[发明专利]一种航空发动机过渡态控制规律优化的设计方法

摘要

本发明属于航空发动机过渡态优化及控制领域，公开了一种航空发动机过渡态控制规律优化的设计方法，采用SQP算法对发动机过渡态进行优化，实现沿约束边界条件下的过渡态控制规律设计。同时，对燃油流量速率值进行调整，其他约束条件不变，设计不同限制条件下的过渡态控制规律。通过构建过渡态时间评估函数，计算各个过渡态控制规律下的过渡态时间。利用计算出的过渡态时间和与之对应的燃油流量建立lookuptable插值表，实现不同的过渡态时间下的燃油流量调度。将在期望时间下通过调度得到的燃油流量作为发动机闭环控制的加减速计划，其输出作为加速过程参考指令，实现发动机过渡态优化与闭环控制的结合，为发动机的闭环控制提供理论依据。

主权项

1.一种航空发动机过渡态控制规律优化的设计方法，其特征在于，步骤如下：S1.基于SQP算法，对发动机的过渡态进行优化，实现沿约束边界运行的发动机过渡态控制规律设计；沿约束边界运行的发动机过渡态控制规律设计步骤如下：S1.1确定优化节点的个数以及整个优化过程时间的长短；S1.2将发动机在闭环控制器作用下得到的燃油流量作为参考，选取燃油流量初值，使最终确定的燃油流量初值加载到发动机模型后，发动机各项输出不超过限制值；S1.3对SQP算法的有关优化选项最大函数计算次数MaxFunEvals、最大迭代次数MaxIter和函数精度TolFun参数进行设置；S1.4确定发动机过渡态控制规律优化的边界条件，包括压气机物理转N2的限制、风扇物理转速N1限制、压气机出口压力P3限制、低压涡轮出口温度T5限制、风扇喘振SMF喘振边界、压气机喘振SMC喘振边界、燃油流量Wf限制和过渡态燃油流量速率△Wf限制条件，并依据限制条件建立相应的约束函数，其形式如下所示：N2,min≤N2≤N2,maxN1≤N1,maxP3≤P3,maxT5≤T5,maxSMF≥SMFminSMC≥SMCminWf,min≤Wf≤Wf,maxΔWf≤ΔWf,max其中，N2,min为压气机物理最低物理转速，N2,max为压气机最高物理转速，N1,max为风扇最低物理转速，P3,max为压气机出口压力最大值，T5,max为低压涡轮出口温度最大值，SMCmin压气机喘振裕度最小值，SMFmin风扇喘振裕度最小值，Wf,min和Wf,max分别为燃油流量最小值和最大值，ΔWf,max为燃油流量速率最大值；S1.5结合发动机过渡态对时间的要求，建立发动机过渡态控制规律优化的目标函数，其形式如下：J＝100*norm(N2‑N2,cmd,2)+100*norm(N1‑N1,cmd,2)其中，N1,cmd和N2,cmd为风扇物理转速和压气机物理转速的期望值；S2.在不超过发动机限制边界的前提下，调整发动机的燃油流量速率限制值而其他约束条件不变，由此建立不同燃油速率限制条件下的发动机过渡态控制规律；建立不同燃油速率限制条件下的发动机过渡态控制规律设计步骤如下：S2.1优化节点个数以及整个优化过程时间、燃油流量初值以及各个优化选项的设定与沿约束边界下的过渡态优化保持一致；S2.2发动机过渡态中的压气机物理转速N2的限制、风扇物理转速N1限制、压气机出口压力P3限制、低压涡轮出口温度T5限制、风扇喘振SMF喘振边界、压气机喘振SMC喘振边界和燃油流量Wf限制条件不变，在不超过过渡态燃油流量速率最大限制值ΔWf,max的前提下，对燃油流量速率限制进行改变，分别设为ΔWf,1，ΔWf,2，ΔWf,3…ΔWf,N，在不同燃油流量速率限制条件下重新进行过渡态优化，得到不同条件下的控制规律即燃油流量Wf,1，Wf,2，Wf,3…Wf,N；S2.3将在不同燃油流量速率限制条件下优化得到的发动机燃油流量Wf,1，Wf,2，Wf,3…Wf,N进行保存，为之后的燃油流量调度做准备；S3.完成不同燃油速率限制条件下的过渡态控制规律设计后，构建发动机过渡态时间的评估函数，从而确定不同过渡态控制规律下的过渡态时间；构建发动机过渡态时间的评估函数步骤如下：S3.1产生发动机模型的输出：将发动机的燃油流量Wf加载到发动机模型中，得到发动机的输出：风扇相对物理转速N1、风扇相对换算转速N1cor、压气机相对物理转速N2、压气机相对发动机进口的换算转速N2cor；S3.2以发动机输出中的压气机相对物理转速N2作为发动机过渡态时间的评估变量，当其稳定在其稳态值的上下浮动0.2％则默认进入稳定状态，则进入时间为发动机的过渡态时间；S3.3将不同限制条件下的发动机过渡态控制规律中的燃油流量Wf,1，Wf,2，Wf,3…Wf,N加载到发动机模型中，得到不同限制条件下发动机模型输出N2,1，N2,2，N2,3…N2,N，计算不同限制条件下的过渡态时间Ts,1，Ts,2，Ts,3…Ts,N并保存；S4.对不同的过渡态控制规律下的燃油流量和其对应的过渡态时间从小到大排序，并建立lookuptable插值表；根据建立的插值表，实现在线过渡态控制计划调度，即输入期望的发动机过渡态时间调度得到该过渡态时间下对应的燃油流量；实现在线过渡态控制计划调度的步骤如下：S4.1将不同限制条件下燃油流量以及其对应的过渡态时间Ts,1，Ts,2，Ts,3…Ts,N按从小到大的顺序排列；S4.2以各个过渡态时间Ts,1，Ts,2，Ts,3…Ts,N作为插值节点1，对应的燃油流量Wf,1，Wf,2，Wf,3…Wf,N作为Tabledata，由于加载到发动机模型的燃油流量是时间序列格式，将燃油流量的时间序列作为插值节点2，建立lookuptable插值表；S4.3选择期望的过渡态时间T_s^*，通过建立的插值表进行插值，得到与过渡态时间对应的一组燃油流量实现在线过渡态时间调度；S4.4将期望过渡态时间下的燃油流量作为发动机的输入，保存发动机的相关输出，以保存的输出作为闭环控制器的参考指令；S5.将期望过渡态时间下的燃油流量作为发动机输入，得到发动机的输出，相关输出参数作为发动机闭环控制的参考指令，实现发动机的全闭环控制。