涡轴发动机双发扭矩匹配控制方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种涡轴发动机双发扭矩匹配控制方法，通过对双发动机的燃油流量进行实时优化来实现涡轴发动机双发扭矩匹配控制，该方法除了考虑转速控制指标外，还在目标函数中引入两台发动机的输出扭矩之差作为惩罚项。不仅能适用于不同飞行条件下涡轴发动机动力涡轮转速闭环控制，在有效减小直升机机动飞行时动力涡轮转速超调与下垂量，实现涡轴发动机快速响应控制的同时，缩短双发扭矩匹配的时间，完成快速扭矩匹配控制。本发明专利技术还公开了一种涡轴发动机双发扭矩匹配控制装置。本发明专利技术可在有效减小直升机机动飞行时动力涡轮转速超调与下垂量，实现涡轴发动机快速响应控制的同时，缩短双发扭矩匹配的时间，完成快速扭矩匹配控制。

【技术实现步骤摘要】
涡轴发动机双发扭矩匹配控制方法及装置
本专利技术涉及一种涡轴发动机双发扭矩匹配控制方法，属于航空宇航推进理论与工程中的系统控制与仿真

技术介绍
自20世纪90年代以来，直升机电子系统朝着高度综合化的方向发展。而现代武装直升机的作战环境日益严峻，提高攻击力和机动能力已成为直升机提高自身生存力所追求的目标。涡轴发动机因具有更高的功率储备以及更宽广的飞行包线(参见文献[一种涡轴发动机系统应急状态快速响应控制方法])，成为现代直升机动力装置的不二选择。由于旋翼负载的要求，直升机往往配置两台或多台涡轴发动机并列运行。然而即使是同一型号的发动机，由于制造误差及使用中不同程度的性能退化，每台发动机的性能也并不完全相同，因此，在双发乃至多发共同驱动同一直升机的情况下，常规的基于PI控制器的串级双回路控制结构无法保证每台发动机在同一时刻输出的功率相同，这使得直升机的操纵变得不稳定(参见文献[NASAGlennresearchincontrolsanddiagnosticsforintelligentaerospacepropulsionsystems[M]])。此时，需要发动机控制系统能够通过匹配控制策略实现负载的平均分担。多发匹配策略需均衡传动系统寿命、发动机寿命、单个发动机性能退化等因素，因此如何更有效地实现双发乃至多发匹配控制一直是直升机界的一大难题，与此同时也引起了一些学者的关注。GaulminFX设计了一种燃油测量系统并提出了一种双发功率匹配方法。该方法将两台发动机的限制边界转化成功率边界，通过比较两者的功率边界值进而加速具有较大功率裕度的发动机，以匹配两台发动机间的功率(参见文献[Balancingthepoweroftwoturboshaftenginesofanaircraft[P]])。ShiR建立了三发匹配下直升机旋翼综合模型，提出了单边、双边扭矩匹配方法。双边匹配可同时改变两台发动机的燃油流量，消除两台发动机的输出扭矩之差，从而尽快实现扭矩匹配。数值仿真结果表明：双边匹配比单边匹配稳定时间更短(参见文献[Integratedmodelandmatchingcontrolofturboshafttripleengineswithhelicopterrotor[C]])。杨超为了应对多发驱动直升机时，单个发动机性能衰退所引发的输出功率不平衡问题(参见文献[[涡轴发动机双回路PI控制器多发功率匹配[J]]])。将常规串级PID控制回路的外回路改为直接功率控制回路，结合旋翼需求功率机载模型，构建了涡轴发动机多发功率平衡匹配控制系统，可使性能衰退程度不同的2台发动机输出相同的功率。