一种涡轴发动机自适应部件级仿真模型构建方法技术

本发明专利技术公开了一种涡轴发动机自适应部件级仿真模型构建方法，包括以下步骤：步骤A，根据涡轴发动机各部件气动热力学特性，获得涡扇发动机各个工作截面的参数，建立涡轴发动机慢车以上状态的非线性部件级动态通用模型；步骤B，设计容积跟踪滤波器，估算得到的非线性部件级动态通用模型中的涡轴发动机气路部件不可测的性能特征参数；气路部包括压气机、燃气涡轮、动力涡轮；步骤C，利用估算出的性能特征参数自动修正各气路部件的流量和效率特性图，将调整后的气路部件特性参数用于部件气动热力参数的计算，得到修正后的模型输出数据，建立慢车以上状态的自适应部件级仿真模型。本发明专利技术解决了涡轴发动机个体差异与性能蜕化引起的模型失配问题。

【技术实现步骤摘要】
一种涡轴发动机自适应部件级仿真模型构建方法
本专利技术涉及航空发动机建模与仿真领域，尤其涉及一种涡轴发动机自适应部件级仿真模型构建方法。
技术介绍
涡轴发动机工作在高温、高速、强振动、大应力的恶劣环境下，发动机工作状态经常变化，对安全性和可靠性要求较高。发动机自适应模型建模技术的研究一直是一项重要课题，发动机自适应模型能反映发动机之间的差异以及使用期内性能蜕化等因素对发动机性能的影响，是发动机自适应调整控制、保证发动机正常工作的基础。同时发动机控制系统传感器故障诊断、隔离和容错控制等技术的实现也需要准确的发动机模型作为前提条件，所以建立精确的自适应模型具有重要的理论意义和工程实用价值。对于基于模型的发动机控制和估计系统而言，考虑到发动机之间存在着个体差异、实际发动机零件的安装公差及使用期内的性能蜕化等因素的影响，对应的模型若不加以适当的调整，则不能满足在线性能寻优控制或故障诊断的精度要求，所设计的控制和估计系统性能出现不同程度的下降，无法达到设计的工作状态。涡轴发动机的主流仿真模型有两种：非线性部件级模型和线性模型。发动机线性模型实在发动机非线性部件级模型的基础上，对模型进行局部线性化，建立状态变量模型和稳态基点模型，利用线性卡尔曼滤波器实现部件性能参数的估计与自适应。线性模型计算量较小、对资源消耗低，但这一方法在对非线性模型线性化时，不可避免地会引入二次建模误差，且线性模型对于发动机动态过程的拟合精度较低。发动机非线性部件级模型建模方法主要有转子动力学法和容积动力学法。相对于发动机线性模型，非线性部件级模型不会引入二次建模误差，对于发动机的动态过程具有较高的跟踪精度，能较准确的模拟包线内涡轴发动机的不同工况。非线性部件级模型是依据试车数据和各部件热力学原理建立的通用模型，没有考虑发动机个体差异和寿命期内性能蜕化引起的模型误差，当非线性模型适配发动机个体时，需要利用经验手动调整发动机气路部件特性图，这将带来巨大工作量。随着滤波估计技术的发展，一些非线性卡尔曼滤波器可以直接应用于非线性系统，避免模型的线性化，实现较为准确的状态估计。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种涡轴发动机自适应部件级仿真模型构建方法，以解决涡轴发动机个体差异与性能蜕化引起的模型失配问题。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种涡轴发动机自适应部件级仿真模型构建方法，包括以下步骤：步骤A，根据涡轴发动机各部件气动热力学特性，获得涡扇发动机各个工作截面的参数，建立涡轴发动机慢车以上状态的非线性部件级动态通用模型；步骤B，设计容积跟踪滤波器，估算步骤A得到的非线性部件级动态通用模型中的涡轴发动机气路部件不可测的性能特征参数；气路部包括压气机、燃气涡轮、动力涡轮；步骤C，利用步骤B估算出的性能特征参数自动修正各气路部件的流量和效率特性图，将调整后的气路部件特性参数用于部件气动热力参数的计算，得到修正后的模型输出数据，建立慢车以上状态的自适应部件级仿真模型。