航空发动机动态性能保持控制方法及装置

本发明涉及一种航空发动机动态性能保持控制方法，属于航空发动机控制。

背景技术：

1、航空发动机是为航空器提供动力输出的动力机械，在军事和民用中均得到广泛关注。由于其转动部件长期工作的高温、高压、强振动环境下，不可避免发生性能退化，使得转动部件的流量和效率特性偏离设计点，引起涡轮出口温度升高、耗油率增加、加速性能降低。

2、加速性能是衡量航空发动机的动态性能的一项重要指标，传统的加减速控制是采用基于换算油气比的控制方法。为了获得最优的换算油气比控制计划，通常采用对加速过程进行优化的方法来实现。优化通常基于额定发动机的部件级数学模型，以剩余功率最大或者跟踪误差最小为目标，开展约束条件下的加速过程优化。额定发动机的加速控制计划，应用于退化发动机时，可能使得发动机在加速过程中发生超温、超转、喘振等危害发动机工作安全等问题，同时也可能带来加速时间变长的问题。针对退化发动机加速性能保持控制方面，目前的研究是通过调整加速过程中的喘振裕度约束来实现的，在加速前期增大喘振裕度的最小值约束，避免退化发动机快速靠近喘振边界，在加速后期减小喘振裕度最小值约束，提高发动机加速性能。但是一方面，喘振裕度不易测量；另一方面，航空发动机通常都具有诸如压气机导叶、放气活门、涡轮导向器等可调几何机构，而现有航空发动机加速控制方案通常将可调几何机构设置为固定状态，没能充分利用发动机可调几何机构在加速过程中与燃油相配合的作用，不能充分挖掘退化发动机的性能潜力。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种航空发动机动态性能保持控制方法，对航空发动机性能退化状况进行实时估计，并依据性能退化情况在加速过程中选取最优的考虑性能退化的换算油气比加速控制计划、考虑性能退化的可调几何机构控制计划，分别对燃油流量和可调几何机构进行控制，从而提升退化发动机的加速性能，实现航空发动机的动态性能保持。

2、本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

3、一种航空发动机动态性能保持控制方法，所述航空发动机具有主控制器及至少一个可调几何机构；使用以下方法对航空发动机的加速过程进行控制：对航空发动机的退化情况进行实时估计，并选取与当前退化情况相对应的考虑性能退化的换算油气比加速控制计划、考虑性能退化的可调几何机构控制计划；然后以所述考虑性能退化的换算油气比加速控制计划输出的燃油控制指令与主控制器输出的燃油控制指令中的较小值作为最终的燃油控制指令，同时用所述考虑性能退化的可调几何机构控制计划对发动机进行控制；其中，对应于不同退化情况的考虑性能退化的换算油气比加速控制计划、考虑性能退化的可调几何机构控制计划，是以航空发动机加速时间最短为优化目标，通过离线优化的方式预先得到。

4、基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：

5、一种航空发动机动态性能保持控制装置，所述航空发动机具有主控制器及至少一个可调几何机构；所述航空发动机动态性能保持控制装置使用以下方法对航空发动机的加速过程进行控制：对航空发动机的退化情况进行实时估计，并选取与当前退化情况相对应的考虑性能退化的换算油气比加速控制计划、考虑性能退化的可调几何机构控制计划；然后以所述考虑性能退化的换算油气比加速控制计划输出的燃油控制指令与主控制器输出的燃油控制指令中的较小值作为最终的燃油控制指令，同时用所述考虑性能退化的可调几何机构控制计划对发动机进行控制；其中，对应于不同退化情况的考虑性能退化的换算油气比加速控制计划、考虑性能退化的可调几何机构控制计划，是以航空发动机加速时间最短为优化目标，通过离线优化的方式预先得到。

6、优选地，所述离线优化的方法具体如下：基于贝塞尔曲线构造加速过程的可调几何机构控制指令变化曲线，所述贝塞尔曲线控制点的纵坐标为待优化参数，横坐标为加速阶段；在不同的退化情况下，分别以航空发动机加速时间最短为优化目标，使用智能优化算法求解出最优的贝塞尔曲线控制点，该贝塞尔曲线即为考虑性能退化的可调几何机构控制计划；最后基于不同退化情况下的可调几何机构控制计划的仿真结果，提取相应的发动机动态输出数据，进而构建相应的考虑性能退化的换算油气比加速控制计划。

7、优选地，使用预先训练的xgboost模型对航空发动机的退化情况进行实时估计。

8、优选地，使用从航空发动机的所有退化参数中所选取的对加速时间影响最大的部分关键退化参数来表征所述航空发动机的退化情况。

9、优选地，所述主控制器为基于广义预测的动力涡轮转速控制器。

10、相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

11、传统的控制计划基于额定发动机设计，并不能与退化发动机状态相匹配，从而制约了退化发动机的加速性能，本发明针对不同退化程度，分别设计加速过程中考虑性能退化的换算油气比加速控制计划和可调几何机构控制计划，使得可调几何机构及燃油控制计划与退化发动机之间匹配工作，有助于充分发挥并提高退化发动机的加速性能。

