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航空发动机控制..docx

发布:2017-01-07约5.28千字共7页下载文档
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燃气涡轮发动机控制系统介绍现代燃气涡轮发动机闭环控制系统大致分为控制器、传感器、执行器与附件。最简单的发动机控制系统是通过调节燃油流量来产生期望的发动机推力的系统。但是实际上,飞行过程中获取飞机的推力是不现实的,而发动机的转子转速n与发动机的增压比(EPR)是容易获取的且能够表征推力的变化,通常被选择为被控参数。控制变量为燃油流量,或者执行器(燃油流量计量阀)的位移。飞机包线:典型的飞机包线表示为飞行高度与飞行马赫数之间关系。对于涡喷与涡扇发动机,还包括环境温度坐标,也即三维图像。发动机控制包线是一个允许发动机的工作范围,是以主控制变量燃油流量与发动机转子转速(在EPR控制的情况下是增压比)之间的关系。由于燃油流量比(油气比)比燃油流量更适合做主控制变量。燃油流量比定义为燃油流量Wf与压气机出口压力p3的比值RU=Wf/p3。发动机建模与仿真稳态发动机模型动态发动机模型燃气涡轮发动机的三个基本动力学方程:转子动态方程、压力动态方程与温度动态方程。单轴发动机转子动力学:单轴发动机可以近似为一个一阶惯性环节。从输入变量燃油流量至输出变量的传递函数为:,其中。双轴发动机转子动力学:为二阶模型。表示为状态空间为:,其中参数与单轴类似,为偏导数,偏导数的值由标称点处偏导数值获得。表示为传递函数为:压力动力学:压力变化为质量变化的积分。。温度动力学:两种温度动力学:一是由于容积内空气或者燃气的热力学状态改变引起的温度变化(相对较快,快温度动力学),二是金属部件与燃气之间热传导引起的温度变化(相对变化慢,慢温度动力学)。整台发动机的建模:可以用线性时不变系统表示。执行器的建模:一阶惯性环节描述。执行器分为三种类型:一是燃油控制执行器,通常称为燃油计量阀;二是位置控制执行器,用于设置进口导叶或静子叶片角度,尾喷口截面积(对于加力发动机),以及某些离散位置如燃油开关电磁阀;三是空气或燃气流量控制执行器,通常称为放气阀。发动机传感器主要有五类:1、燃气流路传感器通常测量压力、温度、空气流量,燃油流量和轴的转速。2、振动传感器测量位移及加速度3、滑油和碎屑传感器;4、执行器反馈传感器反馈执行器的位置、角度与速度;5、损伤检测传感器。高逼真发动机仿真美国空军通用涡扇发动机模型(AFRL模型)NASA通用涡扇发动机模型(C-MAPSS)发动机模型的导出基于标称工作点附近泰勒技术展开的小扰动方法基于模型输出和作为实际参考值的实际输出之间误差最小化的系统辨识法稳态控制器的设计发动机自动控制系统的三个基本功能:稳态控制、过渡态控制与限制保护。稳态控制又称为设定点控制,一个设定点对应由发动机产生的一个固定功率状态,这个固定的功率状态有发动机的转速或者增压比控制。设定点通常有慢车、巡航、起飞状态。稳态控制器的两个含义,一是在期望工作点附件调节发动机性能;二是确定由飞行员(或地面工作人员)操作指令对应的是什么工作状态。这些指令一般指的是油门杆位置或功率杆位置。4.1 单轴以及双轴发动机控制选择PID控制器 利用根轨迹法与频域法设计控制器4.2稳态控制中的某些实际问题 4.1.1 不同控制律下的发动机响应 4.1.2 用燃油流量比作控制变量理由有三:1、由于燃油流量比(燃油流量与压气机出口压力之比)与主燃油室的油气比存在正比关系;2、当发动机发生喘振时,它提供一种自动消除喘振的特性;3、它通过减小控制器增益常数(或在较小范围内变化)而简化了控制律。过渡态和限制控制器设计过渡态控制器设计是其中最为复杂的情况。过渡态控制覆盖了若干不同的稳态工作点的转速范围,本质上属于非线性系统,而且必须在过渡态运行期间保护发动机不超过它的工作极限范围。如:转子转速的物理极限、涡轮叶片的最大工作温度、燃烧室最大工作压力、压缩系统的喘振(或失速)极限。过渡态控制目的有二:一是改变发动机工作状态使之从一个状态转移至另一个状态;二是当这些状态改变时,保证发动机不超过它的工作极限范围。压气机特性图:空气质量流量——增压比5.1 基于计划的过渡态控制器过渡态计划(加减速计划)何为控制计划???任何一台发动机的加速减速过程都是起止于稳态控制器的,稳态控制器将控制权交给加速计划的时刻是由与稳态点对应的起点转速和终点转速的转速差决定的。加速控制:稳态控制器至少由两个基本的控制律组成,即比例控制与积分控制,表示如下:,式中表征转速误差(指令值与测量值之差)。则加速控制逻辑可以表示为:(取小操作:取稳态控制器输出,加速计划和稳态偏差之间的最小值)若,则;若,则。其中表示给燃油流量计量阀的燃油流量指令偏差;表示加速计划上的燃油流量值,是稳态点的稳态燃油流量值。减速控制:取大操作若,则;若,则。存在的问题:发动的非线性特性严重影响稳态控制器的设计,发动机在接近起飞功率状态时,时域响应速度比慢车状态快3-5倍,这
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