[发明专利]一种变循环发动机自适应部件级仿真模型构建方法

说明书

本发明公开了一种变循环发动机自适应部件级仿真模型构建方法，在变循环发动机慢车以上状态的非线性部件级动态通用模型的基础上，提出采用自适应扩展卡尔曼滤波器，估算变循环发动机气路部件不可测的性能特征参数后，利用估计出的特征参数自动更新气路部件的流量和效率等特性图，将调整后的气路部件特性参数用于部件气动热力参数的计算，建立慢车以上状态的变循环发动机自适应部件级仿真模型。本发明对发动机个体差异和性能蜕化引起的模型失配具有较强适应能力，显著提高变循环发动机慢车以上状态非线性个体模型精度，减少利用经验手动调整发动机气路部件特性，使模型匹配带来的巨大工作量，对变循环发动机的控制及健康管理理论提供模型基础。

技术领域

本发明涉及航空发动机建模与仿真领域，尤其涉及一种变循环发动机自适应部件级仿真模型构建方法。

背景技术

变循环发动机因其具有可调几何部件，可以在不同飞行条件下改变发动机的热力循环，获得最佳的飞行性能，双外涵变循环发动机的基本结构如图1所示，其主要由两种典型的工作模式。

单涵模式：关闭模式选择活门，调小前、后可调涵道引射器(Variable AreaBypass Injector，VABI)的面积，使流经前段风扇的空气流量几乎全部流过核心驱动风扇和高压压气机，只允许一小部分流量经过外涵道冷却尾喷管，此时发动机单位推力最大，以满足飞机在起飞、爬升或超音速飞行时对推力的需求。

双涵模式：打开模式选择活门，调大前、后可调涵道引射器面积，前风扇空气流量增大，流经CDFS(Core Drive Fan Stage，核心驱动风扇级)的空气流量一部分从CDFS涵道流入主外涵，另一部分流入压气机，此时发动机涵道比最大，可以降低耗油率，以适用于亚音速飞行。

变循环发动机工作环境恶劣并且相比于常规发动机结构更为复杂，对其安全性以及可靠性要求都很高，对于变循环发动机自适应模型建模技术的研究是一项重要课题。变循环发动机自适应模型能反映发动机之间的个体差异以及使用期内性能蜕化等因素对发动机性能的影响，是实现发动机自适应调整控制、保证发动机正常工作的基础。同时变循环发动机控制与健康管理也需要准确的发动机模型作为前提条件，对于基于模型的发动机控制和诊断系统而言，考虑到发动机之间存在着个体差异、实际发动机零件的安装公差及使用期内的性能蜕化等因素的影响，对应的机载模型若不加以适当的调整，则不能满足在线性能寻优控制或故障诊断的精度要求，所设计的控制和诊断系统性能出现不同程度的下降，无法达到设计的工作状态。变循环发动机具有可调几何部件可改变发动机的工作模式，发动机结构更为复杂，工作状态恶劣多变，对变循环发动机模型提出了更高的要求，所以建立精确的变循环发动机自适应模型具有重要的理论意义和工程实用价值。

目前，变循环发动机的主流仿真模型有两种：非线性部件级模型和线性模型。发动机线性模型是在发动机非线性部件级模型的基础上，对模型进行局部线性化，建立状态变量模型和稳态基点模型，利用线性卡尔曼滤波器实现部件性能参数的估计与自适应。线性模型计算量较小、对资源消耗低，但这一方法在对非线性模型线性化时，不可避免地会引入二次建模误差，且线性模型对于发动机动态过程的拟合精度较低。发动机非线性部件级模型建模方法主要有转子动力学法和容积动力学法。相对于发动机线性模型，非线性部件级模型不会引入二次建模误差，对于发动机的动态过程具有较高的跟踪精度，能较准确的模拟包线内变循环发动机的不同工况。随着滤波估计技术的发展，一些非线性卡尔曼滤波器可以直接应用于非线性系统，实现较为准确的状态估计。本发明将变循环发动机非线性部件级通用模型与自适应扩展卡尔曼滤波器结合，提出一种变循环发动机自适应非线性部件级仿真模型，对气路部件性能蜕化具有实时估计能力，同时具有较高的模型跟踪精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，提供一种能够具有较高个体模型精度，并对发动机个体差异和性能蜕化引起的模型失配具有较强适应能力，显著提高变循环发动机慢车以上状态个体模型精度，减少利用经验手动调整发动机气路部件特性，使模型匹配带来的巨大工作量的一种变循环发动机自适应部件级仿真模型构建方法。