航空发动机转子轴系复杂振动的主动控制系统、方法技术方案

本发明专利技术提供航空发动机转子轴系复杂振动的主动控制系统、方法。在该主动控制系统中，转子转速传感器用于测量转子转速；振动传感器用于测量转子轴水平方向和垂直方向的振动；控制器中的振动估计模块包括转子转速模型和EKF，接收转子转速传感器信号以及振动传感器信号，对转子进行振动信号估计，根据振动信号估计以及转子转速传感器信号输出转子转速滤波信号和振动信号估计参数；燃油控制模块根据转子转速滤波信号和振动信号估计参数作为自适应参数控制燃油输出量。该主动控制系统能够实现复杂振动抑制，使受控对象的振动水平在不同的飞行状态下都能满足要求，达到改善发动机可靠性和安全性设计，降低噪声，延长发动机寿命的目的。

【技术实现步骤摘要】
航空发动机转子轴系复杂振动的主动控制系统、方法
本专利技术提供航空发动机转子轴系振动的控制系统、方法。
技术介绍
GTF(齿轮传动涡扇发动机)是一种采用由低压涡轮通过大功率齿轮箱来驱动风扇的设计方案。齿轮传动系统在保证低压压气机和低压涡轮高速旋转的同时，能使风扇以理想的低速旋转。在同样温比、压比的情况下，风扇转速的降低可使直径增大，从而大幅度提高涵道比，提高推进效率。因此，GTF构型不但降低了发动机的噪声，也降低了发动机的油耗。GTF发动机通过齿轮传动系统驱动风扇，这些部分一起形成了一个复杂的机械扭振系统。在工作过程中，受到风扇等部件空气动力激励与传动系统中的不平衡激励、摩擦激励以及时变刚度等因素的综合影响，导致发动机端产生复杂的振动特性。由于传动系统中各个部件的支承都具有一定弹性，横向振动变得不可忽视，而且扭转振动和横向振动由于齿轮间的啮合作用产生较强的耦合效应，其本质上是弯-扭耦合振动特性。振动控制的基本方式可以分为主动控制和被动控制。被动控制通过外加部件实现振动的有效抑制，主要包括隔振器、动力吸振器、阻尼减震器等，它的缺点是器件维护成本高，而且控制频带窄。GTF发动机的齿轮箱传动耦合动力学系统，具有极端复杂性和强非线性,其系统的振动模态尤其是发动机端的振动频率会随飞行条件的变化而发生显著变动，变化频带较大。GTF发动机设计中虽然采用了联轴器柔性联结等手段来抑制振动，但仍旧无法在发动机大范围工作时达到满意效果。主动控制则主要采用控制理论的实施，来实现对被控对象的振动控制。例如直升机的扭振控制通常采用在燃油控制的反馈通路中串入陷波滤波器来实现，通过滤除叠加了特定扭振频率的转速脉动来抑制燃油流量的脉动，也就是通过切断燃油的能量输入来避免自激振动的发生。陷波滤波器一般为常系数设计，采用多个滤波器串联的方法来滤除不同状态的扭振信号，如地面、空中慢车等状态。不同于转速恒定的涡轴发动机，GTF发动机输出轴的转速变化范围大，在不同的飞行条件下受到的气动载荷也变化很大，造成发动机端的振动频率变化显著，因此常系数的滤波器设计并不适用。
技术实现思路
GTF大涵道比涡扇发动机受到传动系统不平衡激励与齿轮啮合时变刚度等因素影响，加之传动系统中各部件支承均具有一定弹性，导致发动机端产生复杂的弯-扭耦合振动特性。此振动会和发动机的燃油调节系统相互耦合，进一步引起耦合动稳定性问题，严重时可能形成不稳定的自激振动。GTF发动机中的弯扭耦合振动频率会随飞行条件和飞行状态的变化而变化，具有较宽的频率变化，这为主动控制系统的设计带来了挑战。当频率变化超出设计频带时，由于系统具有很强的非线性，控制系统性能会显著变差，甚至出现振荡发散现象。因此，本专利技术的一个目的是使受控对象的振动水平在不同的飞行状态下都能满足要求，为此提供一个航空发动机转子轴系复杂振动的主动控制系统以及方法。一种航空发动机转子轴系复杂振动的主动控制系统，其包括用于测量转子转速的转子转速传感器，用于测量转子轴水平方向和垂直方向的振动的振动传感器，以及控制器，其包括：振动估计模块，包括转子转速模型和扩展卡尔曼滤波器，接收转子转速传感器信号以及振动传感器信号，对转子进行振动信号估计，根据所述振动信号估计以及转子转速传感器信号输出转子转速滤波信号和振动信号估计参数；以及燃油控制模块，根据所述转子转速滤波信号和振动信号估计参数作为自适应参数控制燃油输出量。