CN109765881A - 一种航空发动机控制***及控制算法的验证*** - Google Patents

一种航空发动机控制***及控制算法的验证*** Download PDF

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金崇文
胡忠志
郑前钢
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Abstract

本发明提供了一种航空发动机控制***，包括航空发动机、获取航空发动机工作参数的传感器、获取传感器数据的控制器、获取控制器输出值的执行机构和与控制器互相通信连接的IMA模块；所述执行机构的信号输出端与航空发动机的信号输入端通信连接，所述控制器内写有实时控制算法，IMA模块内写有控制修正算法。本发明还提供了航空发动机控制算法的验证***。本发明提供的航空发动机控制***的优点在于：通过将控制算法中参与实施控制的简单算法和不参与实时控制的复杂算法分开运算，采用飞行器本身的IMA模块处理控制修正算法，在不牺牲控制器安全性和稳定性和不增加额外投入的情况下，提高了控制***的处理能力，提高了控制效率，具有良好的推广前景。

Description

一种航空发动机控制***及控制算法的验证***
技术领域
本发明涉及航空发动机控制技术领域，尤其涉及一种航空发动机控制***及控制算法的验证***。
背景技术
航空发动机控制***经过了多年的发展，双余度全权限数字电子控制***(Full-Authority Digital Engine Controller,FADEC)已经在各款现役发动机上得到应用，同时，大量先进控制与健康管理算法相继出现。通过采用自适应发动机模型，采用卡尔曼(Kalman)滤波器估算发动机的稳态参数，实现实时自适应性能优化；采用故障诊断与健康管理***，改善控制***和发动机的维修性能，并且提高寿命；采用多变量控制，并且容许个别参数故障，并能对故障信号进行判断，并重构通道。这些算法一般比较复杂，对EEC的计算和存储能力的要求也越来越高。
随着电子信息技术的不断发展，民用计算机的存储和CPU运算速度几何式地增长，仿真软件和工具发展到了一个成熟且普及的水平，对于一个研究者来说，这些软硬件技术的发展为各种先进的控制算法的研究提供了非常高效的环境，当前的航空发动机先进控制算法，如性能寻优、健康管理等，基本都依赖于PC(PersonalComputer，PC)强大的计算能力和存储空间实现了桌面的数字仿真。然而，想要将一个先进及复杂的算法进行实际的实验或是应用是一件非常困难的事。
在实际航空发动机应用中，为了保证安全性和可靠性，现有的发动机型号或在研型号用的EEC牺牲了一定的存储和计算能力，其性能远远不及当今PC，不能适应先进控制算法计算要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种具有高存储和处理性能的发动机控制***。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
一种航空发动机控制***，包括航空发动机、获取航空发动机工作参数的传感器、获取传感器数据的控制器、获取控制器输出值的执行机构和与控制器互相通信连接的IMA模块；
所述执行机构的信号输出端与航空发动机的信号输入端通信连接，所述控制器内写有实时控制算法，IMA模块内写有控制修正算法；
控制器通过实时控制算法处理传感器参数并将输出值反馈调节航空发动机工作状态；IMA模块通过控制修正算法修正控制器当前时刻的输出值调整航空发动机的工作状态。
优选地，包括模拟航空发动机工作状态的模型计算机、与模型计算机互相通信连接的信号模拟模块、与信号模拟模块互相通信连接的所述控制器和与控制器互相通信连接的增强模块；所述控制修正算法写入增强模块中，增强模块具有高储存和处理性能；
所述模型计算机模拟航空发动机工作，信号模拟模块获取发动机工作参数并传输给控制器，控制器通过实时控制算法处理工作参数并将结果返回给信号模拟模块，信号模拟模块根据控制器的反馈结果调整发动机工作状态；同时控制器将发动机工作参数传输给增强模块，增强模块通过控制修正算法处理工作参数得到修正值，利用修正值辅助控制发动机的工作状态。
优选地，所述信号模拟模块包括实时采集发动机数据的工控机、模拟传感器信号的信号调理装置、模拟飞行器开关量的状态操纵装置、为工控机提供负载信号的负载模拟装置和对信号进行过滤筛选的适配装置；
所述工控机与模型计算机和状态操纵装置分别互相通信连接，工控机的信号输出端与信号调理装置的信号输入端通信连接，负载模拟装置的信号输出端与工控机的信号输入端通信连接；
适配装置与状态操纵装置和控制器分别通信连接，信号调理装置的信号输出端与适配装置的信号输入端通信连接，负载模块的信号输入端与适配装置的信号输出端通信连接；
所述工控机获取的发动机工作参数传输给信号调理装置，模拟得到传感器参数并发送给适配装置，同时状态操纵装置根据工控机获取的工作参数模拟开关量信号，并将模拟开关量传输给适配装置，所述适配装置将获得的参数进行过滤筛选后传递给控制器，控制器处理后的输出值返回到适配装置，经适配装置调整后分别传输给状态操纵装置和负载模拟装置以调整模拟开关量和模拟发动机负载，工控机获取修正后的模拟开关量和发动机负载参数得到发动机工作状态的控制参数，并传递给模型计算机。
