一种挖掘航空发动机的加速潜能的控制系统及控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种挖掘航空发动机的加速潜能的控制系统及控制方法，包括航空发动机、优化控制器、全权限数字电子控制器以及发动机非线性实时数学模型；航空发动机上安装有用于测试发动机转速、温度以及压力的传感器，全权限数字电子控制器通过电磁阀组件控制航空发动机。本发明控制方法，在避免发动机模型线性化处理带来的模型误差的基础上，相比于目前已有的控制算法，所设计的优化控制算法可在保证优化控制效果的基础上，引入安全约束后，可以大幅提升发动机加速过程的工作安全性；与传统控制方法相比，本发明可避免发动机模型线性化误差，大幅提升系统优化效果置信度。
【专利说明】一种挖掘航空发动机的加速潜能的控制系统及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于航空发动机加速控制【技术领域】，涉及一种航空发动机加速过程性能寻优控制系统，具体涉及一种挖掘航空发动机的加速潜能的控制系统及控制方法。
【背景技术】
[0002]当今，高性能军用歼击机对发动机的机动性要求越来越高，这就在客观上对发动机加速控制系统提出了更高的要求。在发动机加速过程中，若能在尽可能短的时间内将发动机推力提升到最大，将会使飞机具有更好的机动性，从而获得更好的作战优势。
[0003]航空发动机是一个极其复杂的热力机械系统，其具有强非线性、多变量、强耦合等特性。随着航空发动机技术的发展，航空发动机的工作范围越来越大，对航空发动机的加速性能的要求也越来越高，如希望加速时间短、发动机的推力提升快等。为实现上述目标，要求现代的航空发动机加速控制系统具备在线寻优控制能力。而传统的机械液压式控制器采用了子系统独立设计和控制的方法，很难实现在线优化控制。而随着现代计算机技术的发展，以发动机全权限数字电子控制器(Full Authority Digital ElectronicControl, FADEC)为基础，可实现航空发动机加速在线寻优控制。航空发动机加速过程优化控制技术对于提高航空发动机性能，使飞机获得更好的空中作战优势，具有重要的意义。
[0004]在20世纪70年代，已有美国学者将线性二次型最优控制理论应用于航空发动机加速控制。而将线性二次型最优控制理论应用于航空发动机加速过程优化控制时，具有明显缺点，如采用此方法时需对发动机数学模型进行线性化处理，这导致了模型精度降低，控制效果大打折扣，且鲁棒性较差，较小的模型误差就可能导致系统不稳定。目前国外公开的有关航空发动机加速过程优化控制的研究资料非常少，且大多为一些科普性的资料，一些关键性的技术资料并未公开，很难了解到其核心技术。
[0005]国内有学者设计了以线性规划方法、序列二次规划(Sequential QuadraticProgramming, SQP)算法、遗传算法(Genetic Algorithm, GA)等算法为优化控制算法的航空发动机加速在线优化控制系统。但这些方法存在如下缺陷:
[0006](I)这些方法中，线性规划方法和SQP算法的突出优点是所需计算量小，实时性好，但使用这些方法时，需要使用相似理论在全飞行包线范围内分块线性化处理发动机的非线性数学模型，这致使航空发动机模型出现线性化误差，导致其精度较差。此外，这两种方法对于初始解非常敏感，若初始解设置不合适，容易导致算法陷入局部最优解甚至不收敛。
[0007](2)采用遗传算法等智能算法时，无需对发动机数学模型进行线性化且其优化效果良好，但这类智能算法的缺点在于需要大量计算才能收敛到最终解，故其计算效率低，实时性差。
[0008]综上，目前尚未出现针对航空发动机加速在线寻优控制的，既能避免发动机模型线性化处理带来的模型误差，又具有严格的全局收敛能力、不对初始解敏感、高优化效率(算法实时性可达到实际应用要求)等特性的优化算法。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于解决上述问题，提供一种挖掘航空发动机的加速潜能的控制系统及控制方法，该系统直接采用航空发动机非线性数学模型作为机载模型，不对其做任何线性化处理，以提高优化控制效果的置信度。
[0010]为达到上述目的，本发明采用以下技术方案来实现:
[0011]一种挖掘航空发动机的加速潜能的控制系统，包括航空发动机、用于控制航空发动机的全权限数字电子控制器以及用于为全权限数字电子控制器提供最优控制策略的机载计算机；航空发动机上安装有转速传感器、温度传感器以及压力传感器，各传感器的输出端分别与全权限数字电子控制器和机载计算机相连；机载计算机的输出端与全权限数字电子控制器相连；全权限数字电子控制器根据最优控制策略通过电磁阀组件控制航空发动机。
[0012]上述的机载计算机内设置有处理器模块、优化控制器以及发动机非线性实时数学模型；所述优化控制器与发动机非线性实时数学模型相交互。
[0013]上述的优化控制器包括加速寻优控制算法模块、优化控制目标模块、安全约束模块以及物理约束模块；所述加速寻优控制算法模块通过调用发动机非线性实时数学模型，并根据优化控制目标模块、安全约束模块以及物理约束模块为全权限数字电子控制器提供最优控制策略。
[0014]上述的电磁阀组件分别通过几何位置调节组件和主燃油控制组件与航空发动机相连。
[0015]本发明还公开了一种挖掘航空发动机的加速潜能的控制方法，包括以下步骤:
[0016]I)对航空发动机的主燃烧室燃油流量WFM、航空发动机尾喷口喉部面积A8、航空发动机风扇进口导流叶片转角a 1、航空发动机高压压气机可调静子叶片转角Ci2进行浮点数编码，随机生成一个由若干个个体组成的群体，所述的个体由分别进行编码后的WFM、A8、a i和α 2组成；
