] (1)压气机气动失稳机理及主动控制方法
[0007] (1.1)压气机气动稳定性动态模型
[0008] 在MG3模型的基础上，考虑压气机
转子动态过程及
旋转失速高阶谐波的影响来提高模型的
精度，推导出一个新的压气机变转速过失速瞬态模型；
[0009] (1.2)压气机失稳机理分析及主动控制方法
[0010] 采用分岔理论分析旋转失速和喘振的发生，从系统动力学的角度深入地了解旋转失速和喘振发生的机制，为压气机主动稳定性控制提供理论指导，根据对压气机稳定性模型的分岔分析获得的结论，可设计出压气机气动失稳主动控制方法，进而设计相应的控制算法；
[0011] (1.3)基于状态估计器的压气机稳定性输出反馈主动控制
[0012] 采用状态估计器控制压比，状态估计器根据输入的压力值，估计出压力系统的流量系数，再进行主动
控制器设计，主动控制器由状态估计器和状态反馈控制器构成，两者组成一个输出反馈控制器，状态反馈控制器根据压力系数及流量系数计算得到控制指令值；
[0013] (2)航空发动机稳定裕度估计及主动稳定性控制方法
[0014] (2.1)航空发动机喘振实时模型
[0015] 航空发动机喘振实时模型是开展基于稳定裕度闭环的航空发动机主动稳定性控制仿真试验的前提条件，采用在已有的航空发动机部件级模型的基础上，考虑发动机容腔的容积动力学效应、压气机的失速区特性、
燃烧室的熄火特性以及发动机的进口畸变，建立航空发动机喘振实时模型；
[0016] (2.2)喘振裕度估计算法与模拟
[0017] 采用压力相关度测量的方法，首先，根据压力
传感器获得的
叶片附近的
压力脉动信号，计算用于度量压力脉动信号重复性的相关度，根据实验数据的离线分析，获得相关度值穿越
阈值的次数；其次，根据穿越阈值次数与喘振裕度值固有的特性关系，建立发动机稳定性裕度估计模型，根据发动机喘振裕度估计模型，通过插值法即可对发动机真实稳定裕度做出较准确地估计；
[0018] (2.3)航空发动机主动稳定性控制方法
[0019] 通过喘振裕度估计算法获得发动机的喘振裕度之后，即设计基于喘振裕度估计的主动稳定性控制律，构成喘振裕度闭环控制回路，其控制方法主要包括喘振裕度估计模
块、主动稳定性控制器模块；其中，主动稳定性控制方法拟采用基于二次型性能指标的鲁棒H2/H∞方法设计，提高控制系统的鲁棒性；
[0020] (3)航空发动机失稳预测及主动防喘控制方法
[0021] (3.1)失稳先兆信号仿真模型
[0022] 将发动机失稳预测引入到发动机控制系统全数字仿真、
硬件在环仿真及半物理仿真等实验中，在不进行真实发动机实验的情况下，研究基于失稳预测的主动防喘控制方法，需对失稳先兆信号进行构造，建立其仿真模型，根据模态波型失稳先兆扰动的特点，采用基于MG3模型及混沌时间序列对发动机失稳先兆信号进行仿真构造，并考虑失稳先兆信号与压气机
转子叶片周向旋转所产生的压力脉动信号之间的相互作用；
[0023] (3.2)发动机失稳预测算法
[0024] 在发动机失稳前检测出失稳先兆的产生，根据发动机失稳先兆现象的研究结果对于模态波型失稳先兆，采用基于时频分析的方法设计发动机失稳预测算法，且针对不同传感器
位置的信号分别设计算法，对于离压气机转子叶片较远的传感器，其信号中包含的先兆信息受转子叶片影响较小，可采用较低的
采样频率，并且可以直接进行频率分析，提取发动机失稳先兆信号的强度，而对于压气机转子叶片上方的传感器，低频的先兆
扰动信号被调制在了高频信号的频偏与幅值中，可采用包络检波从高频信号幅值中检测出低频成分，再进行
频谱分析得到失稳先兆信号的强度；
[0025] (3.3)主动防喘控制方法
[0026] 在发动机主动稳定性控制器失效时，能基于失稳预测算法进行准确而及时的预测，并基于预测结果实施主动防喘控制，能从根本上保证发动机稳定工作，其具体操作如下：
[0027] (3.31)采集发动机压力信号等对于旋转失速和喘振敏感的参数信号；