技术特征：

1.一种航空发动机动态性能保持控制方法，所述航空发动机具有主控制器及至少一个可调几何机构；其特征在于，使用以下方法对航空发动机的加速过程进行控制：对航空发动机的退化情况进行实时估计，并选取与当前退化情况相对应的考虑性能退化的换算油气比加速控制计划、考虑性能退化的可调几何机构控制计划；然后以所述考虑性能退化的换算油气比加速控制计划输出的燃油控制指令与主控制器输出的燃油控制指令中的较小值作为最终的燃油控制指令，同时用所述考虑性能退化的可调几何机构控制计划对发动机进行控制；其中，对应于不同退化情况的考虑性能退化的换算油气比加速控制计划、考虑性能退化的可调几何机构控制计划，是以航空发动机加速时间最短为优化目标，通过离线优化的方式预先得到。

2.如权利要求1所述航空发动机动态性能保持控制方法，其特征在于，所述离线优化的方法具体如下：基于贝塞尔曲线构造加速过程的可调几何机构控制指令变化曲线，所述贝塞尔曲线控制点的纵坐标为待优化参数，横坐标为发动机转速；在不同的退化情况下，分别以航空发动机加速时间最短为优化目标，使用智能优化算法求解出最优的贝塞尔曲线控制点，该贝塞尔曲线即为考虑性能退化的可调几何机构控制计划；最后基于不同退化情况下的可调几何机构控制计划的仿真结果，提取相应的发动机动态输出数据，进而构建相应的考虑性能退化的换算油气比加速控制计划。

3.如权利要求1所述航空发动机动态性能保持控制方法，其特征在于，使用预先训练的xgboost模型对航空发动机的退化情况进行实时估计。

4.如权利要求1所述航空发动机动态性能保持控制方法，其特征在于，使用从航空发动机的所有退化参数中所选取的对加速时间影响较大的部分关键退化参数来表征所述航空发动机的退化情况。

5.如权利要求1所述航空发动机动态性能保持控制方法，其特征在于，所述主控制器为基于广义预测的动力涡轮转速控制器。

6.一种航空发动机动态性能保持控制装置，所述航空发动机具有主控制器及至少一个可调几何机构；其特征在于，所述航空发动机动态性能保持控制装置使用以下方法对航空发动机的加速过程进行控制：对航空发动机的退化情况进行实时估计，并选取与当前退化情况相对应的考虑性能退化的换算油气比加速控制计划、考虑性能退化的可调几何机构控制计划；然后以所述考虑性能退化的换算油气比加速控制计划输出的燃油控制指令与主控制器输出的燃油控制指令中的较小值作为最终的燃油控制指令，同时用所述考虑性能退化的可调几何机构控制计划对发动机进行控制；其中，对应于不同退化情况的换算油气比加速控制计划、可调几何机构控制计划，是以航空发动机加速时间最短为优化目标，通过离线优化的方式预先得到。

7.如权利要求6所述航空发动机动态性能保持控制装置，其特征在于，所述离线优化的方法具体如下：基于贝塞尔曲线构造加速过程的可调几何机构控制指令变化曲线，所述贝塞尔曲线控制点的纵坐标为待优化参数，横坐标为加速阶段；在不同的退化情况下，分别以航空发动机加速时间最短为优化目标，使用智能优化算法求解出最优的贝塞尔曲线，该贝塞尔曲线上的控制点即为不同退化情况及不同加速阶段的考虑性能退化的可调几何机构控制计划；最后基于不同退化情况及不同加速阶段的考虑性能退化的可调几何机构控制计划的仿真结果，提取相应的发动机动态输出数据，进而构建相应的考虑性能退化的换算油气比加速控制计划。

8.如权利要求6所述航空发动机动态性能保持控制装置，其特征在于，使用预先训练的xgboost模型对航空发动机的退化情况进行实时估计。

9.如权利要求6所述航空发动机动态性能保持控制装置，其特征在于，使用从航空发动机的所有退化参数中所选取的对加速时间影响最大的部分关键退化参数来表征所述航空发动机的退化情况。

10.如权利要求6所述航空发动机动态性能保持控制装置，其特征在于，所述主控制器为基于广义预测的动力涡轮转速控制器。

技术总结
本发明公开了一种航空发动机动态性能保持控制方法。本发明使用以下方法对航空发动机的加速过程进行控制：对航空发动机的退化情况进行实时估计，并选取与当前退化情况及加速阶段相对应的考虑性能退化的换算油气比加速控制计划、考虑性能退化的可调几何机构控制计划；然后以所述考虑性能退化的换算油气比加速控制计划输出的燃油控制指令与主控制器输出的燃油控制指令中的较小值作为最终的燃油控制指令，同时用所述考虑性能退化的可调几何机构控制计划对发动机进行控制。本发明还公开了一种航空发动机动态性能保持控制装置。相比现有技术，本发明可提升退化发动机的加速性能，实现航空发动机的动态性能保持。

技术研发人员：李秋红,邓达明,刘鑫洋,周文祥,庞淑伟,陈弘毅,王涛,顾子渝
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24