本发明专利技术公开了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，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；(2)航空发动机稳定裕度估计及主动稳定性控制方法；(3)航空发动机失稳预测及主动防喘控制方法；(4)航空发动机主动稳定性复合控制方法。本发明专利技术针对航空发动机气动稳定性问题，通过压气机部件扩稳、剩余稳定裕度利用、主动防喘三个不同角度来提高发动机气动稳定性，获得一种喘振裕度可随应用需求动态调控的，适合航空发动机主动稳定性控制特点和工程应用背景的调控策略与算法，其满足实际使用要求。
【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及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，属于航空发动机稳定性控制
技术介绍
第四代战斗机的五个典型的技术特征是：隐形、超声速巡航、高机动性、综合航电和自主后勤。这些优越特性的实现离不开S形进气道和高推重比发动机的使用以及过失速机动的运用，但同时也使得进气畸变对压气机稳定性的不利影响越来越大，对发动机稳定性提出了更高的要求；发动机面临着高压比、高效率、高稳定性与高抗畸变能力综合寻优挑战，发动机性能与稳定性之间的矛盾越来越突出，对于我国在研制的高性能发动机乃至未来更高推重比的发动机来说，稳定性问题将变得更加突出，是新一代航空发动机研制成败的关键问题和技术“瓶颈”。航空发动机气动稳定性控制的难点在于稳定边界的不确定性。诸如进气畸变、发动机部件性能退化、制造及装配误差等等因素都会导致发动机稳定边界的移动。气动稳定性控制方法包括被动控制方法和主动控制方法。当前的航空发动机气动稳定性控制采用的是被动控制方法，其控制策略是建立在失稳控制线的基础上，结合短时增稳控制系统与失稳复原控制系统来解决发动机的不稳定工作问题。以失稳控制线、短时增稳控制系统及失稳复原系统为核心的被动控制策略已经发展较为成熟，在第三代战斗机的动力装置中得到了广泛的应用，很好地保证了发动机与飞机的安全。然而，失稳控制线保守的稳定裕度、短时增稳控制系统的开环性及失稳复原控制系统的事后性，使得传统的失稳控制策略具有诸多致命的缺陷，主要体现在以下几个方面：(1)失稳控制线的存在使得发动机的性能无法得到充分的发挥，在相同的性能需求下，不得不选择性能更高的发动机，这将导致发动机的重量大幅增加，推重比大幅减小；(2)失稳控制线缩小了发动机的工作范围，使得剩余喘振裕度无法得到有效利用，从而降低了发动机的可操作性和飞机的机动性；(3)短时增稳控制系统为开环控制，意味着不管发动机是否真的面临失稳危险，飞行员都会强制启动，这种保守的控制措施，无疑也将降低发动机的性能；(4)失稳复原控制系统启动时，发动机已经处于气动失稳状态，如果进入“不可恢复性失速”，失稳复原控制系统将无法发挥作用，而不得不空中停车重新启动，即便能成功地退出失稳状态，短暂的失稳也将加速发动机的老化，缩短发动机的使用寿命。
技术实现思路
本专利技术正是针对现有技术存在的不足，针对航空发动机气动稳定性问题，通过压气机部件扩稳、剩余稳定裕度利用、主动防喘三个不同角度来提高发动机气动稳定性，获得一种喘振裕度可随应用需求动态调控的，适合航空发动机主动稳定性控制特点和工程应用背景的调控策略与算法，其满足实际使用要求。为解决上述问题，本专利技术所采取的技术方案如下：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，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策略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策略，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律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，其控制策略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等实验中，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策略，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MG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，可采用较低的采样频率，并且可以直接进行频率分析，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，可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)主动防喘控制策略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)采集发动机压力等对于旋转失速和喘振敏感的参数信号；(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，主动防喘控制器可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，其控制策略如图6所示：该控制策略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。作为上述技术方案的改进，在上述(2.2)的实际应用中，喘振裕度估本文档来自技高网...
【技术保护点】
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策略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策略，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律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，其控制策略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等实验中，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策略，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MG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，可采用较低的采样频率，并且可以直接进行频率分析，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，可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)主动防喘控制策略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)采集发动机压力等对于旋转失速和喘振敏感的参数信号；(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，主动防喘控制器可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，该控制策略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。...
【技术特征摘要】
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策略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策略，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律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，其控制策略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等实验中，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策略，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MG模型及混沌时间序列对发...
【专利技术属性】
技术研发人员：盛汉霖，李嘉诚，张杰，李泽凡，黄伟，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32
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