CN105569847A - 辅助动力装置起动加速燃油流量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种辅助动力装置起动加速燃油流量控制方法，可用于辅助动力装置(APU)起动加速过程的燃油流量控制。本发明旨在解决现有控制方法难以协调起动的快速性和超温保护之间的矛盾以及控制律参数多、环境适应性差等问题。本发明的方法通过一种独特的“步步为营”式的比例控制计算加速燃油流量期望值，同时设置两条排气温度限制线。当排气温度超过禁止线(红线)时，将燃油流量强置为0，并触发保护性停车；若只超过警戒线(黄线)，则根据超出幅度对由加速曲线计算出的燃油流量期望值进行负向修正，以减小燃油流量(不必停车)。本发明的方法环境适应性强，兼顾了起动的快速性和安全性，可显著提高APU的可用性和派遣率。

Description

辅助动力装置起动加速燃油流量控制方法

技术领域

本发明属于航空动力控制领域，涉及一种辅助动力装置(APU)控制方法，适用于APU起动阶段从成功点着火开始到转速达到起动-稳态转速切换点期间的燃油流量控制。

背景技术

辅助动力装置(APU)是一种小型的燃气涡轮发动机，主要用于为飞机主发动机的起动及环控***提供引气，并可通过附件齿轮箱为飞机发电***提供轴功率。当飞机在地面时，APU可替代笨重的气源车和电源车；在飞机起飞过程中，主发动机的功率可全部用于加速爬升，以改善飞机起飞性能；飞机着陆后，主发动机可及时关闭，以节省燃油和降低机场噪音。因此，现代大中型飞机全都配备有APU。

APU控制中的一项重要功能是燃油流量控制；通过控制燃油流量，实现对APU转速的控制。APU转速控制可分为以下几个阶段：当控制器接收到起动指令后，首先开启起动机(如给起动电机加电)，由起动机带转APU；当达到一定转速时，开始供油点火；点火成功后，在起动机和油气混合物燃烧所产生的高温、高压燃气的驱动下，APU进一步加速；当转速达到一定门限时，关断起动机、让APU维持自立运转，并继续将自己加速到起动-稳态转速切换点(如95％)；此后进入稳态控制阶段，APU可向外提供引气或轴功率。

其中，进入稳态阶段之前的起动加速燃油流量控制是APU燃油控制中的一个重要环节。作为一种过渡过程控制，起动加速控制既要保证在尽可能短的时间内将APU加速到预定转速，又要防止因排气温度过高而影响APU的使用寿命、甚至导致APU本体损坏。另外，APU起动既可能在地面，也可能在空中，使得***工作环境复杂多变。因此，控制的技术难度非常大。

本发明针对的是从点火成功后到APU进入稳态阶段前的加速过程燃油控制。传统的加速燃油控制方法可分为以下三种。一种是根据预定的加速计划(即加速曲线)确定燃油流量期望值；为了防止APU超温，又设置一条超温保护线，当排气温度超过该保护线时触发停车。另一种方法是根据APU可承受的温度应力，确定一条“理想的”排气温度曲线，通过控制燃油流量，使得排气温度沿该曲线变化(也有超温保护)。这两种方法分别侧重“加速计划”和“温度限制”两个目标中的一个，前者是单纯的转速闭环，后者则是单纯的温度闭环。第三种方法是将二者结合，即分别根据加速曲线和温度曲线计算两个燃油流量期望值，再取其中的较小者。这些方法均难以既保证APU的安全性及使用寿命，又充分发挥APU的功能和性能。另外，传统方法大都采用基于增益调度的比例-积分-微分(PID)或比例-积分(PI)控制算法，算法中需要整定的参数较多，当参数整定不良时***的控制品质以及对环境的适应性便难以保证。

发明内容

为克服传统的APU起动加速燃油流量控制方法不能很好地兼顾“加速计划”和“排气温度限制”两种目标以及控制律参数多、环境适应性差的缺点，本发明提出一种新的APU起动加速燃油流量控制方法，以便在保证APU安全性和使用寿命的前提下，获得最佳的起动加速性能，同时提高***的环境适应性。

