基于功率需求预测的涡轴发动机抗扰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基于功率需求预测的涡轴发动机抗扰控制方法，以直升机功率需求预测模型对直升机下一时刻的需用功率进行实时预测，所述直升机功率需求预测模型的输入包括当前时刻的直升机的总距、尾桨总距、垂向速度的三次方、滚转角及涡轴发动机的动力涡轮相对转速；当下一时刻的预测需用功率相对于当前时刻需用功率的变化率超过预设阈值时，进入过补偿限制并按预设规则计算生成新的需用功率作为下一时刻的预测需用功率；使用下一时刻的预测需用功率对涡轴发动机的燃气涡轮转速指令进行线性比例前馈补偿。本发明专利技术还公开了一种基于功率需求预测的涡轴发动机抗扰控制装置。本发明专利技术不仅能适用于不同飞行任务下涡轴发动机前馈抗扰控制，还能避免过补偿现象的发生。

【技术实现步骤摘要】
基于功率需求预测的涡轴发动机抗扰控制方法及装置
本专利技术涉及一种直升机的涡轴发动机控制方法，尤其涉及一种涡轴发动机抗扰控制方法，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
直升机是一个各子系统互相交联，互相影响，耦合性很强的系统。其动力装置——涡轴发动机，与直升机分别依靠动力涡轮轴与旋翼轴，通过传动系统相连。这种连接方式较为简单且便于驾驶员操纵，还可以在一定程度上抑制传动系统的扭振，但是这种方式要求传动系统所连接的两轴，转速均保持恒定。然而当直升机进行机动动作或者其他情况下工作状态发生改变时，直升机功率需求的改变并不能及时传递到发动机，因为旋翼具有很大的惯性，导致旋翼转速对直升机功率变化的响应较慢，进一步导致动力涡轮转速变化的延迟。涡轴发动机的主控制回路是根据动力涡轮转速给定值与反馈值的偏差进行燃油调节的，因此转速变化的延迟会造成燃油变化的延迟，从而造成发动机的响应速度的减慢。这时发动机的动力涡轮转速相对于稳态值会有较大的偏差，引发转速超调或下垂，从而影响旋翼转速，使得旋翼转速产生同样的超调或下垂，进一步影响整个直升机系统的稳定性。为了设计抗扰控制方法，提高发动机的性能，各国都进行了大量的研究。1974年美国CurranJ.J.等人提出了LDS(LoadDemandSpindle)前馈补偿方案，针对T700燃油控制系统，使用总距近似表征旋翼功率需求，在全包线内建立总距与燃油的映射关系，对燃油进行超前补偿，可惜这种方法只适用于直升机负载变化较大的情况，当负载变化较小时，总距并不能精确地反映旋翼功率。1993年，美国FrederickJ.Ebert等人设计了两种抗扰控制方法，有效提高了发动机稳定性：根据横向周期变距指令预测主旋翼扭矩的变化，从而在左右侧滚操纵期间将发动机和主旋翼转速下垂和超调降至最低；根据飞行员偏航指令，输入补偿燃油信号，从而减轻突然偏航机动期间发动机和旋翼转速下垂和超调的影响，并进行了过补偿保护。然而这两种方法仅适合于特定飞行状态下的燃油信号补偿。扭矩相比于总距，对需用功率的表述更准确一些，但是由于旋翼轴的柔性，使扭矩的测量产生了一定的延迟，2005年，美国RaymondD.Zagranski专利技术了一项预测发动机前馈扭矩的专利。在同一年，美国JamesT.Driscoll发表了一种使用多项式神经网络预测直升机主旋翼和尾桨旋翼所需总扭矩的方法。英法等国也开展了相关研究，所进行的“飞机/发动机综合控制(IFEC)”计划能够加快发动机响应，且根据直升机的飞行状态调整发动机动力涡轮转速以保证发动机转速平稳。国内汪勇基于增量非线性动态逆的原理，提出了一种基于发动机所需扭矩与实际输出扭矩误差的前馈控制方法，与常规的总距前馈和扭矩预测前馈控制相比，能有效地降低动力涡轮相对转速的超调量约14％。然而，直升机需求功率等于扭矩与动力涡轮转速的乘积，当转速受到扰动偏离稳态值时，扭矩并不能准确表征功率，两者变化趋势会有所不同；且这些方法并未考虑功率变化剧烈时，燃油产生过补偿的问题。美国所设计的方法虽然考虑到了过补偿限制，但前馈时需要针对不同飞行任务选择不同的前馈变量，都存在各种各样的不足。
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，提供一种基于功率需求预测的涡轴发动机抗扰控制方法，不仅能适用于不同飞行任务下涡轴发动机前馈抗扰控制，还能保证前馈补偿的有效性，避免过补偿现象的发生，防止补偿过程中发动机动力涡轮转速的超调或下垂量的增加，甚至补偿过度引起的下垂量变成超调，超调量变成下垂。本专利技术具体采用以下技术方案解决上述技术问题：一种基于功率需求预测的涡轴发动机抗扰控制方法，以直升机功率需求预测模型对直升机下一时刻的需用功率进行实时预测，所述直升机功率需求预测模型的输入包括当前时刻的直升机的总距、尾桨总距、垂向速度的三次方、滚转角及涡轴发动机的动力涡轮相对转速；当直升机功率需求预测模型输出的下一时刻的预测需用功率相对于当前时刻需用功率的变化率超过预设阈值时，进入过补偿限制并按预设规则计算生成新的需用功率作为下一时刻的预测需用功率；使用下一时刻的预测需用功率对涡轴发动机的燃气涡轮转速指令进行比例前馈补偿。