[0017]2)优化控制器调用发动机非线性实时数学模型计算步骤I)中得到的每个个体适应度，并按照适应度大小由高到低的顺序排列步骤I)中得到的个体，按照排列顺序，由高至低选出排名在前5%~40%的个体，同时由低至高选出排名在后5%~40%的个体；
[0018]将选出的排名在前5%~40%的个体直接保留到下一代，同时直接将排名在后5%~40%的个体从群体中移除；
[0019]从排名在前5%~40%的个体中随机选择“双亲”，然后进行交叉操作，生成新的个体，用生成的新的个体，取代被移除的个体；
[0020]3)设有一个个体为:X = [X1, X2, X3, X4It7Xi, x2, X3, X4分别表示组成该个体的发动机参数WFM、A8、a i和α 2，若其在xk(k=l、2、3或4)点发生变异，Xk的取值范围为[xtain，XkmaJ，其中，Xkfflin和Xkmax分别为在现有物理装置的条件下Xk能取到的最小值和最大值，则个体中的Xk被X, k取代，根据所设计非均匀变异操作方法，在发生变异后，
【权利要求】
1.一种挖掘航空发动机的加速潜能的控制系统，其特征在于:包括航空发动机、用于控制航空发动机的全权限数字电子控制器以及用于为全权限数字电子控制器提供最优控制策略的机载计算机；航空发动机上安装有转速传感器、温度传感器以及压力传感器，各传感器的输出端分别与全权限数字电子控制器和机载计算机相连；机载计算机的输出端与全权限数字电子控制器相连；全权限数字电子控制器根据最优控制策略通过电磁阀组件控制航空发动机。
2.根据权利要求1所述的挖掘航空发动机的加速潜能的控制系统，其特征在于:所述的机载计算机内设置有处理器模块、优化控制器以及发动机非线性实时数学模型；所述优化控制器与发动机非线性实时数学模型相交互。
3.根据权利要求2所述的挖掘航空发动机的加速潜能的控制系统，其特征在于:所述的优化控制器包括加速寻优控制算法模块、优化控制目标模块、安全约束模块以及物理约束模块；所述加速寻优控制算法模块通过调用发动机非线性实时数学模型，并根据优化控制目标模块、安全约束模块以及物理约束模块为全权限数字电子控制器提供最优控制策略。
4.根据权利要求1所述的挖掘航空发动机的加速潜能的控制系统，其特征在于:所述的电磁阀组件分别通过几何位置调节组件和主燃油控制组件与航空发动机相连。
5.一种采用权利要求1至4任意一项所述的挖掘航空发动机的加速潜能的控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤: .1)对航空发动机的主燃烧室燃油流量WFM、航空发动机尾喷口喉部面积A8、航空发动机风扇进口导流叶片转角a 1、航空发动机高压压气机可调静子叶片转角Ci2进行浮点数编码，随机生成一个由若干个个体组成的群体，所述的个体由分别进行编码后的WFM、A8、Q1和α 2组成； .2)优化控制器调用发动机非线性实时数学模型计算步骤I)中得到的每个个体适应度，并按照适应度大小由高到低的顺序排列步骤I)中得到的个体，按照排列顺序，由高至低选出排名在前5%~40%的个体，同时由低至高选出排名在后5%~40%的个体； 将选出的排名在前5%~40%的个体直接保留到下一代，同时直接将排名在后5%~40%的个体从群体中移除； 从排名在前5%~40%的个体中随机选择“双亲”，然后进行交叉操作，生成新的个体，用生成的新的个体，取代被移除的个体； .3)设有一个个体为:x= [X1, X2, X3, X4]T，X1, X2, X3, X4分别表示组成该个体的发动机参数WFM, A8、01和α2，若其在Xk (k=l、2、3或4)点发生变异，Xk的取值范围为[Xkmin, Xkmax]，其中，Xkfflin和Xkmax分别为在现有物理装置的条件下Xk能取到的最小值和最大值，则个体中的Xk被X, k取代，根据所设计非均匀变异操作方法，在发生变异后，
6.根据权利要求5所述的挖掘航空发动机的加速潜能的控制方法，其特征在于:所述步骤2)中适应度大小的确定方法如下: 在步骤I)产生的个体中，当个体满足安全约束和物理约束条件时，每个控制周期内的优化控制目标值Ji'越小的个体，其适应度越高；当个体不满足安全约束和物理约束时，则越接近满足安全约束和物理约束条件的个体的适应度越高。
7.根据权利要求6所述的挖掘航空发动机的加速潜能的控制方法，其特征在于:所述步骤2)中每个控制周期内的优化控制目标值Ji'的确定方法如下: 优化控制目标值J为: 上式中，FN表示发动机产生的推力，T为总的加速控制时间，K为常数，此处将其值设置为:K = 1.5FNmax, FNmax为航空发动机在最大状态下，采用全权限数字电子控制器时，可产生的最大推力； 对优化控制目标值J进行如下处理:
8.根据权利要求6所述的挖掘航空发动机的加速潜能的控制方法，其特征在于:将加速时间T划分为有限个单位控制周期，设定τ为每个单位控制周期持续的时间，则在第i个控制周期内:
9.根据权利要求5所述的挖掘航空发动机的加速潜能的控制方法，其特征在于:所述步骤2)中交叉操作的具体步骤如下: (I)不断随机选取群体中的两个个体进行配对，直到所有待选个体配对完成，然后在每一对个体上随机选取交叉点； (2 )交换每一对随机配对的个体的交叉点处的染色体。
【文档编号】F02C9/28GK103452674SQ201310314749
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年7月24日 优先权日:2013年7月24日
【发明者】李 杰, 樊丁, 李刚, 李晓辉, 林海, 陈金平 申请人:长安大学