本发明的技术方案如下：

一种辅助动力装置起动加速燃油流量控制方法，包括如下处理步骤：

1.1)根据预定的加速曲线，计算燃油流量的期望值；

1.2)根据排气温度是否超过预定的警戒线以及超过的程度，计算对燃油流量期望值的修正值；

1.3)根据燃油流量的期望值和修正值，计算燃油流量命令值；

1.4)若排气温度未超过预定的禁止线，则采用计算出的燃油流量命令值，否则将燃油流量命令值强置为0并触发保护性停车；

所述警戒线和禁止线主要由被控对象的结构特点及使用工况确定，其中禁止线高于警戒线。

以上步骤1.1)在利用加速计划计算燃油流量期望值时，采用一种“步步为营”式的比例控制，即燃油流量期望值等于一个基础值与转速偏差比例控制量之和。

上述“步步为营”式的比例控制中，在APU刚点着火、或APU加速缓慢、或上一周期发生过因排气温度超警戒修正时，对所述基础值进行重置，否则保持原基础值不变。

上述基础值进行重置具体是令基础值等于上一周期的未经修正的燃油流量期望值。

上述“步步为营”式的比例控制中，转速偏差比例控制量的计算具体包括以下步骤：

5.1)由当前的APU转速、进口压力以及预定的加速曲线，确定参考加速度，即期望的转速增量；

5.2)通过对参考加速度进行有选择地积分，计算参考转速；

5.3)根据参考转速和APU实际转速，计算转速偏差；

5.4)根据转速偏差，计算比例控制量。

以上步骤5.2)中计算参考转速的具体逻辑是：

当APU刚点着火、或APU加速缓慢、或上一周期发生过因排气温度超警戒修正时，令参考转速等于APU实际转速；否则，当上一周期计算出的燃油流量期望值不超过预定的最大加速燃油流量时，将参考加速度累加到上一周期的参考转速上，得到本周期的参考转速，否则保持上一周期的参考转速。

以上步骤1.1)在计算出燃油流量期望值之后，还要进行限幅处理，使其处于最大加速燃油流量和最小加速燃油流量之间。

以上步骤1.2)中，燃油流量修正值的计算步骤包括：

8.1)根据预定的警戒线、当前的APU转速及环境条件，确定对应的排气温度警戒值；

8.2)计算实际排气温度与排气温度警戒值之差，得到排气温度超警戒的幅度；

8.3)利用一个超前校正环节，对排气温度超警戒幅度进行校正；

8.4)对校正之后的排气温度超警戒的幅度进行比例-积分运算；

8.5)对比例-积分运算结果进行下限幅，当结果小于0时强置为0；

所述步骤1.3)根据燃油流量的期望值及修正值计算燃油流量命令值的方法是，用燃油流量期望值减去修正值。

以上步骤1.3)在计算出燃油流量命令值之后，还要再利用一个最小燃油流量对其进行下限幅。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

传统的辅助动力装置起动加速燃油流量控制方法，要么基于加速曲线，要么基于排气温度曲线，要么利用“取小逻辑”将二者简单地结合，难以获得理想的控制效果。另外，传统方法一般采用常规PID或PI调节，增益参数本来就较多，而为了适应转速动态范围宽以及能在各种环境条件下起动，通常还采用增益调度(即不同情况下用不同的增益参数)，进一步增加了控制律的复杂性和参数整定的难度，很容易因参数整定不良而导致***的环境适应性差。

本发明通过将“加速计划”和“排气温度限制”有机结合，以加速计划为基本目标，只要排气温度不超限，就严格跟踪加速曲线。对于排气温度，设置两条限制线，仅当超过禁止线(红线)时才触发保护性停车，超越警戒线(黄线)时只通过负向修正减小燃油流量，而不必停车。其优点是兼顾了起动的快速性和安全性，既能保证最佳的起动加速性能，又可保证APU的安全性和使用寿命，大大提高了APU的可用性和派遣率。同时，本发明通过一种步步为营式的比例控制(即一个可重置的基础值外加比例调节)，将原本动态范围很宽的起动加速过程(对应的APU转速范围大约从10％到95％)转化为在一个个“基础值”附近做微小调节的“小偏差”控制过程，从而使控制更容易、***的环境适应性更强。

