CN114893302B - 一种小型涡扇发动机转速判故方法及冗余控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种小型涡扇发动机转速判故方法及冗余控制方法,结合无人机飞行使用需求,对无人机使用的小型涡轮涡扇发动机的重要控制参数‑转速制定合理的判故策略,可以实时、准确的进行故障信息判断;还通过发动机数学建模获取的发动机性能参数,在发动机转速不可信的情况下,采用计算目标供油量压代替转速控制规律的方式进行冗余控制,保证无人机的正常飞行,提高工作可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及技术领域,尤其涉及一种小型涡扇发动机转速判故方法及冗余控制方法。
背景技术
涡扇发动机的发动机转速是发动机的重要控制参数,比较常见的发动机的稳态控制规律都是通过实际工作转速与目标转速的计算差等进行供油调节来实现的。而一旦发动机转速信号出现故障,则意味着无法知道当前发动机工作状态,也就是无法知道当前状态与目标值的准确差异,从而会错误地进行供油调节,后果严重。因此在发动机转速出现问题的情况下,需要及时、准确的进行判断,并采取冗余方案。航空发动机一般会对发动机转速等重要控制信号进行冗余,较多使用的是硬件冗余。但是小型涡扇发动机由于尺寸、重量、成本等因素的限制,很多时候进行硬件冗余是不适用的。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种小型涡扇发动机转速判故方法及冗余控制方法,能够在小型涡扇发动机在飞行工作中,发动机转速出现异常时进行准确判故,并且进行冗余控制。
一种小型涡扇发动机转速判故方法及冗余控制方法,包括:
在发动机“起动成功”后至收到停车指令前,进行如下三个条件的判断,满足任意一个条件即判定发动机高压转子转速nh输出失效;
条件1、如果nh>51009r/min或者nh<17866r/min,则判定发动机高压转子转速nh输出失效;
条件2、10ms周期中,相邻发动机高压转子转速nh的绝对差值超过893r/min,记录第一点,如果之后连续5个10ms周期中,有3个周期的发动机高压转子转速nh跟第一点的绝对差值大于1786r/min,则判定发动机高压转子转速nh输出失效;
条件3、连续5个10ms周期中,有3个周期相邻发动机高压转子转速nh的绝对差值超过893r/min,则判定发动机高压转子转速nh输出失效。
一种小型涡扇发动机转速冗余控制方法,包括:
在发动机“起动成功”后至收到停车指令前,进行如下三个条件的判断,满足任意一个条件即判定发动机高压转子转速nh输出失效;
条件1、如果nh>51009r/min或者nh<17866r/min,则判定发动机高压转子转速nh输出失效;
条件2、10ms周期中,相邻发动机高压转子转速nh的绝对差值超过893r/min,记录第一点,如果之后连续5个10ms周期中,有3个周期的发动机高压转子转速nh跟第一点的绝对差值大于1786r/min,则判定发动机高压转子转速nh输出失效;
条件3、连续5个10ms周期中,有3个周期相邻发动机高压转子转速nh的绝对差值超过893r/min,则判定发动机高压转子转速nh输出失效;
当判定发动机高压转子转速nh输出失效后,执行如下冗余控制方法,具体为:
基于发动机模型,根据输入参数H、Ma、Uy,计算发动机的性能参数,形成发动机性能数据表;
在转速判故成立后,依据H、Ma、Uy,从发动机性能数据表中线性插值得到U5TD的目标值;其中U5TD表示发动机燃油供油量对应的电压量;按照设定速率将供油量调整到U5TD的目标值,实现对发动机的转速冗余控制。
较佳的,根据输入的高度H、马赫数Ma和发动机油门控制电压Uy,计算发动机的性能参数后,使用发动机试验数据对其进行修正,形成发动机性能数据表。
较佳的,从发动机性能数据表中线性插值得到U5TD的目标值后,根据进口温度对U5TD目标值进行修正后,再按照设定速率将供油量调整到U5TD的目标值。
较佳的,根据输入的高度H、马赫数Ma和发动机油门控制电压Uy,计算发动机的性能参数时,马赫数Ma取值范围为0~0.9。
较佳的,根据输入的高度H、马赫数Ma和发动机油门控制电压Uy,计算发动机的性能参数时,高度H取值范围为0~13km.
