一种MPC-NLPIDsech的航空发动机齿轮泵燃滑油热管理系统的设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种MPC

【技术实现步骤摘要】
一种MPC
‑
NLPIDsech的航空发动机齿轮泵燃滑油热管理系统的设计方法


[0001]本专利技术涉及航空发动机燃滑油热管理领域，特别是涉及一种MPC
‑
NLPIDsech的航空发动机齿轮泵燃滑油热管理系统的设计方法。

技术介绍

[0002]热管理系统是确保航空发动机附件能否正常工作的重要因素，随着航空发动机的不断发展，其地位越发重要。航空发动机滑油的作用是减小摩擦和带走发动机部件的多余热量，使航空发动机部件不过热，保证发动机的正常运行。同时，滑油有最佳的工作温度，若滑油温度过高，将导致润滑效果下降、带走发动机多余热量效果不佳的情况，影响到发动机正常工作。因此，需要将滑油温度保持在一定范围内，这就需要使用相关换热器带走滑油中热量。
[0003]在航空发动机燃滑油热管理系统中，换热器由不同的冷却介质可分为使用空气冷却和使用燃油冷却。使用燃油冷却比热容较空气更大，能带走更多热量，同时也可对燃油加温，使得滑油中热量得到更充分的利用，提升发动机整体的效率，使发动机更清洁环保。在航空发动机热管理系统中，常将该种换热器称为燃滑油换热器。作为该热管理系统中热交换的场所，因此十分关键。管壳式燃滑油换热器在航空发动机应用十分普遍，具有结构简单可靠的特点和优点。该种换热器从结构上分为管程和壳程，一种换热流体走管程，一种走壳程，通过换热管管壁进行换热。
[0004]齿轮泵是一种容积式泵，依靠泵体与啮合的齿轮间形成的工作容积变化对流体增压及输送流体，有外啮合和内啮合两种方式，其中外啮合齿轮泵较内啮合齿轮泵更普遍。直流电机驱动齿轮泵时，通过控制直流电机转速即可达到控制齿轮泵输送的冷却用燃油流量的目的，进而影响到燃油和滑油的换热效果，使得换热器出口处滑油保持在最佳工作温度。这样滑油在回到滑油箱前已被充分冷却，从滑油箱再次输送给发动机时可达到充分的润滑和带走多余热量的目的。
[0005]常规线性PID控制方法是通过反馈误差信号、合理设置比例、积分系数对系统实施控制的。比例系数和积分系数均需要在合理范围内，且二者相互配合，过大过小都不能达到理想的效果。当对系统的动态特性要求较高时，常规线性PID方法难以达到较好抑制超调、使得系统动态响应更快等目的。因此，需要引入非线性PID方法对原有PID方法进行改进和补充。基于双曲正弦的非线性PID方法可在控制过程中实时修改比例系数和积分系数，达到快速精确的控制效果。
[0006]模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)问世于上世纪70年代，是一种基于模型的现代控制方法，其原理可归结为:模型预测、滚动优化、反馈校正。经过数十年的发展，模型预测控制发展出了适用于不同行业和对象的多种典型的方法，如广泛应用于流程工业的广义预测控制、用于电力电子方面的有限集预测控制等。虽然预测控制在广泛领域得到了研究与应用，但其控制依赖于模型，在模型不准确时，控制效果可能不佳。因此需要
结合模型预测控制与非线性PID方法，即能够获得更好控制效果，也降低对模型准确性的依赖程度。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种MPC
‑
NLPIDsech的航空发动机齿轮泵燃滑油热管理系统的设计方法，用以解决
技术介绍
中提及的技术问题。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0009]一种MPC
‑
NLPIDsech的航空发动机齿轮泵燃滑油热管理系统的设计方法，所述设计方法包括如下步骤：
[0010]步骤S1、确定所述航空发动机齿轮泵燃滑油热管理系统的各个模块，其包括：燃油箱、外啮合齿轮泵、直流电机、MPC
‑
NLPIDsech控制器、管壳式燃滑油换热器、滑油箱；
[0011]步骤S2、针对所述外啮合齿轮泵、直流电机以及管壳式燃滑油换热器分别进行建模；
[0012]步骤S3、根据步骤S2中的得到的所述外啮合齿轮泵、直流电机以及管壳式燃滑油换热器的模型，设计所述MPC
‑
NLPIDsech控制器。
[0013]进一步的，在所述步骤S2中，针对所述外啮合齿轮泵进行建模，具体包括：
[0014]首先针对由渐开线参数和几何尺寸完全相同的两个齿轮组成的外啮合齿轮泵，其理论输出流量为：
[0015][0016]公式(1)中，ω为电动机转速，rad/s，B＝15mm为齿轮厚度，R
a
＝19.25mm为齿顶圆半径，R
c
＝15.75mm为齿轮节圆半径，
[0017]然后令所述外啮合齿轮泵有侧槽，并且有对称的理想卸荷槽，具体为：然后令所述外啮合齿轮泵有侧槽，并且有对称的理想卸荷槽，具体为：其中，基节长度定义为：
[0018][0019]公式(2)中，R
b
＝13.78mm为基节长度；z＝8为齿轮齿数。
[0020]进一步的，在所述步骤S2中，针对所述直流电机进行建模，具体包括：
[0021]设定所述直流电机的传递函数为：
[0022][0023]公式(3)中，S为一个关于时间的函数，用于将时域通过拉式变换为复域。
[0024]进一步的，在所述步骤S2中，针对所述管壳式燃滑油换热器进行建模，具体包括：
[0025]首先设定所述管壳式燃滑油换热器用于对滑油降温、对燃油加温，并且滑油走壳程，燃油走管程；
[0026]然后再对壳程参数以及管程参进行设定，其中，对壳程参数进行设定，具体包括：
[0027]设定燃油体积流量可调范围为：
[0028]Q
fv
＝(1
‑
7)
×
103L/H
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0029]＝(0.278