附图说明

图1为传统的基于加速曲线的APU起动加速燃油流量控制方法示意图；

图2为传统的基于排气温度曲线的APU起动加速燃油流量控制方法示意图；

图3为传统的用取小逻辑将加速曲线和排气温度曲线结合的APU起动加速燃油流量控制方法示意图；

图4为本发明的APU起动加速燃油流量控制方法示意图。

具体实施方式

本发明的APU起动加速燃油流量控制方法，主要有以下特点：

1根据APU的使用需求和设计指标，确定一条满足APU起动时限要求的加速曲线；再根据APU的结构特点和使用工况，确定两条排气温度限制线，一条为警戒线(黄线)，一条为禁止线(红线)，其中红线位置高于黄线。

2以加速曲线为基本控制目标，计算燃油流量期望值。排气温度限制线作为约束条件，只要排气温度未超越任一条限制线，就直接以加速曲线计算出的燃油流量期望值作为燃油流量命令值。如果排气温度超过红线，则将燃油流量命令值强置为0并触发保护性停车。若排气温度只超过黄线，则不必停车，但根据超过的程度计算一个修正值，以此对燃油流量期望值进行“负向”修正，以减小燃油流量。

3根据加速曲线计算燃油流量时，采用一种步步为营式的比例控制，其燃油流量期望值由一个“基础值”和一个转速偏差的“比例控制量”两部分组成。比例控制以基础值为基点(或偏置)，实施小范围调节。基础值通常固定不变，在特定条件下可以被重置。

4确定燃油流量“基础值”的逻辑是：当“APU刚点着火(即，起动方式发生变化，由起动机单独带转变为由起动机和APU共同带转)”或“APU加速缓慢(即，有起动悬挂迹象)”或“上一周期发生过因排气温度超警戒修正(即，有起动过热迹象)”时，对燃油流量基础值进行“重置”，否则保持旧值。

5“重置”燃油流量基础值的方法是：令其等于上一周期的未经修正的燃油流量期望值(即，将旧的燃油流量期望值冻结，作为新的基础值)。

6转速偏差的“比例控制量”，按照如下方法计算：

6.1)根据当前的APU转速、进口压力和预定的加速曲线，确定参考加速度；

6.2)对参考加速度进行“有选择性的积分”，得到参考转速；

6.3)根据参考转速和APU实际转速，计算转速偏差；

6.4)根据转速偏差，计算比例控制量。

7通过“选择性积分”计算参考转速的方法是：若(APU刚点着火)或(APU加速缓慢)或(上一周期发生过因排气温度超警戒修正)，则令参考转速等于APU实际转速(目的使转速偏差为0，从而本周期的比例控制量为0，因为基础值已被重置)，否则，当上一周期计算出的燃油流量期望值不超过由当前APU转速、进口压力和进口温度确定的“最大燃油流量(也可称最大加速燃油流量)”时，将参考加速度累加到上一周期的参考转速上(即执行积分操作)，得到本周期的参考转速，否则，保持上一周期的参考转速(即暂停积分，延缓加速过程)。

8利用“最大(加速)燃油流量”和“最小加速燃油流量(由当前的APU转速、进口压力和进口温度确定)”，对由“燃油流量基础值”和“转速偏差比例控制量”计算出的燃油流量期望值进行上下限幅，以防止富油熄火或贫油熄火。