较佳的,根据输入的高度H、马赫数Ma和发动机油门控制电压Uy,计算发动机的性能参数时,Uy取值范围1V~16V。
较佳的,所述设定速率为:
高度H在10km以下时的设定速率为0.15V/s;高度H在10km以上时,设定速率为0.08V/s。
较佳的,当Uy小幅度上调时,如果发现U5TD反而下降,此时保持U5TD值不变,直到U5TD值随Uy同步增长,则开始根据查表得到的U5TD值进行控制。
较佳的,当Uy小幅度下调时,U5TD反而上升时,保持U5TD值不变,直到U5TD值随Uy同步下调。
本发明具有如下有益效果:
本发明的一种小型涡扇发动机转速判故方法及冗余控制方法,结合无人机飞行使用需求,对无人机使用的小型涡轮涡扇发动机的重要控制参数-转速制定合理的判故策略,可以实时、准确的进行故障信息判断;还通过发动机数学建模获取的发动机性能参数,在发动机转速不可信的情况下,采用计算目标供油量压代替转速控制规律的方式进行冗余控制,保证无人机的正常飞行,提高工作可靠性。
附图说明
图1为本发明的转速判故及冗余控制流程图;
图2为本发明的方法验证效果图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例,对本发明进行详细描述。
本发明中采用的参数符号定义如下:
Pt3表示发动机压气机后气流总压,单位为千帕(kPa);Uy表示发动机油门控制电压,对应推力,单位为伏(V);nh表示发动机高压转子转速,单位为转每分钟(r/min);H表示气压高度,单位为千米(km);Ma表示马赫数,飞行速度与当地音速的比值,为无量纲物理量;U5TD表示发动机燃油供油量对应的电压量,单位为伏(V);Qmf表示发动机燃油流量,单位为伏(kg/h)。
本发明方法主要包括如下内容:
1)作用时机
在发动机地面点火起动后,也即开始以转速为控制参数进行控制供油方案计算后至发动机停车期间。
2)发动机转速信号故障判断方法,如图1所示:
在机理分析及故障数据分析的基础上,根据该小型涡扇发动机转速信号变化情况制定了转速信号异常的判故准则,“起动成功”后至收到停车指令前,也即转速作为控制参数参与控制的情况下进行判断,准则如下:
①超限故障判断:如果nh>51009r/min或者nh<17866r/min,则判定nh输出失效;
②台阶式跳变判断:10ms周期中,相邻nh的绝对差值超过893r/min,记录第一点,如果之后连续5个10ms周期中,有3个周期nh跟第一点的绝对差值大于1786r/min,则判定nh输出失效;
③毛刺波动判断:连续5个10ms周期中,有3个周期相邻nh的绝对差值超过893r/min,则判定nh输出失效。
满足上述一个条件,即判定为nh输出失效。
3)发动机转速信号故障后冗余控制方法
由于发动机的动态特性是依据转速信号特性制定的PID参数控制基础上实现的,因此依据其他信号(压力、温度等)映射出来的nh只能代表稳态控制点,动态调节特性势必存在差异,不能作为参与动态PID调节的控制参数。由此,使用其他参数构建转速的解析裕度方式进行冗余控制的途径是不可行的。
本发明采用的冗余方案为:使用发动机模型性能仿真程序(该程序中包含发动机主要部件的数学模型),通过计算得到发动机性能数据表,并使用发动机试验数据对其进行修正。性能数据表有包括进口条件参数H、Ma、Uy。基于精度影响、常用范围、内存数据表格大小等因素的考虑确定马赫数取值范围为0~0.9,高度取值为0~13km,Uy范围1V~16V,在以上范围内计算发动机性能数据,并以数据表的方式装定到发动机数字控制器内存里。
在转速判故成立后,依据H、Ma、Uy,从发动机性能表格线性插值得到U5TD(Qmf)目标值;其中,先按照进口温度对U5TD(Qmf)目标值进行修正,然后再按照设定速率将供油量调整到U5TD(Qmf)目标值。此时发动机控制不再进行根据反馈的闭环调节,而是以计算得到的目标燃油流量进行控制。其中,油门指令信号Uy根据无人机按照实际飞行的马赫数闭环控制调整,发动机根据油门指令信号与飞行入口条件控制供油,与无人机形成马赫数闭环控制。