在所述的主动控制系统的一个实施方式中，转子转速模型的输入为转子转速传感器信号、振动传感器信号、以及扩展卡尔曼滤波器输出的扭转振动信号估计，该转子转速模型通过构建发动机低压转子转速的简化模型，再将转子转速与扭振转速进行线性叠加，扭振转速包括由所述扭转振动信号估计确定的转子扭振角位移造成的分量，和由所述振动传感器信号确定的由于弯扭耦合造成的分量，该转子转速模型输出转子转速信号估计以及弯扭耦合振动估计；所述振动估计模块通过计算转子转速传感器信号和转子转速信号估计的残差信号，输入扩展卡尔曼滤波器进行迭代计算，所述扩展卡尔曼滤波器输出扭转振动信号估计及其振动参数；所述振动估计模块还将所述扭转振动信号与所述弯扭耦合振动估计之和从所述转子转速传感器信号中去除，获得转子转速滤波信号；所述燃油控制模块，其包括自适应控制器，根据所述转子转速滤波信号和振动信号估计参数作为自适应参数控制燃油输出的燃油量。在所述的主动控制系统的一个实施方式中，针对双轴的航空发动机，所述转子转速传感器包括：高压转子转速传感器，用于测量高压转子转速；以及低压转子转速传感器，用于测量低压转子转速；其中，所述振动传感器用于测量低压转子轴水平方向和垂直方向的振动；所述振动估计模块包括低压转子转速模型和扩展卡尔曼滤波器，其中低压转子转速模型的输入为高压转子转速传感器信号、振动传感器信号、以及扩展卡尔曼滤波器输出的扭转振动信号估计，该低压转子转速模型通过将高压转子转速传感器信号作为输入构建发动机低压转子转速的简化模型，再将低压转子转速与扭振转速进行线性叠加，扭振转速包括由所述扭转振动信号估计确定的低压转子扭振角位移造成的分量，和由所述振动传感器信号确定的由于弯扭耦合造成的分量，该低压转子转速模型输出低压转子转速信号估计以及弯扭耦合振动估计；所述振动估计模块通过计算低压转子转速传感器信号和低压转子转速信号估计的残差信号，输入扩展卡尔曼滤波器进行迭代计算，所述扩展卡尔曼滤波器输出扭转振动信号估计及其振动参数；所述振动估计模块还将所述扭转振动信号与所述弯扭耦合振动估计之和从所述低压转子转速传感器信号中去除，获得低压转子转速滤波信号；所述燃油控制模块，其包括：自适应控制器，根据所述低压转子转速滤波信号和振动信号估计参数作为自适应参数控制燃油输出的燃油量。在所述的主动控制系统的一个实施方式中，所述自适应控制器，将包括频率或/和幅值的所述振动信号估计参数作为自适应参数，并对燃油量波动作限幅，借此通过注入能量抑制振动，又避免了幅度较大的燃油回路振荡。在所述的主动控制系统的一个实施方式中，所述燃油控制模块还包括自激振动保护逻辑系统，所述自激振动保护逻辑系统包括自适应带通滤波器、燃油波动峰-峰值计算模块；自适应带通滤波器选取扩展卡尔曼滤波器输出的振动频率估计作为带通滤波器的中心频率，据此自适应选取滤波器系数，实现对具有慢变频率量的燃油量信号滤波输出；燃油波动峰-峰值计算模块利用振动频率估计参数，在一个振动周期内或多个振动周期取平均值的方法计算燃油波动的峰-峰值，输出燃油波动幅度；所述自激振动保护逻辑系统还执行保护逻辑，如果判断出燃油波动幅度超过设定波动阈值或者如果判断振动幅值估计超过设定振动幅值阈值，立即切断燃油，反之正常输出燃油量。在所述的主动控制系统的一个实施方式中，所述自激振动保护逻辑系统配置成执行步骤：根据所述燃油波动幅度与燃油波动阈值进行比较输出第一逻辑信号；根据所述振动幅度的估计与振动幅度的阈值进行比较输出第二逻辑信号；将所述第一逻辑信号与所述第二逻辑信号进行与逻辑运算输出第三逻辑信号；将所述燃油量与所述第三逻本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.航空发动机转子轴系复杂振动的主动控制系统，其特征在于，包括：/n转子转速传感器，用于测量转子转速；/n振动传感器，用于测量转子轴水平方向和垂直方向的振动；/n控制器，其包括：/n振动估计模块，包括转子转速模型和扩展卡尔曼滤波器，接收转子转速传感器信号以及振动传感器信号，对转子进行振动信号估计，根据所述振动信号估计以及转子转速传感器信号输出转子转速滤波信号和振动信号估计参数；/n燃油控制模块，根据所述转子转速滤波信号和振动信号估计参数作为自适应参数控制燃油输出量。/n

