一种涡轴发动机动态实时模型建模方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种涡轴发动机动态实时模型建模方法及系统，该方法包括：建立涡轴发动机稳态实时模型；采用剩余燃油流量动态加减系数法建立涡轴发动机动态实时模型。本发明解决了现有的发动机动态实时模型建模过程中在只有试车数据而缺乏部件特性数据情况下的建模问题，适用于发动机数控系统半物理仿真，亦可为传感器解析余度技术提供模型保证，对于缩短研制周期、降低试验风险及成本有着积极促进作用。
【专利说明】一种涡轴发动机动态实时模型建模方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明属于航空发动机建模与仿真领域，具体涉及一种涡轴发动机动态实时模型建模方法及系统。
【背景技术】
[0002]控制用传感器发生故障将直接导致闭环控制系统反馈信息不可用，使得涡轴发动机不能稳定工作，因此，涡轴发动机数控系统的传感器能否稳定可靠工作，对于保证涡轴发动机FADEC系统正常工作至关重要。传感器解析余度技术是一种典型的基于模型的传感器故障诊断方法，涡轴发动机动态实时模型是该方法的重要组成部分，同时该模型的精度决定了传感器故障诊断性能，因此，建立某型涡轴发动机动态实时模型对传感器故障诊断和容错控制具有重要的理论意义和工程实用价值。
[0003]国内外用于发动机控制系统半物理试验的动态实时模型大都采用部件级建模的方法，但是当缺乏发动机部件级建模用的部件特性数据时，只能根据试验数据建模，同时部件级模型由于计算耗时长、占用资源多的特点，使得其应用范围受到限制，不能满足机载需求。因此，需要研究根据试验数据直接建立机载动态实时模型的方法。目前发动机动态实时模型建模方法主要集中在依赖部件特性数据的部件级建模方法上，有限的动态系数方法研究没有考虑加、减速的系数差异，以及没有在更为复杂的涡轴发动机上应用，更没有具有动态实时模型自动生成的通用软件开发的相关报道。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是针对【背景技术】的缺陷，提供一种涡轴发动机动态实时模型建模方法及系统，用于解决缺乏部件特性数据、只提供试验数据时传统的涡轴发动机动态实时模型机载实时模型建模问题，该方法和系统满足机载实时性要求，能为传感器解析余度技术提供模型保证。
[0005]本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
[0006]一种涡轴发动机动态实时模型建模方法，包括以下步骤:
[0007]步骤A)，建立涡轴发动机稳态实时模型；
[0008]步骤B)，采用剩余燃油流量动态加减速系数法建立涡轴发动机动态实时模型。
[0009]作为本发明一种涡轴发动机动态实时模型建模方法进一步的优化方案，步骤A)的具体步骤如下:
[0010]步骤Al)，根据涡轴发动机工作条件，将试车数据进行相似归一化的换算；
[0011]步骤A2)，对换算后的数据进行野点剔除及平滑滤波处理；
[0012]步骤A3)，根据试车数据中稳态过程的数据，对工作状态相近的稳态数据进行聚类合并，以此构造稳态工作点；
[0013]步骤A4)，根据稳态工作点，采用多项式拟合法获得稳态关系曲线，利用稳态关系曲线插值获得稳态基点，并以此构造稳态基点插值表；[0014]步骤A5)，根据构造的稳态基点插值表，采用线性插值法建立包含起动机在内的涡轴发动机的稳态实时模型。
[0015]作为本发明一种涡轴发动机动态实时模型建模方法进一步的优化方案，步骤A4)中利用稳态关系曲线插值获得稳态基点的详细步骤如下:
[0016]将燃气涡轮转子转速换算值与预先设定的转子转速换算阈值进行比较，如果燃气涡轮转子转速换算值大于等于预先设定的转子转速换算阈值，将稳态关系曲线以2%的间隔进行插值获得稳态基点；果燃气涡轮转子转速换算值小于预先设定的转子转速换算阈值，将稳态关系曲线以3%-5%的间隔进行插值获得稳态基点。
[0017]作为本发明一种涡轴发动机动态实时模型建模方法进一步的优化方案，步骤B)的具体步骤如下:
[0018]步骤BI)，根据试车数据中动态过程的数据，利用剩余燃油量动态系数法的定义，分别计算出不同燃气涡轮转子转速换算值下的燃气涡轮转速动态系数、燃气涡轮出口温度动态系数、压气机出口压力动态系数和动力涡轮输出功率动态系数，以获得动态系数插值表;