所述步骤A的具体步骤如下：步骤A1，根据涡轴发动机各部件气动热力学特性、设计点参数以及试车数据建立慢车以上状态的涡轴发动机各部件的数学模型，再根据流量连续、功率平衡及转子动力学原理建立各部件之间的共同工作方程，最后使用非线性方程数值解法迭代求解，获得发动机各个工作截面的参数，实现慢车以上状态的涡轴发动机非线性部件级动态通用模型的建立；并引入发动机气路部件性能特征参数来表征发动机个体性能差异或者使用时间带来的性能蜕化，气路部件性能特征参数选取旋转部件的效率系数SEi和流量系数SWi，定义如下式中：ηi,wi为部件的实际效率和流量，而为部件效率和流量的理想值；步骤A2，选择需要使用的发动机模型工作截面的传感器量测参数，包括：动力涡轮转速NP，燃气涡轮转速NG，压气机出口总温T3，压气机出口总压P3，动力涡轮入口总温T45，动力涡轮入口总压P45，动力涡轮出口总温T5，动力涡轮出口总压P5。所述步骤B的具体步骤如下：步骤B1，将步骤A中获得的各个工作截面的参数进行相似归一化处理；步骤B2，利用容积跟踪滤波器估计涡轴发动机气路部件不可测的性能特征参数，获得发动机气路部件性能调整的具体数值。所述步骤B2中利用容积跟踪滤波器计算不可测的气路部件性能特征参数的详细步骤如下：步骤B2.1，初始化性能特征参数向量的后验估计值和后验方差矩阵。步骤B2.2，根据上一时刻的性能特征参数后验估计和后验方差生成此时刻的性能特征参数容积点，调用非线性部件级动态通用模型并对各个性能特征参数容积点进行状态更新，计算性能特征参数一步预测的先验估计和先验方差；步骤B2.3，根据性能特征参数先验估计和先验方差选取新的性能特征参数容积点，调用非线性部件级动态通用模型并对性能特征参数容积点进行量测更新，计算自相关矩阵和互相关矩阵，进而获得卡尔曼增益矩阵；性能特征参数容积点值加权求和可得出此时刻的先验量测，计算得到这一时刻的性能特征参数的后验估计值和后验方差矩阵；步骤B2.4，以后时刻重复进行步骤B2.2和步骤B2.3完成性能特征参数的递推估计。所述步骤C的具体步骤如下：步骤C1，将所得的性能特征参数中各气路部件的效率、流量系数，输入至发动机部件级模型的对应部件中，更新气路部件的流量、效率特性图；在同样的折合转速下，保持各转子部件特性图曲线的压比坐标数值不变，将特性图中效率、流量的数值沿坐标轴方向进行缩放修正，对应的性能特征参数即为特性图中效率、流量曲线缩放的比例；步骤C2，将调整后的气路部件特性参数用于部件气动热力参数的计算，进行部件特性图调整后的非线性部件级模型各截面参数的计算，得到修正后的模型输出信号，建立慢车以上状态的自适应部件级仿真模型。所述步骤C1中，对于压气机部件，流量-压比图中，特性曲线沿x轴方向进行缩放，缩放比率为对应的压气机的流量性能特征参数；流量-效率图中，首先特性曲线沿x轴方向进行缩放，缩放比率为对应的压气机的流量性能特征参数，然后曲线沿y轴方向进行缩放，缩放比率为对应的压气机的效率性能特征参数；对于燃气涡轮、动力涡轮部件，效率-压比图中，特性曲线沿y轴方向进行缩放，缩放比率为对应的燃气涡轮、动力涡轮的效率性能特征参数；流量-压比图中，特性曲线沿y轴方向进行缩放，缩放比率为对应的燃气涡轮、动力涡轮的流量性能特征参数。有益效果：本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：(1)本专利技术提出的涡轴发动机自适应部件级仿真模型构建方法，直接使用非线性部件级模型实现仿真模型的自适应，对实际发动机个体动态过程的输出跟踪精度高，不会因为模型的线性化过程而引入二次建模误差；(2)本专利技术提出的涡轴发动机自适应部件级仿真模型构建方法，能减少因涡轴发动机个体差异和寿命期内性能蜕化引起的模型误差，具有较高的模型精度，减少目前利用经验手动调整发动机气路部件特性图所带来的巨大工作量；(3)本专利技术设计的涡轴发动机自适应部件级仿真模型，能获得涡轴发动机气路部件性能特征变化情况，为涡轴发动机视情维修提供性能参考依据。