根据试验验证曲线得到U5TD的波动频率为3Hz左右,幅度不大于0.1V,这是与发动机的动态调节过程有关的。统计时为了避免波动影响,供油量速度按照一定时间内的总体增长情况进行计算,具体为:
高度10km以下按照0.15V/s的速率、高度10km以上按照0.08V/s的速率调整当前供油量,直至跟随至U5TD目标值。
为避免由于发动机个性差异及计算误差导致的反向调节,当Uy小幅度上调时,如果通过查表发现U5TD反而下降,则说明出现计算误差,此时保持U5TD值不变,直到U5TD值随Uy同步增长,则开始根据查表得到的U5TD值进行控制;同理,当Uy小幅度下调时,U5TD反而上升时,保持U5TD值不变,直到U5TD值随Uy同步下调。
试验验证效果如图2所示,如图可见当故障码跳为1时,为模拟nh故障,U5TC为冗余计算后的供油量,由图可以见替代后与实际的UT5D一致性较好,计算偏差可以保证发动机的正常工作的,对无人机而言,推力控制误差在允许范围内。由于可见,验证效果满足要求。
综上所述,以上仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种小型涡扇发动机转速冗余控制方法,其特征在于,包括:
在发动机“起动成功”后至收到停车指令前,进行如下三个条件的判断,满足任意一个条件即判定发动机高压转子转速nh输出失效;
条件1、如果nh>51009r/min或者nh<17866r/min,则判定发动机高压转子转速nh输出失效;
条件2、10ms周期中,相邻发动机高压转子转速nh的绝对差值超过893r/min,记录第一点,如果之后连续5个10ms周期中,有3个周期的发动机高压转子转速nh跟第一点的绝对差值大于1786r/min,则判定发动机高压转子转速nh输出失效;
条件3、连续5个10ms周期中,有3个周期相邻发动机高压转子转速nh的绝对差值超过893r/min,则判定发动机高压转子转速nh输出失效;
当判定发动机高压转子转速nh输出失效后,执行如下冗余控制方法,具体为:
基于发动机模型,根据输入参数H、Ma、Uy,计算发动机的性能参数,形成发动机性能数据表;
在转速判故成立后,依据H、Ma、Uy,从发动机性能数据表中线性插值得到U5TD的目标值;其中U5TD表示发动机燃油供油量对应的电压量;按照设定速率将供油量调整到U5TD的目标值,实现对发动机的转速冗余控制;
根据输入的高度H、马赫数Ma和发动机油门控制电压Uy,计算发动机的性能参数后,使用发动机试验数据对其进行修正,形成发动机性能数据表。
2.如权利要求1所述的一种小型涡扇发动机转速冗余控制方法,其特征在于,从发动机性能数据表中线性插值得到U5TD的目标值后,根据进口温度对U5TD目标值进行修正后,再按照设定速率将供油量调整到U5TD的目标值。
3.如权利要求1所述的一种小型涡扇发动机转速冗余控制方法,其特征在于,根据输入的高度H、马赫数Ma和发动机油门控制电压Uy,计算发动机的性能参数时,马赫数Ma取值范围为0~0.9。
4.如权利要求3所述的一种小型涡扇发动机转速冗余控制方法,其特征在于,根据输入的高度H、马赫数Ma和发动机油门控制电压Uy,计算发动机的性能参数时,高度H取值范围为0~13km。
5.如权利要求4所述的一种小型涡扇发动机转速冗余控制方法,其特征在于,根据输入的高度H、马赫数Ma和发动机油门控制电压Uy,计算发动机的性能参数时,Uy取值范围1V~16V。
6.如权利要求1所述的一种小型涡扇发动机转速冗余控制方法,其特征在于,所述设定速率为:
高度H在10km以下时的设定速率为0.15V/s;高度H在10km以上时,设定速率为0.08V/s。
7.如权利要求1所述的一种小型涡扇发动机转速冗余控制方法,其特征在于,当Uy小幅度上调时,如果发现U5TD反而下降,此时保持U5TD值不变,直到U5TD值随Uy同步增长,则开始根据查表得到的U5TD值进行控制。
8.如权利要求1所述的一种小型涡扇发动机转速冗余控制方法,其特征在于,当Uy小幅度下调时,U5TD反而上升时,保持U5TD值不变,直到U5TD值随Uy同步下调。
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