[0019]步骤B2)，建立慢车以上状态燃气发生器动态实时模型，该模型的输入参数为燃油流量、进口总压、进口总温，输出参数为燃气涡轮转速、压气机出口压力、燃气涡轮出口温度，采用剩余燃油流量动态系数法计算出模型输出参数；
[0020]步骤B3)，建立慢车以上状态动力涡轮及负载动态实时模型，该模型输入参数为燃气涡轮转速、燃油流量、进口总压、进口总温、负载杆角度，模型输出参数为动力涡轮转速、动力涡轮输出功率，分别利用剩余燃油流量动态系数法和动力涡轮转子功率平衡求解模型输出参数；
[0021]步骤B4)，建立涡轴发动机起动阶段模型，该模型包括起动机单独带转阶段的模型、起动机与燃气涡轮共同带转阶段的模型、以及燃气涡轮单独带转阶段的模型；
[0022]步骤B5)，建立涡轴发动机动态实时模型，该模型包含步骤Al)建立的稳态实时模型、步骤B2)建立的慢车以上燃气发生器动态实时模型、，步骤B3)建立的动力涡轮及负载动态实时模型、以及步骤B4)建立的起动阶段数学模型，根据各个模型的输入参数解算各个模型的输出参数。
[0023]作为本发明一种涡轴发动机动态实时模型建模方法进一步的优化方案，所述动态系数包含加速系数和减速系数。
[0024]作为本发明一种涡轴发动机动态实时模型建模方法进一步的优化方案，步骤B2)中采用剩余燃油流量动态系数法计算出模型输出参数时，燃气涡轮转速以前一时刻的动态值为当前时刻的初始值进行累加，压气机出口压力和燃气涡轮出口温度以当前时刻的稳态值作为初始值进行累加。
[0025]作为本发明一种涡轴发动机动态实时模型建模方法进一步的优化方案，步骤B3)中采用剩余燃油流量动态系数法计算出模型输出参数时，动力涡轮输出功率以当前时刻的稳态值作为初始值进行累加。
[0026]作为本发明一种涡轴发动机动态实时模型建模方法进一步的优化方案，步骤B2)中采用剩余燃油流量动态系数法计算出燃气涡轮出口温度后，作为参数输入至一阶惯性温度传感器模型，以获得能够反映延迟效应的出燃气涡轮出口温度输出参数。[0027]—种基于所述涡轴发动机动态实时模型建模方法的系统，包括试车数据预处理模块、稳态工作区域判定逻辑模块、动态工作区域判定逻辑模块、稳态基点自动生成模块、动态加减速系数自动生成模块和动态实时模型计算运行模块:
[0028]所述试车数据预处理模块用于对原始试车数据进行剔除野点和平滑滤波处理；
[0029]所述稳态工作区域判定逻辑模块用于根据经所述试车数据预处理模块处理后的试车数据中稳态过程的数据，获得稳态工作点数据；
[0030]所述动态工作区域判定逻辑模块用于判定经所述试车数据预处理模块处理后的试车数据中的动态工作范围，获得不同燃气涡轮转子转速换算值下燃气涡轮转速动态系数、燃气涡轮出口温度动态系数、压气机出口压力动态系数以及动力涡轮输出功率的加速系数与减速系数；
[0031]所述稳态基点自动生成模块用于根据稳态工作区域判定逻辑模块中生成的稳态工作点数据、采用聚类合并法和拟合插值法计算出稳态基点，生成稳态基点插值表；
[0032]所述动态加减速系数自动生成模块用于根据所述动态工作区域判定逻辑模块中生成的不同燃气涡轮转子转速换算值下燃气涡轮转速动态系数、燃气涡轮出口温度动态系数、压气机出口压力动态系数以及动力涡轮输出功率的加速、减速系数，采用拟合插值法获得其在稳态基点对应下的加速、减速系数，生成动态加减速系数插值表；
[0033]所述动态实时模型计算运行模块用于根据所述稳态基点自动生成模块生成的稳态基点插值表和所述动态加减速系数自动生成模块中生成的动态加减速系数插值表，采用动态加减速系数法、根据涡轮发动机动态实时模型的输入参数计算出发动机动态实时模型的输出参数。
[0034]本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果:
[0035](I)本发明提出的涡轴发动机动态实时模型构建方法，能适用于在缺乏部件特性数据只利用试车数据情况下的涡轴发动机建模，是一种有效的数据驱动的涡轴发动机模型建模方法。
[0036](2)本发明提出的涡轴发动机动态实时模型构建方法，为改善动态模型精度，建模时引入了加速过程和减速过程两组动态系数，该模型能模拟包含起动、慢车以上状态的涡轴发动机全状态工况，且模型计算耗时小，能满足涡扇发动机机载实时需求；
