[发明专利]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

权利要求书

1.一种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，其特征在于：所述主动复合控制方法包括：

(1)压气机气动失稳机理及主动控制方法

(1.1)压气机气动稳定性动态模型

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；

(1.2)压气机失稳机理分析及主动控制方法

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；

(1.3)基于状态估计器的压气机稳定性输出反馈主动控制

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；

(2)航空发动机稳定裕度估计及主动稳定性控制方法

(2.1)航空发动机喘振实时模型

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；

(2.2)喘振裕度估计算法与模拟

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；

(2.3)航空发动机主动稳定性控制方法

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，主动稳定性控制律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；

(3)航空发动机失稳预测及主动防喘控制方法

(3.1)失稳先兆信号仿真模型

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；

(3.2)发动机失稳预测算法

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，采用较低的采样频率，且直接进行频率分析，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，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；

(3.3)主动防喘控制方法

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：

(3.31)采集发动机压力信号，该压力信号对于旋转失速和喘振敏感；

(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，主动防喘控制器采用传统的比例积分控制器；

(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；

(4)航空发动机主动稳定性复合控制方法

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，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。

2.根据权利要求1所述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，其特征在于：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，即可由模拟的关系得到真实的喘振裕度。