多发功率匹配控制与涡轴发动机恒转速控制相互耦合、影响，难以折中。对于常规的涡轴发动机串级PID控制结构而言，因不具备预测、解耦功能，很难取得高品质的控制效果，因此为了实现多台发动机功率匹配控制，难免需牺牲涡轴发动机动力涡轮转速的动态响应性能。相反，模型预测控制作为一种基于模型的控制方法，对模型精度的要求不高，可用于求解时变非线性系统耦合控制问题(参见文献[Stateoftheartoffinitecontrolsetmodelpredictivecontrolinpowerelectronics[J]])。如鲁棒MPC和非线性模型预测控制(NMPC)。这些方法可有效地解决含复杂约束和扰动的耦合非线性系统控制问题。王健康基于直升机/涡轴发动机综合仿真平台研究了涡轴发动机带约束优化的非线性模型预测控制技术，基于多输出迭代约简最小二乘支持向量回归机(RRLSSVR)，设计了单涡轴发动机模型预测控制器(参见文献[基于直升机/涡轴发动机综合仿真平台的发动机非线性模型预测控制[J]])。但研究成果仅涉及单发驱动直升机的情形，而无法适用于双发匹配下涡轴发动机转速闭环控制。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种涡轴发动机双发扭矩匹配控制方法，不仅能适用于不同飞行条件下涡轴发动机动力涡轮转速闭环控制，在有效减小直升机机动飞行时动力涡轮转速超调与下垂量，实现涡轴发动机快速响应控制的同时，缩短双发扭矩匹配的时间，完成快速扭矩匹配控制。本专利技术涡轴发动机双发扭矩匹配控制方法，通过对以下优化模型进行求解来获得两台涡轴发动机A、B的燃油流量Wfb,A、Wfb,B：其中，下标A、B分别表示涡轴发动机A、B，下标min、max分别表示最小值、最大值，TQe、Wfb、pnc、T41分别为涡轴发动机的输出扭矩、燃油流量、燃气涡轮转速与涡轮前温度，H、νc分别为飞行高度与前飞速度；pnp为动力涡轮相对转速，TQr为旋翼需求扭矩，NT为直升机旋翼到动力涡轮物理转速的传动比，ω1、ω2为权系数，μ为罚因子，ε为阈值，P为预测时域，k表示当前采样时刻，Δ为当前时刻相对于前一时刻的变化量，i为计数器；sat函数定义为进一步地，通过具有双发动态耦合特性模拟功能的双涡轴发动机机载模型来对A、B两台涡轴发动机的燃气涡轮转速、涡轮前温度、输出扭矩、动力涡轮相对转速、旋翼需求扭矩进行预测；所述双涡轴发动机机载模型是以当前时刻两台涡轴发动机的燃气涡轮转速、涡轮前温度、输出扭矩、动力涡轮相对转速、旋翼需求扭矩为输出，以历史时刻两台涡轴发动机的飞行高度、前飞速度、燃油流量、燃气涡轮转速、涡轮前温度、输出扭矩、旋翼需求扭矩、动力涡轮相对转速以及当前时刻的飞行高度、前飞速度、燃油流量作为输入，通过采用神经网络离线训练得到。优选地，所述神经网络为最小批量梯度下降法神经网络。优选地，所述双涡轴发动机机载模型的输入中的涡轮前温度，根据实测的动力涡轮相对转速、旋翼需求扭矩以及双涡轴发动机机载模型所对应的预测值，通过使用无迹卡尔曼滤波器在线估计得到。优选地，使用序列二次优化算法求解所述优化模型。