[0028] (3.32)使用失稳先兆预测算法对发动机失稳先兆信号进行识别，并将识别结果送往主动防喘控制器，主动防喘控制器可采用传统的比例积分控制器；
[0029] (3.33)主动防喘控制器根据识别结果和控制规律计算相应的执行机构控制指令，执行机构根据控制指令动作使发动机工作点远离喘振边界；
[0030] (4)航空发动机主动稳定性复合控制方法
[0031] 从基于压气机部件扩稳、剩余稳定裕度利用、主动防喘三个不同层面设计一套多回路主动稳定性复合控制方法，抑制发动机气动失稳，其控制方法如图6所示：该控制方法通过压气机主动控制回路扩大压气机部件稳定工作范围，通过发动机稳定裕度闭环控制回路最大限度发挥剩余稳定裕度，通过发动机主动防喘控制回路避免主动稳定性控制失效时发动机失稳。
[0032] 作为上述技术方案的改进，在上述(2.2)的实际应用中，喘振裕度估计模型需要接收传感器采集的压力、流量、振动信号作为输入，而在仿真中，发动机模型无法对具有一定稳定裕度的信号进行模拟，开展喘振裕度闭环的仿真实验，需对相关度“阈值穿越事件”与发动机喘振裕度关系进行模拟；采用一种“阈值穿越事件”发生频率与阈值关系存在同一分布的随机序列，使用滑动的阈值对相关度“阈值穿越事件”与喘振裕度的指数关系进行映射模拟；发动机喘振模型计算得到的喘振裕度输入阈值计算模块，得到真实喘振裕度的阈值大小，随机数发生器按照预设的频率产生随机数序列，根据阈值得到“阈值穿越事件”序列，对“阈值穿越事件”进行计数得到穿越事件发生的频率，即可由模拟关系得到真实的喘振裕度。
[0033] 本发明与现有技术相比较，本发明的实施效果如下：
[0034] (1)可增加发动机压比和稳定裕度，在压气机压比、效率较高的区域工作；在相同
增压比下，可减少压气机级数，增大发动机的推重比。
[0035] (2)可使发动机在加速过程中在喘振裕度较小的高性能点工作，改善发动机的加速性能，增强飞机的机动性。
[0036] (3)在发动机进入不稳定前便实施有效控制，减少了因喘振或失速对发动机造成的破坏，延长发动机寿命，降低维护成本。
附图说明
[0037] 图1为本发明基于稳定性估计与预测的航空发动机气动稳定性主动复合控制方法的技术线路图；
[0038] 图2为本发明基于状态估计器的旋转失速及喘振输出反馈主动控制方案图；
[0039] 图3为本发明基于稳定裕度估计的航空发动机主动稳定性控制方案图；
[0040] 图4为本发明鲁棒控制器结构图；
[0041] 图5为本发明基于失稳预测的主动防喘控制方法
框图；
[0042] 图6为本发明多回路主动稳定性复合控制方法框图。
具体实施方式
[0043] 下面将结合具体的
实施例来说明本发明的内容。
[0044] 当前的航空发动机气动稳定性控制采用的是被动控制方法，其控制方法是建立在失稳控制线的基础上，结合短时增稳控制系统与失稳复原控制系统来解决发动机的不稳定工作问题。然而，失稳控制线保守的稳定裕度、短时增稳控制系统的开环性及失稳复原控制系统的事后性，使得传统的失稳控制方法具有诸多致命的缺陷。
[0045] 本发明将针对航空发动机气动稳定性问题，通过部件与整机两个层面，压气机部件扩稳、剩余稳定裕度利用、主动防喘三个角度来提高发动机气动稳定性，获得一种喘振裕度可随应用需求动态调控的，适合航空发动机主动稳定性控制特点和工程应用背景的调控策略与算法。
[0046] 本发明的目的：
[0047] (1)通过考虑压气机转子动态过程及旋转失速高阶谐波的影响，来提高压气机模型精度；通过分岔理论揭示压气机气动失稳的机理；利用分岔理论的结论，设计旋转失速及喘振主动控制器，抑制失稳现象的发生，扩大压气机稳定工作范围。
[0048] (2)在航空发动机部件级模型的基础上考虑喘振和进口畸变，获得发动机喘振实时模型；通过压力相关度法实时估计发动机喘振裕度；基于鲁棒控制器设计主动稳定性控制律，构建喘振裕度闭环控制回路，充分利用剩余喘振裕度，提高发动机动态性能。
