一种航空发动机自适应寿命延长控制系统的设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种航空发动机自适应寿命延长控制系统的设计方法，控制系统包括两层，底层为基本性能控制，基本性能控制完成发动机稳态控制、加减速控制及极限保护控制；高层包括发动机性能估计、寿命延长控制规律选择模块，发动机性能估计实时估计发动机健康退化情况，并将其反馈给寿命延长控制；寿命延长控制规律选择模块则根据发动机退化情况，计算出合适的寿命延长控制规律，并用于底层基本性能控制中。通过实时估计航空发动机健康状态，选择合适的寿命延长控制规律，可保证发动机在全寿命期内，维持原有基本加速性能的同时，尽可能地延长发动机部件寿命，以降低发动机使用及维护成本。
【专利说明】-种航空发动机自适应寿命延长控制系统的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及航空航天推进系统控制与仿真领域，具体地说，涉及一种航空发动机 自适应寿命延长控制系统的设计方法。
【背景技术】
[0002] 传统航空发动机延长寿命所使用的方法是更换部件或者重新设计长寿命的部 件，如专利CN103982242A中通过重新设计用于燃气润轮发动机的轮盘圆弧端齿，W解决 现有圆弧端齿的过渡区无法承受高速运转产生的应力，导致寿命过短的问题，但该种方 式需要耗费大量的人力物力。1988年，Carl F. Lorenzo首次提出寿命延长控制（Life Extending Control，LEC)的概念（A Reusable Rocket Engine Intelligent Control [R]. NASA Technical Memorandum 100963,Washington:NASA, 1988)，即在允许的范围内，在不 影响系统完成任务的前提下，通过适当降低系统动态性能来减少或阻止损伤的发展，从而 较大地延长系统工作寿命的控制策略。近年来，国内外为提升航空发动机耐久性，降低其 使用成本，也开展寿命延长控制研究。如Ten-Huei G为民用航空润扇发动机设计一种智 能寿命延长控制器，研究结果显示寿命延长控制可有效地延长发动机寿命，同时保证发动 机性能不出现大帖度降低（Jaw L. Intelligent life-extending controls for aircraft engines[时.NASA/TM-2005-213373, 2005)。但该些研究的对象均是刚服役的航空发动机， 而航空发动机在实际使用过程中，随着使用时间的延长，发动机本身性能会出现一定程度 的退化，导致基本性能下降，如果继续使用基于性能未退化发动机设计的寿命延长控制器， 势必进一步降低发动机的基本性能，使发动机不能满足正常使用需求。
【发明内容】
[0003] 为了保证航空发动机在全寿命期内基本性能不出现大幅度变化，同时尽可能延长 发动机整机或部件寿命，本发明提出一种航空发动机自适应寿命延长控制系统的设计方 法。
[0004] 本发明一种航空发动机自适应寿命延长控制系统的设计方法，控制系统包括两 层，底层为基本性能控制，基本性能控制完成发动机稳态控制、加减速控制及极限保护控 巧h高层包括发动机性能估计、寿命延长控制规律选择模块，发动机性能估计实时估计发动 机健康退化情况，并将其反馈给寿命延长控制，寿命延长控制规律选择模块则根据发动机 退化情况，计算出合适的寿命延长控制规律，并用于底层基本性能控制中；其特征在于包括 W下步骤：
[0005] 步骤1.选择航空发动机性能退化范围内具有代表性的退化情况；航空发动机性 能退化反应到发动机模型中为部件效率、流量系数的变化，选择具有代表性的H种退化情 况分别为部件性能未退化、退化1. 5%、退化3. 0% ;
[0006] 步骤2.采用基于修改加速控制规律的寿命延长控制为步骤1中的H种退化情况 分别设计对应的寿命延长控制规律；通过在原控制器中增加高压转子加速度限制模块，将 代表发动机寿命的指标和代表发动机加速性能的指标同时纳入到优化目标函数中，利用遗 传算法对高压转子加速度限制进行优化，优化后得到的加速度限制曲线作为寿命延长控制 规律；
[0007] 步骤3.使用基于改进混合卡尔曼滤波器对步骤1中的发动机部件性能参数进行 估计，并选择高压润轮流量系数作为寿命延长控制规律选择的依据；
[0008] 步骤4.利用线性二维插值的方式，计算性能退化水平下某高压转子转速对应的 加速度限制值，被插量为高压转子加速度限制值，插值量为步骤3中的性能参数估计值和 高压转子转速；
[0009] 步骤5.设计双层的自适应寿命延长控制结构，用于协调上述各模块与基本性能 控制器之间的相互作用；控制系统在发动机稳态过程中估计发动机部件性能参数，W此为 依据选择相应的寿命延长控制规律，并将其输入给底层加速度限制，完成发动机的控制。
[0010] 有益效果
[0011] 本发明提出的一种航空发动机自适应寿命延长控制系统的设计方法，通过该方 法设计的航空发动机自适应寿命延长控制器，可保证发动机大幅度过渡态加速性能基本维 持不变的同时，寿命限制部件的寿命大幅度提升，而在允许加速性能稍有降低的前提下，发 动机的寿命可进一步增加。与此同时该方法仅通过修改现有数字电子控制器软件程序即可 实现，避免了对航空发动机控制器硬件进行修改。