优选地，所述工控机还通信连接有一用户界面，所述用户界面能够显示当前各开关的状态和发动机工作状态的模拟值。
优选地，所述模型计算机内具有模拟运行的模拟发动机和模拟执行机构，所述工控机的信号输出端与模拟执行机构的信号输入端通信连接，模拟执行机构的信号输出端与模拟发动机的信号输入端通信连接，模拟发动机的信号输出端与工控机的信号输入端通信连接；
所述信号模拟模块将控制参数传输给模拟执行机构，模拟执行机构根据控制参数改变模拟发动机的工作状态，模拟发动机将工作参数传输回工控机。
本发明提供的航空发动机控制***的优点在于：通过将控制算法中参与实施控制的简单算法和不参与实时控制的复杂算法分开运算，采用飞行器本身的IMA模块处理控制修正算法，在不牺牲控制器安全性和稳定性和不增加额外投入的情况下，提高了控制***的处理能力，提高了控制效率，具有良好的推广前景。
附图说明
图1是本发明的实施例所提供的航空发动机控制***的示意图；
图2是本发明的实施例所提供的航空发动机控制算法的验证***示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本实施例提供了一种航空发动机控制***，包括航空发动机、传感器、控制器、执行机构和IMA模块，所述航空发动机的信号输出端与传感器的信号输入端通信连接，传感器的信号输出端与控制器的信号输入端通信连接，控制器的信号输出端与执行机构的信号输入端通信连接，执行机构的信号输出端与航空发动机的信号输入端通信连接，控制器与IMA模块互相通信连接；控制器内写有实时控制算法，IMA模块内写有控制修正算法。
所述传感器获取航空发动机的工作参数，并传输给控制器，控制器通过实时控制算法对输入值进行处理得到控制器输出值并传输给执行机构，执行机构根据控制器的输出值控制航空发动机的燃油输入、可变导叶角等参数，从而改变航空发动机的运行状态。航空发动机、传感器、控制器和执行机构构成完整的实时闭环控制，能够保证航空发动机的正常运行；参与航空发动机实时控制的实时控制算法所需的运算量较小，常用的发动机电子控制器(EEC)的性能即可满足使用需求。
控制器获得传感器的参数后同时将数据传输给IMA模块，IMA通过控制修正算法对数据进行运算并将结果反馈给控制器以修正控制器的输出值，从而参与航空发动机的闭环控制，由于不参加航空发动机实时控制的算法比较复杂，通过飞行器原有的具有较高处理和存储性能的IMA模块来执行运算命令，提高了飞行器整个***的利用率，提高航空发动机控制***的运行效率。
在实际使用的时候，也可以利用飞行器自带的其他高性能处理器替代IMA模块运行控制修正算法，当然也可以给飞行器额外增加一个高性能处理器，这些方法都是本领域技术人员在了解本申请的方案后能够做出的常规选择。
在使用该控制***之前，需要对实时控制算法和控制修正算法进行验证，参考图2，本申请的实施例还提供了航空发动机控制算法的验证***，包括模拟航空发动机工作状态的模型计算机、与模型计算机互相通信连接的信号模拟模块、与信号模拟模块互相通信连接的所述控制器和与控制器互相通信连接的增强模块；所述控制修正算法写入增强模块中，增强模块具有高储存和处理性能；
所述模型计算机模拟航空发动机工作，信号模拟模块获取发动机工作参数并传输给控制器，控制器通过实时控制算法处理工作参数并将结果返回给信号模拟模块，信号模拟模块根据控制器的反馈结果调整发动机工作状态；同时控制器将发动机工作参数传输给增强模块，增强模块通过控制修正算法处理工作参数得到修正值，利用修正值辅助控制发动机的工作状态。
具体地，所述模型计算机内包括模拟运行的模拟发动机和模拟执行机构，所述信号模拟模块包括实时采集发动机数据的工控机、模拟传感器信号并对信号进行D/A转换的信号调理装置、模拟飞行器开关量的状态操纵装置、为工控机提供负载信号的负载模拟装置和对信号进行过滤筛选的适配装置；所述飞行器开关量包括起动开关、停车开关、阀门开关等。
所述工控机的信号输出端与模拟执行机构的信号输入端通信连接，模拟执行机构的信号输出端与模拟发动机的信号输入端通信连接，模拟发动机的信号输出端与工控机的信号输入端通信连接；
工控机与状态操纵装置互相通信连接，工控机的信号输出端与信号调理装置的信号输入端通信连接，负载模拟装置的信号输出端与工控机的信号输入端通信连接；
适配装置与状态操纵装置和控制器分别通信连接，信号调理装置的信号输出端与适配装置的信号输入端通信连接，负载模块的信号输入端与适配装置的信号输出端通信连接；
验证***的闭环控制过程如下：所述工控机获取模拟发动机工作参数，经信号调理装置模拟得到传感器参数并发送给适配装置，同时状态操纵装置根据工控机获取的工作参数模拟开关量信号，并将模拟开关量传输给适配装置，所述适配装置将获得的参数进行过滤筛选后传递给控制器，控制器处理后的输出值返回到适配装置，经适配装置调整后分别传输给状态操纵装置和负载模拟装置以调整模拟开关量和模拟发动机负载，工控机获取修正后的模拟开关量和发动机负载参数得到发动机工作状态的控制参数，并传输给模拟执行机构，模拟执行机构根据工控机提供的参数修正，执行机构通过改变燃油和可变导叶角等参数的模拟量，调整发动机工作状态。
所述控制器还讲接收到的数据传输给增强机，在增强机内运行控制修正算法，得到的输出值返回给控制器用来修正控制器的输出值。
为了便于观察发动机工作状态，所述工控机还连接有一用户界面，所述用户界面能够显示当前模拟开关量和发动机工作状态的模拟值。优选实施例中验证***的工控机选用PXI工控机。