[0037](3)本发明设计的涡轴发动机动态实时模型系统，能自动生成稳态基点插值表和动态系数插值表，将其存储在该软件相应路径下即可获得基于该试验数据的发动机动态实时模型，降低劳动强度，节约设计开发成本，且并不局限于某一型号涡轴发动机，具有一定的通用性。
【专利附图】
【附图说明】
[0038]图1是涡轴发动机动态实时模型建模方法的流程图；
[0039]图2是某型涡轴发动机慢车以上状态稳态区域聚类合并效果对比图；
[0040]图3是某型涡轴发动机动态实时模型(含起动)稳态基点插值表；
[0041]图4是某型涡轴发动机动态实时模型(含起动)动态加减速系数插值表；
[0042]图5是某型涡轴发动机动态实时模型起动阶段燃气涡轮转速仿真效果图；
[0043]图6是某型涡轴发动机动态实时模型起动阶段压气机出口压力仿真效果图；[0044]图7是某型涡轴发动机动态实时模型起动阶段燃气涡轮出口温度仿真效果图；
[0045]图8是某型涡轴发动机动态实时模型的燃气发生器的燃气涡轮转速仿真效果图；
[0046]图9是某型涡轴发动机动态实时模型的燃气发生器的压气机出口压力仿真效果图；
[0047]图10是某型涡轴发动机动态实时模型的燃气发生器的燃气涡轮出口温度仿真效果图；
[0048]图11是某型涡轴发动机动态实时模型的动力涡轮及负载仿真效果图。
【具体实施方式】
[0049]下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
[0050]本发明的思路是针对先进涡轴发动机在缺少部件特性数据情况下的发动机实时模型需求，在现有航空发动机通用模型建模方法基础上进行扩展，利用剩余燃油流量动态加减速系数法，建立起包括起动模型、慢车以上状态燃气发生器模型和动力涡轮及负载模型在内的涡轴发动机动态实时模型，相比于非线性部件级模型该模型计算耗时明显减小，能满足机载实时性要求，适用于缺少部件特性只依据试车数据的建模，同时设计的发动机动态实时模型自动生成软件能自动获取稳态基点插值表和动态加减速系数表，以固定格式与路径保存于编制的动态模型系统中即可获得涡轴发动机动态模型，该方法是涡轴发动机实时模型的数据驱动建模的有益尝试，能显著降低劳动强度，减少设计开发成本。
[0051]本发明的【具体实施方式】以某型涡轴发动机动态实时模型构建与模型自动生成为例，图1是涡轴发动机动态实时模型建模计算流程图，该动态实时模型及系统的建立方法包括以下步骤:
[0052]步骤A)，建立涡轴发动机稳态实时模型；
[0053]步骤B)，采用剩余燃油流量动态加减速系数法建立涡轴发动机动态实时模型。
[0054]其中步骤A)的详细步骤如下:
[0055]步骤Al)、涡轴发动机稳态实时模型参数相似归一化换算，由于试车数据是在不同的大气条件下进行试车试验获得的，因此需对原始试车数据进行相似变换，将其换算到标准大气状况下(PelOUZSPa，?\=288.15Κ)，以便将其用于适用于不同大气条件的发动机简化模型建模中。在环境温度为T1，环境压力为P1的大气条件下,燃气涡轮转速Ng、动力涡轮输出功率Ne、燃油流量Wf、燃气涡轮出口温度T45和压气机出口压力P3的换算公式如下
【权利要求】
1.一种涡轴发动机动态实时模型建模方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤A)，建立涡轴发动机稳态实时模型； 步骤B)，采用剩余燃油流量动态加减速系数法建立涡轴发动机动态实时模型。
2.根据权利要求1所述的涡轴发动机动态实时模型建模方法，其特征在于，步骤A)的具体步骤如下: 步骤Al)，根据涡轴发动机工作条件，将试车数据进行相似归一化的换算； 步骤A2)，对换算后的数据进行野点剔除及平滑滤波处理； 步骤A3)，根据试车数据中稳态过程的数据，对工作状态相近的稳态数据进行聚类合并，以此构造稳态工作点； 步骤A4)，根据稳态工作点，采用多项式拟合法获得稳态关系曲线，利用稳态关系曲线插值获得稳态基点，并以此构造稳态基点插值表； 步骤A5)，根据构造的稳态基点插值表，采用线性插值法建立包含起动机在内的涡轴发动机的稳态实时模型。
3.如权利要求2所述的涡轴发动机动态实时模型建模方法，其特征在于，步骤A4)中利用稳态关系曲线插值获得稳态基点的详细步骤如下: 将燃气涡轮转速换算值与预先设定的转速换算阈值进行比较，如果燃气涡轮转速换算值大于等于预先设定的转速换算阈值，将稳态关系曲线以约2%的间隔进行插值获得稳态基点；果燃气涡轮转速换算值小于预先设定的转速换算阈值，将稳态关系曲线以3%-5%的间隔进行插值获得稳态基点。