[0049] (3)通过时频分析实时在线检测发动机失稳初始扰动，将检测结果送往主动防喘控制器，构成主动防喘控制回路，在主动控制失效时，依然能够保证发动机稳定工作。
[0050] 本发明按照压气机气动稳定性主动控制-基于稳定裕度估计的主动稳定性控制-基于失稳预测的主动防喘控制-航空发动机主动稳定性复合控制的研究方案制定技术路线，如图1所示：
[0051] (1)压气机气动失稳机理及主动控制方法
[0052] (1.1)压气机气动稳定性动态模型
[0053] 压缩系统中的旋转失速及喘振现象是开展主动控制的关键和理论基础。Moor与Greitzer结合了各自的研究成果，推导出了著名的MG模型；MG模型由三个偏微分方程表示，使用Galerkin过程并选择一个三次曲线作为压气机特性曲线，得到了由常微分方程组表示的经典MG3模型；本发明将在经典MG3模型的基础上，考虑压气机转子动态过程及旋转失速高阶谐波的影响来提高模型的精度，推导出一个新的压气机变转速过失速瞬态模型。MG模型压缩系统框图如图2所示。
[0054] (1.2)压气机失稳机理分析及主动控制方法
[0055] 研究压缩系统旋转失速和喘振发生的机理，对旋转失速和喘振的
预防和主动控制具有重要意义；由于压缩系统试验受成本和
风险较高、设备差异造成试验结果差异较大等因素制约，理论分析得到了相当大的重视，并揭示了众多压缩系统失稳现象的本质，压缩系统的失稳模型为理论分析提供了基础。压缩系统的失稳模型为非线性
状态空间模型，通过分岔行为可以成功地捕捉压缩系统的非线性本质，本发明拟采用分岔理论分析旋转失速和喘振的发生，从系统动力学的角度深入地了解旋转失速和喘振发生的机制，为压气机主动稳定性控制提供理论指导。根据对压气机稳定性模型的分岔分析获得的结论，可设计出压气机气动失稳主动控制方法，进而设计相应的控制算法。
[0056] (1.3)基于状态估计器的压气机稳定性输出反馈主动控制
[0057] 当前针对于压气机的主动控制算法大多需要将流量或者失速幅值作为输入参数，然而压气机中只有压比是比较容易测量的量，所以将压比作为可测参数的输出反馈控制才具有更重要的实际意义。因此，本发明拟采用状态估计器来解决这个问题，状态估计器根据输入的压力值，估计出压力系统的流量系数，再进行主动控制器设计。拟采用的控制方法如图2所示：控制器由状态估计器和状态反馈控制器构成，两者组成一个输出反馈控制器，状态反馈控制器根据压力系数及流量系数计算得到控制指令值。
[0058] 2航空发动机稳定裕度估计及主动稳定性控制方法
[0059] (2.1)航空发动机喘振实时模型
[0060] 航空发动机喘振实时模型是开展基于稳定裕度闭环的航空发动机主动稳定性控制仿真试验的前提条件，本发明将在已有的航空发动机部件级模型的基础上，考虑发动机容腔的容积动力学效应、压气机的失速区特性、燃烧室的熄火特性以及发动机的进口畸变，建立航空发动机喘振实时模型。
[0061] (2.2)喘振裕度估计算法与模拟
[0062] 发动机喘振裕度一般为不可测量，故无法直接对喘振裕度进行控制。因此对喘振裕度实时估计是进行喘振裕度闭环控制的前提条件，本发明采用压力相关度测量的方法来解决这一问题；具体研究方案如下：首先，根据
压力传感器获得的叶片附近的压力脉动信号，计算用于度量压力脉动信号重复性的相关度，根据实验数据的离线分析，获得相关度值穿越阈值的次数；其次，根据穿越阈值次数与喘振裕度值固有的特性关系，建立发动机稳定性裕度估计模型。根据发动机喘振裕度估计模型，通过插值法即可对发动机真实稳定裕度做出较准确地估计。