‑
1.94)
×
10
‑3m3/s
[0030]公式(4)中，L表示体积单位升、H表示时间单位小时；
[0031]设定燃油质量流量范围为：
[0032]m
f
＝Q
fv
×
ρ
f
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0033]公式(5)中，ρ
f
＝726.4kg/m3为燃油密度；
[0034]设定定性温度下流体动力粘度为：
[0035]μ
f
＝v
f
×
ρ
f
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0036]公式(6)中，v
f
为燃油运动粘度，具体为v
f
＝0.7mm2/s；
[0037]设定滑油质量流量为：
[本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MPC
‑
NLPIDsech的航空发动机齿轮泵燃滑油热管理系统的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括如下步骤：步骤S1、确定所述航空发动机齿轮泵燃滑油热管理系统的各个模块，其包括：燃油箱、外啮合齿轮泵、直流电机、MPC
‑
NLPIDsech控制器、管壳式燃滑油换热器、滑油箱；步骤S2、针对所述外啮合齿轮泵、直流电机以及管壳式燃滑油换热器分别进行建模；步骤S3、根据步骤S2中的得到的所述外啮合齿轮泵、直流电机以及管壳式燃滑油换热器的模型，设计所述MPC
‑
NLPIDsech控制器。2.根据权利要求1所述的一种MPC
‑
NLPIDsech的航空发动机齿轮泵燃滑油热管理系统的设计方法，其特征在于，在所述步骤S2中，针对所述外啮合齿轮泵进行建模，具体包括：首先针对由渐开线参数和几何尺寸完全相同的两个齿轮组成的外啮合齿轮泵，其理论输出流量为：公式(1)中，ω为电动机转速，rad/s，B＝15mm为齿轮厚度，R
a
＝19.25mm为齿顶圆半径，R
c
＝15.75mm为齿轮节圆半径，然后令所述外啮合齿轮泵有侧槽，并且有对称的理想卸荷槽，具体为：然后令所述外啮合齿轮泵有侧槽，并且有对称的理想卸荷槽，具体为：其中，基节长度定义为：公式(2)中，R
b
＝13.78mm为基节长度；z＝8为齿轮齿数。3.根据权利要求2所述的一种MPC
‑
NLPIDsech的航空发动机齿轮泵燃滑油热管理系统的设计方法，其特征在于，在所述步骤S2中，针对所述直流电机进行建模，具体包括：设定所述直流电机的传递函数为：公式(3)中，S为一个关于时间的函数，用于将时域通过拉式变换为复域。4.根据权利要求3所述的一种MPC
‑
NLPIDsech的航空发动机齿轮泵燃滑油热管理系统的设计方法，其特征在于，在所述步骤S2中，针对所述管壳式燃滑油换热器进行建模，具体包括：首先设定所述管壳式燃滑油换热器用于对滑油降温、对燃油加温，并且滑油走壳程，燃油走管程；然后再对壳程参数以及管程参进行设定，其中，对壳程参数进行设定，具体包括：设定燃油体积流量可调范围为：公式(4)中，L表示体积单位升、H表示时间单位小时；
设定燃油质量流量范围为：m
f
＝Q
fv
×
ρ
f
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)公式(5)中，ρ
f
＝726.4kg/m3为燃油密度；设定定性温度下流体动力粘度为：μ
f
＝v
f
×
ρ
f
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)公式(6)中，v
f
为燃油运动粘度，具体为v
f
＝0.7mm2/s；设定滑油质量流量为：m
h
＝ρ
h
×
U
s
×
S
m
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)公式(7)中，ρ
h
表示为滑油密度，U
s
表示为壳程横流速度，S
m
表示壳程横流面积。5.根据权利要求4所述的一种MPC
‑
NLPIDsech的航空发动机齿轮泵燃滑油热管理系统的设计方法，其特征在于，设定燃油定性温度为90℃，滑油定性温度为125℃；壳程横流速度U
s
＝0.839m/s，壳程横流面积S
m
＝993.75mm2，滑油密度为：ρ
h
＝0.9729
‑
0.000035T，其中，T为滑油温度。6.根据权利要求5所述的一种MPC
‑
NLPIDsech的航空发动机齿轮泵燃滑油热管理系统的设计方法，其特征在于，对管程参数进行设定，具体包括：设定特征管径尺寸：公式(8)中，d0表示为散热管外径，散热管外径d
o
＝2mm，P
t
表示为管中心距，为1.25d
o
；设定换热管总管数：N
n
＝N
×
n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)公式(9)中，N表示为每个管程的管子数，n表示为管程数；设定管内流体面积：公式(10)中，d
i
表示为散热管内径；设定滑油与燃油之间的平均温差为：公式(11)中，温差修正系数F
t
＝1，Δt1表示为滑油出口温度减去燃油进口温度，Δt2表示为滑油进口温度减去燃油出口温度，T
f,o
表示为燃油出口温度，T
f,i
表示为燃油进口温度，T
h,o
表示为滑油出口温度，T
h,i
表示为滑油进口温度；换热器中换热量为：Q＝KAΔt
m
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)公式(12)中，K为换热系数，A为总换热面积；
总换热面积的表达式为：A＝N
×
π
×

【专利技术属性】
技术研发人员：刘佩松，肖玲斐，刘威，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：