9根据排气温度计算燃油流量修正值的方法如下：

9.1)由当前APU转速、进口压力和进口温度，确定对应的排气温度警戒值(黄线)。

9.2)根据实际排气温度和排气温度警戒值，计算排气温度超警戒的幅度。

9.3)利用一个超前校正环节对排气温度超警戒幅度进行校正，以补偿后面的比例-积分调节中积分所带来的滞后效应。

9.4)对经过校正的排气温度超警戒幅度，进行比例-积分运算。

9.5)对比例-积分运算结果进行下限幅：当结果小于0时强置为0，即仅当排气温度确实超过警戒线时才需要做“修正”。

10由于超温修正为负向(减性)修正，故为防止燃油流量过小而导致熄火，需对修正后的燃油流量再进行下限幅，其中的下限为由进口压力和燃油温度确定的“最小燃油流量”。

下面通过一个具体的实例，对本发明作进一步的详细说明(可参考附图)。

首先，根据APU的结构特点、设计指标及试验数据，确定以下基本函数：

f₁(N,P2)–加速计划(即加速曲线)；

f₂(N,P2,T2)–排气温度警戒线(即黄线)；

f₃(N,P2,T2)–排气温度禁止线(即红线)，在本实施例中，f₃()取作f₂()+85℃；

f₄(N,P2,T2)–最大加速燃油流量线(也可称最大燃油流量线)；

f₅(N,P2,T2)–最小加速燃油流量线；

f₆(P2,T_FUEL)–最小燃油流量线。

其中，N为APU转速，P2为APU进口压力，T2为进口温度，T_FUEL为燃油温度。将各函数以数据表的形式存储在控制计算机的非易失性存储器中，在需要时通过查表插值方法计算。

然后，按照以下步骤计算起动加速燃油流量命令值(各物理量的采样周期和燃油流量的控制周期，均设定为20ms)：

步骤1根据如下逻辑，确定燃油流量期望值的基础值WF_BASE：

若(APU刚点着火)或(APU加速缓慢)或(上一周期发生过因排气温度超警戒修正)，则WF_BASE取上一周期的未经修正的燃油流量期望值WF_N′(见步骤8)，否则保持旧的基础值不变。

其中，“APU刚点着火”是指：点火成功后25ms以内；“APU加速缓慢”是指：当前的加速度小于参考加速度NDOT_REF(见步骤2)发生80ms到100ms之内；“上一周期发生过因排气温度超警戒修正”是指：上一周期计算出的燃油流量修正值WF_EGT′(见步骤13)大于0。

步骤2根据加速计划，确定参考加速度NDOT_REF＝f₁(N,P2)。

步骤3对NDOT_REF进行积分(累加)，得到参考转速N_REF。

步骤4按照如下逻辑，确定最终的参考转速N_REF′：

若(APU刚点着火)或(APU加速缓慢)或(上一周期发生过因排气温度超警戒修正)，则令N_REF′等于当前的APU转速N，否则，当上一周期计算出的燃油流量期望值WF_N(见步骤7)小于或等于“最大燃油流量(也可称最大加速燃油流量)”WF_MAX＝f₄(N,P2,T2)时取N_REF，否则，保持上一周期的旧的N_REF′。

步骤5根据算式ERR_N＝N_REF′-N，计算转速偏差。

步骤6根据算式WF_N_P＝Kp1*ERR_N，计算转速偏差的比例控制量；其中比例增益系数Kp1＝2.0。

步骤7根据算式WF_N＝WF_BASE+WF_N_P，计算(由加速曲线确定的)燃油流量期望值。

步骤8将WF_N限制在最大燃油流量WF_MAX(见步骤4)和“最小加速燃油流量”WF_N_MIN＝f₅(N,P2,T2)之间，得到限幅后的燃油流量期望值WF_N′。

步骤9根据当前的APU转速N、进口压力P2以及进口温度T2，确定对应的“排气温度警戒值(黄线)”EGT_YELLOW＝f₂(N,P2,T2)。

步骤10根据算式ERR_EGT＝EGT-EGT_YELLOW，计算排气温度超警戒的幅度。

步骤11按照下式对ERR_EGT进行超前校正，得到ERR_EGT′：

ERR_EGT′(n)＝a*ERR_EGT′(n-1)+b*ERR_EGT(n)-c*ERR_EGT(n-1)

其中，n表示当前控制周期，n-1表示上一控制周期；校正器参数a＝0.9，b＝10，c＝9.9。

步骤12利用比例-积分(PI)调节算法，计算针对排气温度超警戒的燃油流量修正值 $WF\_EGT=Kp2*ERR\_{\mathrm{EGT}}^{\′}+Ki*\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}ERR\_{\mathrm{EGT}}^{\′}\left(i\right).$

