一种飞机进气道闭环流动控制装置和控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种飞机进气道闭环流动控制装置和控制方法，控制装置由微射流调压阀、信号处理器、实时控制器、压力传感器和脉动压力传感器组成，通过实时调节微射流的压力，实现对进气道流动的闭环流动控制。控制方法包含以下步骤：a.判断压力传感器故障；b.判断脉动压力传感器故障；c．计算无量纲反馈值；d.计算控制目标值；e.判断系统稳态和更新控制指令；f.信号测量和处理；g．重复步骤a~f。本发明专利技术的飞机进气道闭环流动控制装置和控制方法，能够减少传感器使用数量、提高控制系统的可靠性和可维护性、降低控制系统对飞行状态的敏感度，有利于简化控制律设计并提升控制效果。

【技术实现步骤摘要】
一种飞机进气道闭环流动控制装置和控制方法
本专利技术属于喷气式飞机推进系统领域，具体涉及一种飞机进气道闭环流动控制装置和方法。
技术介绍
喷气式飞机进气道的主要作用是为发动机提供总压损失小、流场畸变小和流场脉动弱的气流。进气道的气动性能对发动机推力、稳定性和耐久性有直接影响，进而影响到飞机的飞行性能。现代高隐身飞机普遍采用蛇形进气道，进气道的主要气动问题包括二次流动、分离流动及产生流动损失、畸变和脉动。利用流动控制技术减弱或抑制进气道的流动分离，可以显著提高进气道的气动性能。现有的流动控制技术以被动方法为主，主要是在进气道内壁面安装扰流片，面临的问题是设计点单一、非设计点性能显著下降、扰流片疲劳破裂进而影响发动机安全。基于微射流的流动控制技术能够根据飞行状态进行闭环控制，能适应现代高性能隐身飞机宽广的飞行包线，达到最优控制。有关微射流的相关控制技术已在美国专利8894019B2、8303024B2、8225592B1、6837456B1上披露，但并未涉及进气道闭环流动控制应用。美国曾提出一种基于微射流的闭环流动控制方法，其特征是：直接使用4个脉动压力均方根值计算有量纲的反馈值，使用单区PID控制律调节微射流压力，最终使反馈值与控制目标值的误差趋近于零。该控制方法主要存在以下两个问题。1）通常，随着微射流压力的增大，脉动压力均方根值会不断减小，但是当微射流压力超过一个门限压力后，脉动压力均方根值会达到最小并且保持不变，直接使用脉动压力均方根值计算的反馈值也会达到最小并且保持不变。这个门限压力就是最佳微射流压力。当微射流压力超过门限压力后，控制系统达到的控制效果是一样的。此时，一旦控制系统存在超调，就会导致微射流稳定到高压力的状态，从而造成能量浪费。此外，有量纲的反馈值对飞行状态参数比较敏感，不利于机动状态下的控制律设计。试验表明，该方法在机动状态下的控制误差很大。2）从系统可靠性角度看，该方法使用了四个脉动压力传感器，且未考虑冗余设计，因此系统可靠性不高。
技术实现思路
本专利技术要解决的一个技术问题是提供了一种飞机进气道闭环流动控制装置，本专利技术要解决的另一个技术问题是提供了一种飞机进气道闭环流动控制方法。本专利技术的飞机进气道闭环流动控制装置，其特点是，包括包括微射流调压阀、信号处理器、实时控制器、第一传感器和脉动压力传感器。微射流调压阀的进气端与发动机的引气口相连，出气端与微射流的稳压腔相连，稳压腔位于进气道的外表面上。脉动压力传感器的数量为m，m≥2，安装在进气道的出口截面上，用于测量壁面不同位置处的脉动压力，得到脉动压力信号并输出至信号处理器；所述的第一传感器的数量为n，n≥2，安装在稳压腔的内壁面上，用于测量微射流的压力，得到微射流压力信号并输出至信号处理器。信号处理器包括信号调理器、低通滤波器、带通滤波器和均方根计算器；第一传感器的微射流压力信号经信号调理器放大、低通滤波器低通滤波后输出至实时控制器的输入端；脉动压力传感器的脉动压力信号经信号调理器放大、带通滤波器带通滤波、均方根计算器计算均方根后，输出至实时控制器的输入端。实时控制器包括输入端、输出端、处理器和存储器；输入端接收飞控系统发出的飞行状态参数、信号处理器发出的微射流压力信号和脉动压力均方根信号，并转化为数字信号；处理器读取输入端的数字信号，同时将数字信号保存在存储器中，处理器利用存储器中的第一传感器故障判断程序、脉动压力传感器故障判断程序、反馈计算程序、控制目标计算程序、稳态判断程序、分区PID控制程序计算控制指令并输出至输出端；输出端将控制指令的数字信号转换为模拟信号后输出至微射流调压阀。