[0063] 在实际应用中，喘振裕度估计模型需要接收传感器采集的压力、流量、振动等信号作为输入；而在仿真中，发动机模型无法对具有一定稳定裕度的信号进行模拟。为了开展喘振裕度闭环的仿真实验，需要对相关度“阈值穿越事件”与发动机喘振裕度关系进行模拟；本发明采用一种“阈值穿越事件”发生频率与阈值关系存在同一分布的随机序列，使用滑动的阈值对相关度“阈值穿越事件”与喘振裕度的指数关系进行映射模拟；具体方案如图3所示：发动机喘振模型计算得到的喘振裕度输入阈值计算模块，得到真实喘振裕度的阈值大小，随机数发生器按照预设的频率产生随机数序列，根据阈值得到“阈值穿越事件”序列，对“阈值穿越事件”进行计数得到穿越事件发生的频率，即可由模拟的关系得到真实的喘振裕度。
[0064] (2.3)航空发动机主动稳定性控制律
[0065] 在通过喘振裕度估计算法获得发动机的喘振裕度之后，即可设计基于喘振裕度估计的主动稳定性控制律，构成喘振裕度闭环控制回路。本发明拟设计的控制方法如图3所示：主要包括喘振裕度估计模块、主动稳定性控制器模块，其中主动稳定性控制律拟采用基于二次型性能指标的鲁棒H2/H∞方法设计，以提高控制系统的鲁棒性，鲁棒控制器结构框图如图4所示。
[0066] 3航空发动机失稳预测及主动防喘控制方法
[0067] (3.1)失稳先兆信号仿真模型
[0068] 为了将发动机失稳预测引入到发动机控制系统全数字仿真、硬件在环仿真及半物理仿真等实验中，在不进行真实发动机实验的情况下，研究基于失稳预测的主动防喘控制方法，需要对失稳先兆信号进行构造，建立其仿真模型；根据模态波型失稳先兆扰动的特点，本发明采用基于MG模型及混沌时间序列对发动机失稳先兆信号进行仿真构造，并考虑失稳先兆信号与压气机转子叶片周向旋转所产生的压力脉动信号之间的相互作用。
[0069] (3.2)发动机失稳预测算法
[0070] 在发动机失稳前检测出失稳先兆的产生，是进行基于失稳预测的主动防喘控制的前提条件，根据发动机失稳先兆现象的研究结果可知，对于模态波型失稳先兆，在发动机完全失稳前，模态波扰动幅值存在一个连续的增长过程。在模态波初始扰动发展成为旋转失速前，幅值较小，淹没在系统噪声与测量噪声中，从时域很难分辨出模态波扰动；而反映在频域中，模态波的产生与发展则表现为某一频率分量从无到有，并伴随幅值逐渐增大的过程。因此，本发明采用基于时频分析的方法设计发动机失稳预测算法，并且针对不同传感器位置的信号分别设计算法，对于离压气机转子叶片较远的传感器，其信号中包含的先兆信息受转子叶片影响较小，可采用较低的
采样频率，并且可以直接进行频率分析，提取发动机失稳先兆信号的强度。而对于压气机转子叶片上方的传感器，低频的先兆扰动信号被调制在了高频信号的频偏与幅值中，可以采用包络检波从高频信号幅值中检测出低频成分，再进行频谱分析得到失稳先兆信号的强度，本发明采用的失稳预测方案如图5所示。
[0071] (3.3)主动防喘控制方法
[0072] 在发动机主动稳定性控制器失效时，如果能够基于失稳预测算法进行准确而及时的预测，并基于预测结果实施主动防喘控制，能够从根本上保证发动机稳定工作。本发明采用基于失稳预测的主动防喘控制方法，结构框图如图5所示：具体方案如下：(1)采集发动机压力等对于旋转失速和喘振敏感的参数信号；(2)使用失稳先兆预测算法对发动机失稳先兆信号进行识别，并将识别结果送往主动防喘控制器，主动防喘控制器可采用传统的比例积分控制器；(3)主动防喘控制器根据识别结果和控制规律计算相应的执行机构控制指令，执行机构根据控制指令动作使发动机工作点远离喘振边界。
[0073] (4)航空发动机主动稳定性复合控制方法
[0074] 针对航空发动机气动稳定性问题，本发明拟从基于压气机部件扩稳、剩余稳定裕度利用、主动防喘三个不同层面设计一套多回路主动稳定性复合控制方法，抑制发动机气动失稳，其控制方法如图6所示：该控制方法通过压气机主动控制回路扩大压气机部件稳定工作范围，通过发动机稳定裕度闭环控制回路最大限度发挥剩余稳定裕度，通过发动机主动防喘控制回路避免主动稳定性控制失效时发动机失稳。
[0075] 以上内容是结合具体的实施例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明保护的范围。