其中，比例增益系数Kp2＝0.24，积分增益系数Ki＝0.012。

步骤13对WF_EGT进行下限幅，小于0时强置为0，结果记为WF_EGT′。

步骤14根据算式WF＝WF_N′-WF_EGT′，得到修正后的燃油流量期望值。

步骤15利用“最小燃油流量”WF_MIN＝f₆(P2,T_FUEL)对WF进行下限幅，得到WF′。

步骤16确定最终的燃油流量命令值WF_CMD：若排气温度EGT连续3s均超过“禁止线(红线)”EGT_RED＝f₃(N,P2,T2)，则将WF_CMD强置为0并触发保护性停车，否则，令WF_CMD取WF′。

以上实施例中的有关参数值，可以根据被控对象(APU本体)的具体特点及(或)使用需求，进行修改或调整。

Claims (9)

1.辅助动力装置起动加速燃油流量控制方法，包括如下处理步骤：

1.1)根据预定的加速曲线，计算燃油流量的期望值；

1.2)根据排气温度是否超过预定的警戒线以及超过的程度，计算对燃油流量期望值的修正值；

1.3)根据燃油流量的期望值和修正值，计算燃油流量命令值；

1.4)若排气温度未超过预定的禁止线，则采用计算出的燃油流量命令值，否则将燃油流量命令值强置为0并触发保护性停车；

所述警戒线和禁止线主要由被控对象的结构特点及使用工况确定，其中禁止线高于警戒线。

2.根据权利要求1所述的辅助动力装置起动加速燃油流量控制方法，其特征在于：所述步骤1.1)在利用加速计划计算燃油流量期望值时，采用一种“步步为营”式的比例控制，即燃油流量期望值等于一个基础值与转速偏差比例控制量之和。

3.根据权利要求2所述的辅助动力装置起动加速燃油流量控制方法，其特征在于：所述“步步为营”式的比例控制中，在APU刚点着火、或APU加速缓慢、或上一周期发生过因排气温度超警戒修正时，对所述基础值进行重置，否则保持原基础值不变。

4.根据权利要求3所述的辅助动力装置起动加速燃油流量控制方法，其特征在于：所述基础值进行重置具体是令基础值等于上一周期的未经修正的燃油流量期望值。

5.根据权利要求2所述的辅助动力装置起动加速燃油流量控制方法，其特征在于：所述“步步为营”式的比例控制中，转速偏差比例控制量的计算包括以下步骤：

5.1)由当前的APU转速、进口压力以及预定的加速曲线，确定参考加速度，即期望的转速增量；

5.2)通过对参考加速度进行有选择地积分，计算参考转速；

5.3)根据参考转速和APU实际转速，计算转速偏差；

5.4)根据转速偏差，计算比例控制量。

6.根据权利要求5所述的辅助动力装置起动加速燃油流量控制方法，其特征在于：所述步骤5.2)中计算参考转速的具体逻辑是：

当APU刚点着火、或APU加速缓慢、或上一周期发生过因排气温度超警戒修正时，令参考转速等于APU实际转速；否则，当上一周期计算出的燃油流量期望值不超过预定的最大加速燃油流量时，将参考加速度累加到上一周期的参考转速上，得到本周期的参考转速，否则保持上一周期的参考转速。

7.根据权利要求1所述的辅助动力装置起动加速燃油流量控制方法，其特征在于：所述步骤1.1)在计算出燃油流量期望值之后，还要进行限幅处理，使其处于最大加速燃油流量和最小加速燃油流量之间。

8.根据权利要求1所述的辅助动力装置起动加速燃油流量控制方法，其特征在于：

所述步骤1.2)中，燃油流量修正值的计算步骤包括：

8.1)根据预定的警戒线、当前的APU转速及环境条件，确定对应的排气温度警戒值；

8.2)计算实际排气温度与排气温度警戒值之差，得到排气温度超警戒的幅度；

8.3)利用一个超前校正环节，对排气温度超警戒幅度进行校正；

8.4)对校正之后的排气温度超警戒的幅度进行比例-积分运算；

8.5)对比例-积分运算结果进行下限幅，当结果小于0时强置为0；

所述步骤1.3)根据燃油流量的期望值及修正值计算燃油流量命令值的方法是，用燃油流量期望值减去修正值。

9.根据权利要求1所述的辅助动力装置起动加速燃油流量控制方法，其特征在于：所述步骤1.3)在计算出燃油流量命令值之后，还要再利用一个最小燃油流量对其进行下限幅。