附图说明图1是涡轴发动机气路工作截面标识图；图2是涡轴发动机自适应部件级仿真模型原理图；图3是容积跟踪滤波器计算流程图；图4a-图4e是地面设计点模拟压气机性能变化的气路性能估计与涡轴发动机自适应部件级仿真模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种涡轴发动机自适应部件级仿真模型构建方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤A，根据涡轴发动机各部件气动热力学特性，获得涡扇发动机各个工作截面的参数，建立涡轴发动机慢车以上状态的非线性部件级动态通用模型；步骤B，设计容积跟踪滤波器，估算步骤A得到的非线性部件级动态通用模型中的涡轴发动机气路部件不可测的性能特征参数；气路部包括压气机、燃气涡轮、动力涡轮；步骤C，利用步骤B估算出的性能特征参数自动修正各气路部件的流量和效率特性图，将调整后的气路部件特性参数用于部件气动热力参数的计算，得到修正后的模型输出数据，建立慢车以上状态的自适应部件级仿真模型。

【技术特征摘要】
1.一种涡轴发动机自适应部件级仿真模型构建方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤A，根据涡轴发动机各部件气动热力学特性，获得涡扇发动机各个工作截面的参数，建立涡轴发动机慢车以上状态的非线性部件级动态通用模型；步骤B，设计容积跟踪滤波器，估算步骤A得到的非线性部件级动态通用模型中的涡轴发动机气路部件不可测的性能特征参数；气路部包括压气机、燃气涡轮、动力涡轮；步骤C，利用步骤B估算出的性能特征参数自动修正各气路部件的流量和效率特性图，将调整后的气路部件特性参数用于部件气动热力参数的计算，得到修正后的模型输出数据，建立慢车以上状态的自适应部件级仿真模型。2.根据权利要求1所述的涡轴发动机自适应部件级仿真模型构建方法，其特征在于：所述步骤A的具体步骤如下：步骤A1，根据涡轴发动机各部件气动热力学特性、设计点参数以及试车数据建立慢车以上状态的涡轴发动机各部件的数学模型，再根据流量连续、功率平衡及转子动力学原理建立各部件之间的共同工作方程，最后使用非线性方程数值解法迭代求解，获得发动机各个工作截面的参数，实现慢车以上状态的涡轴发动机非线性部件级动态通用模型的建立；并引入发动机气路部件性能特征参数来表征发动机个体性能差异或者使用时间带来的性能蜕化，气路部件性能特征参数选取旋转部件的效率系数SEi和流量系数SWi，定义如下式中：ηi,wi为部件的实际效率和流量，而为部件效率和流量的理想值；步骤A2，选择需要使用的发动机模型工作截面的传感器量测参数，包括：动力涡轮转速NP，燃气涡轮转速NG，压气机出口总温T3，压气机出口总压P3，动力涡轮入口总温T45，动力涡轮入口总压P45，动力涡轮出口总温T5，动力涡轮出口总压P5。3.根据权利要求1所述的涡轴发动机自适应部件级仿真模型构建方法，其特征在于：所述步骤B的具体步骤如下：步骤B1，将步骤A中获得的各个工作截面的参数进行相似归一化处理；步骤B2，利用容积跟踪滤波器估计涡轴发动机气路部件不可测的性能特征参数，获得发动机气路部件性能调整的具体数值。4.根据权利要求3所述的涡轴发动机自适应部件级仿真模型构建方法，其特征在于：所述步骤B1中，相似归一化过程如下：式中，下标ds表示涡轴发动机设计点参数，T2、P2为压气机进口总温和总压，NP为动力涡轮转速，NG为燃气涡轮转速，T3为压气机出口总温，P3为压气机出口总压，T45为动力涡轮入口总温，P45为动力涡轮入口总压，T5为动力涡轮出口总温，P5动为力涡轮出口总压，...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁峰，高天阳一，黄金泉，周文祥，吴斌，仇小杰，
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