优选方案之一，所述直升机功率需求预测模型使用逐步回归分析方法建立。优选方案之二，所述直升机功率需求预测模型使用神经网络训练得到，所述直升机功率需求预测模型的输入还包括前一时刻、前两时刻的直升机的总距、尾桨总距、垂向速度的三次方、滚转角及涡轴发动机的动力涡轮相对转速。进一步优选地，所述神经网络具有8个隐含层节点。基于同一专利技术构思还可以得到以下技术方案：一种基于功率需求预测的涡轴发动机抗扰控制装置，包括：直升机功率需求预测模型，用于对直升机下一时刻的需用功率进行实时预测，所述直升机功率需求预测模型的输入包括当前时刻的直升机的总距、尾桨总距、垂向速度的三次方、滚转角及涡轴发动机的动力涡轮相对转速；过补偿限制模块，用于当直升机功率需求预测模型输出的下一时刻的预测需用功率相对于当前时刻需用功率的变化率超过预设阈值时，按预设规则计算生成新的需用功率作为下一时刻的预测需用功率；前馈补偿模块，用于使用下一时刻的预测需用功率对涡轴发动机的燃气涡轮转速指令进行比例前馈补偿。优选方案之一，所述直升机功率需求预测模型使用逐步回归分析方法建立。优选方案之二，所述直升机功率需求预测模型使用神经网络训练得到，所述直升机功率需求预测模型的输入还包括前一时刻、前两时刻的直升机的总距、尾桨总距、垂向速度的三次方、滚转角及涡轴发动机的动力涡轮相对转速。进一步优选地，所述神经网络具有8个隐含层节点。相比现有技术，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术通过对直升机未来时刻需用功率进行实时预测，根据预测结果对涡轴发动机闭环控制主回路中的燃气涡轮转速指令位置进行线性比例前馈补偿，并在补偿过程中采用过补偿限制，不仅能适用于不同飞行任务下涡轴发动机前馈抗扰控制，还能保证前馈补偿的有效性，避免过补偿现象的发生，防止补偿过程中发动机动力涡轮转速的超调或下垂量的增加，甚至补偿过度引起的下垂量变成超调，超调量变成下垂。附图说明图1是本专利技术的涡轴发动机抗扰控制装置的结构框图；图2是直升机18个可测变量T检验值绝对值；图3是基于逐步回归分析法的功率需求预测模型输出与样本相对误差；图4是基于神经网络的功率需求预测模型输出与样本相对误差图；图5是过补偿限制流程图；图6是动力涡轮相对转速超调时预测抗扰控制效果对比；其中，(a)是动力涡轮相对转速对比图，(b)是逐步回归与神经网络预测模型功率和直升机需用功率对比图，(c)是逐步回归预测模型功率和直升机需用功率相对误差百分比图，(d)是神经网络预测模型功率和直升机需用功率相对误差百分比图，(e)是燃气涡轮相对转速对比图，(f)是燃油流量对比图，(g)是压气机出口压力对比图；(h)是动力涡轮出口温度对比图；图7是动力涡轮相对转速超本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于功率需求预测的涡轴发动机抗扰控制方法，其特征在于，以直升机功率需求预测模型对直升机下一时刻的需用功率进行实时预测，所述直升机功率需求预测模型的输入包括当前时刻的直升机的总距、尾桨总距、垂向速度的三次方、滚转角及涡轴发动机的动力涡轮相对转速；当直升机功率需求预测模型输出的下一时刻的预测需用功率相对于当前时刻需用功率的变化率超过预设阈值时，进入过补偿限制并按预设规则计算生成新的需用功率作为下一时刻的预测需用功率；使用下一时刻的预测需用功率对涡轴发动机的燃气涡轮转速指令进行比例前馈补偿。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于功率需求预测的涡轴发动机抗扰控制方法，其特征在于，以直升机功率需求预测模型对直升机下一时刻的需用功率进行实时预测，所述直升机功率需求预测模型的输入包括当前时刻的直升机的总距、尾桨总距、垂向速度的三次方、滚转角及涡轴发动机的动力涡轮相对转速；当直升机功率需求预测模型输出的下一时刻的预测需用功率相对于当前时刻需用功率的变化率超过预设阈值时，进入过补偿限制并按预设规则计算生成新的需用功率作为下一时刻的预测需用功率；使用下一时刻的预测需用功率对涡轴发动机的燃气涡轮转速指令进行比例前馈补偿。


2.如权利要求1所述基于功率需求预测的涡轴发动机抗扰控制方法，其特征在于，所述直升机功率需求预测模型使用逐步回归分析方法建立。


3.如权利要求1所述基于功率需求预测的涡轴发动机抗扰控制方法，其特征在于，所述直升机功率需求预测模型使用神经网络训练得到，所述直升机功率需求预测模型的输入还包括前一时刻、前两时刻的直升机的总距、尾桨总距、垂向速度的三次方、滚转角及涡轴发动机的动力涡轮相对转速。


4.如权利要求3所述基于功率需求预测的涡轴发动机抗扰控制方法，其特征在于，所述神经网络具有8个隐含层节点。


5.一种基于功率...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜紫岩，宋劼，彭晔榕，汪勇，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