信号处理器为每一个微射流压力信号和脉动压力信号各分派一个独立的处理通道。飞行状态参数包括飞行速度、飞机姿态、飞行高度。第一传感器每次使用1个，剩余的第一传感器为备份。脉动压力传感器每次使用1~2个，剩余的脉动压力传感器为备份。本专利技术的飞机进气道闭环流动控制方法，其特点是，包括以下步骤：a.判断第一传感器故障实时控制器读取信号处理器输出的微射流压力信号，根据存储器中的第一传感器故障判断程序，判断当前使用的1个第一传感器是否故障；如果判断结果为否，继续使用该传感器，并取其测量的微射流压力值为Pj；如果判断结果为是，在剩余的n-1个第一传感器中选择1个工作正常的第一传感器，并取其测量的微射流压力值为Pj；如果所有的n个第一传感器均发生故障，则关闭控制系统。b.判断脉动压力传感器故障实时控制器读取信号处理器输出的脉动压力均方根信号，根据存储器中的脉动压力传感器故障判断程序，判断当前使用的1个或2个脉动压力传感器是否故障；如果判断结果为否，则继续使用，并计算测量的脉动压力均方根值为Δprmsi，i=1或i=2；如果判断结果为是，在剩余的脉动压力传感器中重新选择工作正常的1个或2个脉动压力传感器，并计算测量的脉动压力均方根值为Δprmsi，i=1或i=2；如果所有的m个脉动压力传感器均发生故障，则关闭控制系统。c．计算无量纲反馈值实时控制器利用Δprmsi除以Pj得到无量纲的Δprmsi/Pj，再根据使用的第一传感器编号、脉动压力传感器编号和数量、存储器中的反馈值计算程序，选择反馈值计算模型f，计算出表征控制效果的无量纲反馈值Hres：当使用1个脉动压力传感器时，反馈值计算模型f为：或d.计算控制目标值实时控制器根据当前飞行状态参数、第一传感器编号、脉动压力传感器编号和数量、存储器中的控制目标计算程序和反馈值计算模型f，计算相对应的控制目标值Href。e.判断系统稳态和更新控制指令实时控制器根据存储器中的稳态判断程序、Href和Hres的误差值，判断系统是否处于稳态；若判断结果为是，则维持当前的控制指令，否则根据分区PID控制程序计算控制指令；微射流调压阀根据控制指令调节微射流压力，进而影响进气道内分离涡的状态，使得进气道出口截面的脉动压力传感器的测量值发生变化。f.信号测量和处理第一传感器和脉动压力传感器分别测量得到更新后的微射流压力信号和脉动压力信号，信号处理器将微射流压力信号和脉动压力信号处理后后输出至实时控制器，重复步骤a~f，直到停止闭环控制。脉动压力均方根值的统计时间为0.5秒~1.0秒。飞行状态参数达到稳态的稳态判断准则为：飞行状态参数在5分钟以内保持不变以及Href和Hres的相对误差在±5%以内。本专利技术的飞机进气道闭环流动控制装置和控制方法具有以下优势：（1）仅使用1~2个脉动压力传感器，系统发生故障的概率得到降低，且对第一传感器和脉动压力传感器进行了备份，在部分第一传感器和脉动压力传感器发生故障后仍能够确保控制系统正常工作；（2）在装置中增加了第一传感器，并利用微射流压力计算无量纲的反馈值，不仅有利于降低控制系统对飞行状态参数的敏感度，还能够确保反馈值随着微射流压力的增大而单调减小，使得控制系统即便在超调状态下也能够精确稳定到最佳控制点，不会造成过多的能量浪费；（3）使用微射流压力计算无量纲的反馈值，使得反馈值的变化范围较大，从而导致控制误差变化范围大，对控制系统的控制精度影响较大。采用分区PID控制，即在不同误差带设置不同的PID控制参数（包括比例增益、积分增益和微分增益），可解决控制误差变化范围大的问题，提高控制系统的控制精度，特别本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种飞机进气道闭环流动控制装置，其特征在于，所述的控制装置包括微射流调压阀（21）、信号处理器（3）、实时控制器（4）、压力传感器（24）和脉动压力传感器（25）；所述的微射流调压阀（21）的进气端与发动机（12）的引气口相连，出气端与微射流（23）的稳压腔（22）相连，稳压腔（22）位于进气道（