Claims (5)

1.一种航空发动机控制***，其特征在于：包括航空发动机、获取航空发动机工作参数的传感器、获取传感器数据的控制器、获取控制器输出值的执行机构和与控制器互相通信连接的IMA模块；
所述执行机构的信号输出端与航空发动机的信号输入端通信连接，所述控制器内写有实时控制算法，IMA模块内写有控制修正算法；
控制器通过实时控制算法处理传感器参数并将输出值反馈调节航空发动机工作状态；IMA模块通过控制修正算法修正控制器当前时刻的输出值调整航空发动机的工作状态。
2.一种权利要求1所述的控制***的算法验证***，其特征在于：包括模拟航空发动机工作状态的模型计算机、与模型计算机互相通信连接的信号模拟模块、与信号模拟模块互相通信连接的所述控制器和与控制器互相通信连接的增强模块；所述控制修正算法写入增强模块中，增强模块具有高储存和处理性能；
所述模型计算机模拟航空发动机工作，信号模拟模块获取发动机工作参数并传输给控制器，控制器通过实时控制算法处理工作参数并将结果返回给信号模拟模块，信号模拟模块根据控制器的反馈结果调整发动机工作状态；同时控制器将发动机工作参数传输给增强模块，增强模块通过控制修正算法处理工作参数得到修正值，利用修正值辅助控制发动机的工作状态。
3.根据权利要求2所述的一种航空发动机控制算法的验证***，其特征在于：所述信号模拟模块包括实时采集发动机数据的工控机、模拟传感器信号的信号调理装置、模拟飞行器开关量的状态操纵装置、为工控机提供负载信号的负载模拟装置和对信号进行过滤筛选的适配装置；
所述工控机与模型计算机和状态操纵装置分别互相通信连接，工控机的信号输出端与信号调理装置的信号输入端通信连接，负载模拟装置的信号输出端与工控机的信号输入端通信连接；
适配装置与状态操纵装置和控制器分别通信连接，信号调理装置的信号输出端与适配装置的信号输入端通信连接，负载模块的信号输入端与适配装置的信号输出端通信连接；
所述工控机获取的发动机工作参数传输给信号调理装置，模拟得到传感器参数并发送给适配装置，同时状态操纵装置根据工控机获取的工作参数模拟开关量信号，并将模拟开关量传输给适配装置，所述适配装置将获得的信号参数进行过滤筛选后传递给控制器，控制器处理后的输出值返回到适配装置，经适配装置调整后分别传输给状态操纵装置和负载模拟装置以调整模拟开关量和模拟发动机负载，工控机获取修正后的模拟开关量和发动机负载参数得到发动机工作状态的控制参数，并传递给模型计算机。
4.根据权利要求3所述的一种航空发动机控制算法的验证***，其特征在于：所述工控机还通信连接有一用户界面，所述用户界面能够显示当前各开关的状态和发动机工作状态的模拟值。
5.根据权利要求3所述的一种航空发动机控制算法的验证***，其特征在于：所述模型计算机内具有模拟运行的模拟发动机和模拟执行机构，所述工控机的信号输出端与模拟执行机构的信号输入端通信连接，模拟执行机构的信号输出端与模拟发动机的信号输入端通信连接，模拟发动机的信号输出端与工控机的信号输入端通信连接；
所述信号模拟模块将控制参数传输给模拟执行机构，模拟执行机构根据控制参数改变模拟发动机的工作状态，模拟发动机将工作参数传输回工控机。
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