【技术特征摘要】
1.航空发动机转子轴系复杂振动的主动控制系统，其特征在于，包括：
转子转速传感器，用于测量转子转速；
振动传感器，用于测量转子轴水平方向和垂直方向的振动；
控制器，其包括：
振动估计模块，包括转子转速模型和扩展卡尔曼滤波器，接收转子转速传感器信号以及振动传感器信号，对转子进行振动信号估计，根据所述振动信号估计以及转子转速传感器信号输出转子转速滤波信号和振动信号估计参数；
燃油控制模块，根据所述转子转速滤波信号和振动信号估计参数作为自适应参数控制燃油输出量。


2.如权利要求1所述的主动控制系统，其特征在于，
转子转速模型的输入为转子转速传感器信号、振动传感器信号、以及扩展卡尔曼滤波器输出的扭转振动信号估计，
该转子转速模型通过构建发动机低压转子转速的简化模型，再将转子转速与扭振转速进行线性叠加，扭振转速包括根据所述扭转振动信号估计确定的转子扭振角位移造成的分量，和根据所述振动传感器信号确定的由于弯扭耦合造成的分量，
该转子转速模型输出转子转速信号估计以及弯扭耦合振动估计；
所述振动估计模块通过计算转子转速传感器信号和转子转速信号估计的残差信号，输入扩展卡尔曼滤波器进行迭代计算，所述扩展卡尔曼滤波器输出扭转振动信号估计及其振动参数；
所述振动估计模块还将所述扭转振动信号与所述弯扭耦合振动估计之和从所述转子转速传感器信号中去除，获得转子转速滤波信号；
所述燃油控制模块，其包括：
自适应控制器，根据所述转子转速滤波信号和振动信号估计参数作为自适应参数控制燃油输出的燃油量。


3.如权利要求1所述的主动控制系统，其特征在于，所述转子转速传感器包括：
高压转子转速传感器，用于测量高压转子转速；以及
低压转子转速传感器，用于测量低压转子转速；
其中，所述振动传感器用于测量低压转子轴水平方向和垂直方向的振动；
所述振动估计模块包括低压转子转速模型和扩展卡尔曼滤波器，其中
低压转子转速模型的输入为高压转子转速传感器信号、振动传感器信号、以及扩展卡尔曼滤波器输出的扭转振动信号估计，
该低压转子转速模型通过将高压转子转速传感器信号作为输入构建发动机低压转子转速的简化模型，再将低压转子转速与扭振转速进行线性叠加，扭振转速包括由所述扭转振动信号估计确定的低压转子扭振角位移造成的分量，和由所述振动传感器信号确定的由于弯扭耦合造成的分量，
该低压转子转速模型输出低压转子转速信号估计以及弯扭耦合振动估计；
所述振动估计模块通过计算低压转子转速传感器信号和低压转子转速信号估计的残差信号，输入扩展卡尔曼滤波器进行迭代计算，所述扩展卡尔曼滤波器输出扭转振动信号估计及其振动参数；
所述振动估计模块还将所述扭转振动信号与所述弯扭耦合振动估计之和从所述低压转子转速传感器信号中去除，获得低压转子转速滤波信号；
所述燃油控制模块，其包括：
自适应控制器，根据所述低压转子转速滤波信号和振动信号估计参数作为自适应参数控制燃油输出的燃油量。


4.如权利要求2或3所述的主动控制系统，其特征在于，所述自适应控制器，将包括频率或/和幅值的所述振动信号估计参数作为自适应参数，并对燃油量波动作限幅，借此通过注入能量抑制振动，又避免了幅度较大的...

【专利技术属性】
技术研发人员：周健，
申请(专利权)人：中国航发商用航空发动机有限责任公司，
类型：发明
国别省市：上海;31