11）的外表面上；所述的脉动压力传感器（25）的数量为m，m≥2，安装在进气道（11）的出口截面上，用于测量壁面不同位置处的脉动压力，得到脉动压力信号并输出至信号处理器（3）；所述的压力传感器（24）的数量为n，n≥2，安装在稳压腔（22）的内壁面上，用于测量微射流（23）的压力，得到微射流压力信号并输出至信号处理器（3）；所述的信号处理器（3）包括信号调理器、低通滤波器、带通滤波器和均方根计算器；压力传感器（24）的微射流压力信号经信号调理器放大、低通滤波器低通滤波后输出至实时控制器（4）的输入端；脉动压力传感器（25）的脉动压力信号经信号调理器放大、带通滤波器带通滤波、均方根计算器计算均方根后，输出至实时控制器（4）的输入端；所述的实时控制器（4）包括输入端、输出端、处理器和存储器；输入端接收飞控系统发出的飞行状态参数、信号处理器（3）发出的微射流压力信号和脉动压力均方根信号，并转化为数字信号；处理器读取输入端的数字信号，同时将数字信号保存在存储器中，处理器利用存储器中的压力传感器故障判断程序、脉动压力传感器故障判断程序、反馈计算程序、控制目标计算程序、稳态判断程序、分区PID控制程序计算控制指令并输出至输出端；输出端将控制指令的数字信号转换为模拟信号后输出至微射流调压阀（21）。...

【技术特征摘要】
1.一种飞机进气道闭环流动控制装置，其特征在于，所述的控制装置包括微射流调压阀（21）、信号处理器（3）、实时控制器（4）、第一传感器（24）和脉动压力传感器（25）；所述的微射流调压阀（21）的进气端与发动机（12）的引气口相连，出气端与微射流（23）的稳压腔（22）相连，稳压腔（22）位于进气道（11）的外表面上；所述的脉动压力传感器（25）的数量为m，m≥2，安装在进气道（11）的出口截面上，用于测量壁面不同位置处的脉动压力，得到脉动压力信号并输出至信号处理器（3）；所述的第一传感器（24）的数量为n，n≥2，安装在稳压腔（22）的内壁面上，用于测量微射流（23）的压力，得到微射流压力信号并输出至信号处理器（3）；所述的信号处理器（3）包括信号调理器、低通滤波器、带通滤波器和均方根计算器；第一传感器（24）的微射流压力信号经信号调理器放大、低通滤波器低通滤波后输出至实时控制器（4）的输入端；脉动压力传感器（25）的脉动压力信号经信号调理器放大、带通滤波器带通滤波、均方根计算器计算均方根后，输出至实时控制器（4）的输入端；所述的实时控制器（4）包括输入端、输出端、处理器和存储器；输入端接收飞控系统发出的飞行状态参数、信号处理器（3）发出的微射流压力信号和脉动压力均方根信号，并转化为数字信号；处理器读取输入端的数字信号，同时将数字信号保存在存储器中，处理器利用存储器中的压力传感器故障判断程序、脉动压力传感器故障判断程序、反馈计算程序、控制目标计算程序、稳态判断程序、分区PID控制程序计算控制指令并输出至输出端；输出端将控制指令的数字信号转换为模拟信号后输出至微射流调压阀（21）。2.根据权利要求1所述的飞机进气道闭环流动控制装置，其特征在于，所述的信号处理器（3）为每一个微射流压力信号和脉动压力信号各分派一个独立的处理通道。3.根据权利要求1所述的飞机进气道闭环流动控制装置，其特征在于，所述的飞行状态参数包括飞行速度、飞机姿态、飞行高度。4.根据权利要求1所述的飞机进气道闭环流动控制装置，其特征在于，所述的第一传感器（24）每次使用1个，剩余的第一传感器（24）为备份。5.根据权利要求1所述的飞机进气道闭环流动控制装置，其特征在于，所述的脉动压力传感器（25）每次使用1个~2个，剩余的脉动压力传感器（25）为备份。6.一种飞机进气道闭环流动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：a.判断第一传感器（24）是否存在故障；实时控制器（4）读取信号处理器（3）输出的微射流压力信号，根据存储器中的第一传感器故障判断程序，判断当前使用的1个...

【专利技术属性】
技术研发人员：达兴亚，吴军强，曾利权，周润，杨可，杜宁，冯黎明，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51