[0012] 本发明可根据航空发动机性能退化情况，自主选择合适的寿命延长控制规律，W 保证发动机在全寿命期内，基本性能不出现大幅度变化，同时在各退化情况下，尽可能延长 部件寿命；
[0013] 本发明中采用针对有限个数标称退化情况设计寿命延长控制规律，其它退化情况 下的寿命延长控制规律则通过线性插值方式获得，该处理方法避免针对所有退化情况设计 控制规律所带来的优化设计过程的复杂性。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 下面结合附图和实施方式对本发明一种航空发动机自适应寿命延长控制系统的 设计方法作进一步详细说明。
[0015] 图1为本发明自适应LEC控制规律示意图。
[0016] 图2为本发明改进混合卡尔曼滤波器的内部结构示意图。
[0017] 图3为本发明自适应LEC控制系统结构示意图。
[0018] 图4为高压润轮流量系数估计情况示意图。
[0019] 图5为退化1. 5%和3. 0%限制曲线选择情况。
[0020] 图6为退化1. 0%和2. 0%限制曲线选择情况。
[0021] 图7为退化1. 0%和2. 0%限制曲线。
【具体实施方式】
[0022] 本实施例是一种航空发动机自适应寿命延长控制系统的设计方法。
[0023] 参阅图1、图2、图3,航空发动机自适应寿命延长控制系统的设计方法，具体步骤 如下：
[0024] 步骤1.航空发动机性能退化反应到航空发动机模型中为部件效率、流量系数的 变化，本实施例中使用的小涵道比润扇发动机模型包含8个部件性能参数，分别为：低压压 气机效率系数Dew、低压压气机流量系数町^、高压压气机效率系数Deh。、高压压气机流量系 数Dwe、高压润轮效率系数Debt、高压润轮流量系数DpHT、低压润轮效率系数Deu、低压润轮流 量系数Dpu;
[00巧]在航空发动机部件性能退化范围内选择具有代表性的退化情况，本实施例中选择 具有代表性的H种退化情况分别为部件性能未退化、退化1. 5%、退化3. 0%，将其作为自 适应寿命延长控制规律设计的标称退化情况。
[0026] 步骤2.采用基于修改加速控制规律的寿命延长控制设计方法为步骤1中的H个 标称退化情况分别设计对应的寿命延长控制规律，该方法通过在原控制器中增加高压转子 加速度限制，对发动机加速后期的高压转子加速度进行限制，虽然会降低发动机加速后期 的加速性能，但可明显减少发动机高温部件的温度，从而大幅度延长发动机的寿命。
[0027] 为了保证加入高压转子加速度限制后，加速性能不出现大幅度的下降，将仿真处 理得到的代表发动机寿命的指标和代表发动机加速性能的指标同时纳入到优化目标函数 中，利用遗传算法对高压转子加速度限制进行优化，优化后得到的加速度限制曲线即可作 为寿命延长控制规律。
[0028] 步骤3.实时在线对航空发动机部件性能进行估计；
[0029] 本实施例中使用基于改进混合卡尔曼滤波器对发动机部件性能参数进行估计，得 到的估计值作为寿命延长控制规律选择的依据，基于改进混合卡尔曼滤波器的设计步骤如 下：
[0030] 对于实际工作的发动机，需考虑其系统误差和测量误差，则其状态变量模型应表 示为
[00 引]
【权利要求】
1. 一种航空发动机自适应寿命延长控制系统的设计方法，控制系统包括两层，底层为 基本性能控制，基本性能控制完成发动机稳态控制、加减速控制及极限保护控制；1?层包括 发动机性能估计、寿命延长控制规律选择模块，发动机性能估计实时估计发动机健康退化 情况，并将其反馈给寿命延长控制，寿命延长控制规律选择模块则根据发动机退化情况，计 算出合适的寿命延长控制规律，并用于底层基本性能控制中；其特征在于包括以下步骤： 步骤1.选择航空发动机性能退化范围内具有代表性的退化情况；航空发动机性能退 化反应到发动机模型中为部件效率、流量系数的变化，选择具有代表性的三种退化情况分 别为部件性能未退化、退化1. 5%、退化3. 0% ; 步骤2.采用基于修改加速控制规律的寿命延长控制为步骤1中的三种退化情况分 别设计对应的寿命延长控制规律；通过在原控制器中增加高压转子加速度限制模块，将代 表发动机寿命的指标和代表发动机加速性能的指标同时纳入到优化目标函数中，利用遗传 算法对高压转子加速度限制进行优化，优化后得到的加速度限制曲线作为寿命延长控制规 律； 步骤3.使用基于改进混合卡尔曼滤波器对步骤1中的发动机部件性能参数进行估计， 并选择高压涡轮流量系数作为寿命延长控制规律选择的依据； 步骤4.利用线性二维插值的方式，计算性能退化水平下某高压转子转速对应的加速 度限制值，被插量为高压转子加速度限制值，插值量为步骤3中的性能参数估计值和高压 转子转速； 步骤5.设计双层的自适应寿命延长控制结构，用于协调上述各模块与基本性能控制 器之间的相互作用；控制系统在发动机稳态过程中估计发动机部件性能参数，以此为依据 选择相应的寿命延长控制规律，并将其输入给底层加速度限制，完成发动机的控制。
【文档编号】F02C9/00GK104389685SQ201410685958
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月24日 优先权日:2014年11月24日
【发明者】郭迎清, 陈小磊, 闫星辉 申请人:西北工业大学