根据相同的专利技术思路还可以得到以下技术方案：涡轴发动机双发扭矩匹配控制装置，包括在线优化单元，用于通过对以下优化模型进行求解来获得两台涡轴发动机A、B的燃油流量Wfb,A、Wfb,B：其中，下标A、B分别表示涡轴发动机A、B，下标min、max分别表示最小值、最大值，TQe、Wfb、pnc、T41分别为涡轴发动机的输出扭矩、燃油流量、燃气涡轮转速与涡轮前温度，H、νc分别为飞行高度与前飞速度；pnp为动力涡轮相对转速，TQr为旋翼需求扭矩，NT为直升机旋翼到动力涡轮物理转速的传动比，ω1、ω2为权系数，μ为罚因子，ε为阈值，P为预测时域，k表示当前采样时刻，Δ为当前时刻相对于前一时刻的变化量，i为计数器；sat函数定义为：进一步地，该装置还包括具有双发动态耦合特性模拟功能的双涡轴发动机机载模型，用于对A、B两台涡轴发动机的燃气涡轮转速、涡轮前温度、输出扭矩、动力涡轮相对转速、旋翼需求扭矩进行预测；所述双涡轴发动机机载模型是以当前时刻两台涡轴发动机的燃气涡轮转速、涡轮前温度、输出扭矩、动力涡轮相对转速、旋翼需求扭矩为输出，以历史时刻两台涡轴发动机的飞行高度、前飞速度、燃油流量、燃气涡轮转速、涡轮前温度、输出扭矩、旋翼需求扭矩、动力涡轮相对转速以及当前时刻的飞行高度、前飞速度、燃油流量作为输入，通过采用神经网络离线训练得到。优选地，所述神经网络为最小批量梯度下降法神经网络。进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.涡轴发动机双发扭矩匹配控制方法，其特征在于，通过对以下优化模型进行求解来获得两台涡轴发动机A、B的燃油流量Wfb,A、Wfb,B：

【技术特征摘要】
1.涡轴发动机双发扭矩匹配控制方法，其特征在于，通过对以下优化模型进行求解来获得两台涡轴发动机A、B的燃油流量Wfb,A、Wfb,B：其中，下标A、B分别表示涡轴发动机A、B，下标min、max分别表示最小值、最大值，TQe、Wfb、pnc、T41分别为涡轴发动机的输出扭矩、燃油流量、燃气涡轮转速与涡轮前温度，H、νc分别为飞行高度与前飞速度；pnp为动力涡轮相对转速，TQr为旋翼需求扭矩，NT为直升机旋翼到动力涡轮物理转速的传动比，ω1、ω2为权系数，μ为罚因子，ε为阈值，P为预测时域，k表示当前采样时刻，Δ为当前时刻数值相对于前一时刻的变化量，i为计数器；sat函数定义为2.如权利要求1所述涡轴发动机双发扭矩匹配控制方法，其特征在于，通过具有双发动态耦合特性模拟功能的双涡轴发动机机载模型来对A、B两台涡轴发动机的燃气涡轮转速、涡轮前温度、输出扭矩、动力涡轮相对转速、旋翼需求扭矩进行预测；所述双涡轴发动机机载模型是以当前时刻两台涡轴发动机的燃气涡轮转速、涡轮前温度、输出扭矩、动力涡轮相对转速、旋翼需求扭矩为输出，以历史时刻两台涡轴发动机的飞行高度、前飞速度、燃油流量、燃气涡轮转速、涡轮前温度、输出扭矩、旋翼需求扭矩、动力涡轮相对转速以及当前时刻的飞行高度、前飞速度、燃油流量作为输入，通过采用神经网络离线训练得到。3.如权利要求2所述涡轴发动机双发扭矩匹配控制方法，其特征在于，所述神经网络为最小批量梯度下降法神经网络。4.如权利要求2所述涡轴发动机双发扭矩匹配控制方法，其特征在于，所述双涡轴发动机机载模型的输入中的涡轮前温度，根据实测的动力涡轮相对转速、旋翼需求扭矩以及双涡轴发动机机载模型所对应的预测值，通过使用无迹卡尔曼滤波器在线估计得到。5.如权利要求1～4任一项所述涡轴发动机双发扭矩匹配控制方法，其特征在于，使用序列二次优化算法求解所述优化模型。6.涡轴发动机双发扭...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪勇，符大伟，彭晔榕，郑前钢，张海波，
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