4.如权利要求2所述的涡轴发动机动态实时模型建模方法，其特征在于，步骤B)的具体步骤如下: 步骤BI)，根据试车数据中动态过程的数据，利用剩余燃油量动态系数法的定义，分别计算出不同燃气涡轮转子转速换算值下的燃气涡轮转速动态系数、燃气涡轮出口温度动态系数、压气机出口压力动态系数和动力涡轮输出功率动态系数，以获得动态系数插值表；步骤B2)，建立慢车以上状态燃气发生器动态实时模型，该模型的输入参数为燃油流量、进口总压、进口总温，输出参数为燃气涡轮转速、压气机出口压力、燃气涡轮出口温度，采用剩余燃油流量动态系数法计算出模型输出参数； 步骤B3)，建立慢车以上状态动力涡轮及负载动态实时模型，该模型输入参数为燃气涡轮转速、燃油流量、进口总压、进口总温、负载杆角度，模型输出参数为动力涡轮转速、动力涡轮输出功率，分别利用剩余燃油流量动态系数法和动力涡轮转子功率平衡求解模型输出参数； 步骤B4)，建立涡轴发动机起动阶段数学模型，该模型包括起动机单独带转阶段的模型、起动机与燃气涡轮共同带转阶段的模型、以及燃气涡轮单独带转阶段的模型； 步骤B5)，建立涡轴发动机动态实时模型，该模型包含步骤A5)建立的稳态实时模型、步骤B2)建立的慢车以上燃气发生器动态实时模型、步骤B3)建立的动力涡轮及负载动态实时模型、以及步骤B4)建立的起动阶段数学模型，根据各个模型的输入参数解算各个模型的输出参数。
5.如权利要求4所述涡轴发动机动态实时模型建模方法，其特征在于，所述动态系数包含加速系数和减速系数。
6.如权利要求4所述涡轴发动机动态实时模型建模方法，其特征在于，步骤B2)中采用剩余燃油流量动态系数法计算出模型输出参数时，燃气涡轮转速以前一时刻的动态值为当前时刻的初始值进行累加，压气机出口压力和燃气涡轮出口温度以当前时刻的稳态值作为初始值进行累加。
7.如权利要求4所述涡轴发动机动态实时模型建模方法，其特征在于，步骤B3)中采用剩余燃油流量动态系数法计算出模型输出参数时，动力涡轮输出功率以当前时刻的稳态值作为初始值进行累加。
8.如权利要求4所述涡轴发动机动态实时模型建模方法，其特征在于，步骤B2)中采用剩余燃油流量动态系数法计算出燃气涡轮出口温度后，作为参数输入至一阶惯性温度传感器模型，以获得能够反映延迟效应的出燃气涡轮出口温度输出参数。
9.基于权利要求4所述涡轴发动机动态实时模型建模方法的系统，其特征在于，包括试车数据预处理模块、稳态工作区域判定逻辑模块、动态工作区域判定逻辑模块、稳态基点自动生成模块、动态加减速系数自动生成模块和动态实时模型计算运行模块: 所述试车数据预处理模块用于对原始试车数据进行剔除野点和平滑滤波处理； 所述稳态工作区域判定逻辑模块用于根据经所述试车数据预处理模块处理后的试车数据中稳态过程的数据，获得稳态工作点数据； 所述动态工作区域判定逻辑模块用于判定经所述试车数据预处理模块处理后的试车数据中的动态工作范围，获得不同燃气涡轮转子转速换算值下燃气涡轮转速动态系数、燃气涡轮出口温度动态系数、压气机出口压力动态系数以及动力涡轮输出功率的加速系数与减速系数； 所述稳态基点自动生成模块用于根据稳态工作区域判定逻辑模块中生成的稳态工作点数据、采用聚类合并法和拟合插值法计算出稳态基点，生成稳态基点插值表； 所述动态加减速系数自动生成模块用于根据所述动态工作区域判定逻辑模块中生成的不同燃气涡轮转子转速换算值下燃气涡轮转速动态系数、燃气涡轮出口温度动态系数、压气机出口压力动态系数以及动力涡轮输出功率的加速、减速系数，采用拟合插值法获得其在稳态基点对应下的加速、减速系数，生成动态加减速系数插值表； 所述动态实时模型计算运行模块用于根据所述稳态基点自动生成模块生成的稳态基点插值表和所述动态加减速系数自动生成模块中生成的动态加减速系数插值表，采用动态加减速系数法、根据涡轮发动机动态实时模型的输入参数计算出发动机动态实时模型的输出参数。
【文档编号】G06F17/50GK103838920SQ201410050351
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年2月13日 优先权日:2014年2月13日
【发明者】鲁峰, 黄金泉, 张冬冬, 姚文荣, 邢耀东 申请人:南京航空航天大学