[发明专利]变旋翼转速直升机-涡轴发动机综合控制方法及装置

说明书

本发明公开了一种变旋翼转速直升机‑涡轴发动机综合控制方法。该方法在综合考虑转速控制指标与经变传动比传动机构扭矩匹配的转子动力学特性的基础上，对涡轴发动机的燃油流量进行在线优化，可在满足压气机转速、发动机静强度等限制条件下，显著减小变旋翼转速过程中动力涡轮转速超调与下垂量，实现涡轴发动机的快速响应控制的同时，有利于改善发动机使用寿命。本发明还公开了一种变旋翼转速直升机‑涡轴发动机综合控制装置。本发明可在满足压气机转速、发动机静强度等限制条件下，显著减小变旋翼转速过程中动力涡轮转速超调与下垂量，实现涡轴发动机的快速响应控制的同时，有利于改善发动机使用寿命。

技术领域

本发明涉及一种变旋翼转速直升机-涡轴发动机综合控制方法，属于航空宇航推进理论与工程中的系统控制与仿真技术领域。

背景技术

变旋翼转速直升机自问世以来发展非常迅速。凭借其超强攻击性、机动性、突袭性、隐蔽性、灵敏性等优异对空作战能力，应用领域与性能需求得到不断扩大，执行的飞行任务也向多元化发展。承担的任务也从过去的搜索与救援、物资运输等保障职能逐步发展到侦察机和对地攻击等职能(参见[Smith B J,Zagranski R.D.Next Generation ControlSystem for Helicopter Engines[C]])。

变旋翼转速时，直升机飞行器各个子系统之间相互关联与影响。涡轴发动机为直升机提供动力，同时对飞行速度和飞行姿态也产生重要影响。一个高品质的涡轴发动机控制系统，需具备对直升机需求功率的快速跟随能力，能实现涡轴发动机的快速响应控制。

然而现代燃气涡轮发动机的耗油率只能在一个相对较小的转速范围内达到最优，严重限制了调整发动机转速来实现变旋翼转速的能力(参见[变转速直升机/传动系统/发动机综合建模与控制研究[D]])。因此，通过变传动比实现变旋翼转速是极为必要的。

因而在直升机变旋翼转速运行时，变传动比传动机构实时匹配直升机需求扭矩和发动机输出扭矩，强化了直升机子系统与发动机子系统之间的耦合程度。传统的带总距前馈的串级PID控制方法，很难取得高品质的控制效果(参见[基于扭振抑制的涡轴发动机控制方法研究[D]])。尤其是在变旋翼转速过程中，存在由旋翼扭矩测量滞后、发动机控制动态响应等引起的不可忽略的时滞效应，这种滞后是必须得考虑在控制规律设计中的，而串级PID等控制方法因不具备预测功能，对于上述时滞效应显得能力不足。而预测控制因具备一定的超前预测能力，可作为求解时变迟滞非线性系统问题的替代方案。自上世纪90年代以来，线性预测控制理论与应用取得了突飞猛进的进展(参见[Data-Based PredictiveControl with Multirate Prediction Step[C]])，如动态矩阵控制，广义预测控制等，能够实时解决带约束优化问题的和动态规划。近年来，相继提出了一些新的预测方法，如鲁棒MPC和非线性模型预测控制(NMPC)。这些方法可有效地解决含复杂约束和扰动的非线性系统控制问题，也为涡轴发动机闭环控制提供了新的思路。王健康基于直升机/涡轴发动机综合仿真平台研究了涡轴发动机带约束优化的非线性模型预测控制技术[基于直升机/涡轴发动机综合仿真平台的发动机非线性模型预测控制[J]]，但传动机构变速比恒定，不具备模拟变旋翼转速的能力，因此在构建优化目标函数时，未考虑旋翼负载的影响，仅考虑涡轴发动机转速、燃油等关键参数，因而无法适用于旋翼转速大范围变化时涡轴发动机转速闭环控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种变旋翼转速直升机-涡轴发动机综合控制方法，可在满足压气机转速、发动机静强度等限制条件下，显著减小变旋翼转速过程中动力涡轮转速超调与下垂量，实现涡轴发动机的快速响应控制的同时，有利于改善发动机使用寿命。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种变旋翼转速直升机-涡轴发动机综合控制方法，所述变旋翼转速直升机的旋翼与涡轴发动机之间通过变传动比传动机构连接，通过对以下优化模型进行求解来在线控制涡轴发动机的燃油流量W_fb：