压气机稳定性自适应控制方法与流程
本公开属于航空发动机压气机稳定性控制领域，涉及一种压气机稳定性自适应控制方法。
背景技术：
随着人们对于压气机稳定性问题的认识不断加深，很多寄希望于通过改善失速堵塞或影响失速先兆来进行稳定性控制的策略被不断提出和发展。从控制方式的角度出发，这些压气机稳定性控制方式大体可以分为两类：主动控制和被动控制。
早期的被动控制往往都是通过改变压气机结构(尤其是壁面结构)来人为地改善由于旋转失速造成的叶片通道流动堵塞的现象，例如机匣处理、中间级放气等。这些被动控制的最大特点就是针对性很弱，并且起作用的时刻往往都是压气机系统工作已经失稳的时刻。即便是这些控制手段起得了作用(让压气机重新稳定工作)，但是所出现的短暂的失稳过程(甚至反复出现的稳定-失稳-稳定的过程)对于压气机叶片和其他相关结构也会产生极其不利的影响。
与被动控制不同，压气机稳定性主动控制是随着失速先兆波的发现而被提出并发展的一种稳定性控制手段。
众所周知，在失速发生前可以在转子壁面周向布置压力传感器，以监测动态压力信号的周向模态。一种宽频的短波长的脉冲形式的扰动被称为“突尖波”形式的失速先兆。还有一种具有特征传播频率的长波长的正弦波形式的扰动被称为“模态波”形式的失速先兆。
主动控制的主要思想即是通过控制失速先兆波向失速起始的演化，即能避免压气机进入旋转失速。一般来说，这种控制方法可以被应用在失速先兆类型为“模态波”形式的压气机的稳定性控制上，采用的具体策略则是通过不同种类的激励器产生与失速先兆波幅值相同相位相反的扰动，进而抵消失速先兆波。因其需要针对不同工况和压气机类型实时探测并分析失速先兆波，并产生可以与之对消的扰动，所以这种稳定性控制方法被称为主动控制方法。
但是，无论是被动控制还是主动控制，都是只局限在其固有的控制律，因此总是有不可避免的不足和不同程度的代价。
对被动控制来说，扩稳机构在压气机工作远离失稳边界时总是会对压气机性能产生负面影响，并且其没有针对性的控制策略往往无法实现理想的稳定性控制。
对于主动控制来说，现有技术还只能在实验室环境下对“模态波”形式的失速先兆进行对消，并且对失速先兆波的捕捉以及激励器产生相应的扰动都及其困难。另外，该控制理论并不包含对环境变化的观测与考察，仅仅凭借已有的既定控制规律很难实现在多变环境下对被控对象进行合适的控制。
因此，亟需发展一种新的压气机稳定性控制手段能兼顾主/被动控制的优点，并且易于实现控制优化。
技术实现要素：
为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供了压气机稳定性自适应控制方法，其结合了失速先兆抑制型机匣处理和失速预警技术，用于对压气机系统的稳定性进行自适应控制，其采用如下技术方案或其组合：
[压气机系统稳定性自适应控制系统]
一种压气机系统稳定性自适应控制系统，其包括：传感器系统、系统辨识器、激励器。
其中，传感器系统用于实时测量压气机系统的一个或一个以上可测物理量(即能够用传感器直接测量的物理量，如：
系统辨识器(即系统识别模块)用于根据所测的一个或一个以上可测物理量预估上述一个或一个以上可测物理量的变化范围，以得到系统参数估计量(又称估计系统参数，该步的参数识别与估计能够用于判断压气机系统的稳定性的发展方向，如，
激励器(又称控制器)用于根据系统状态估计量
在本公开中，上述的可测物理量应不同于可调物理量，但是可测物理量与可调物理量均与压气机系统的稳定性有关，根据可测物理量的测量结果及预测结果对可调物理量进行相应调节，从而反作用于压气机系统，使其保持稳定性状态。由此，本公开实现了将传感器的监测对象(针对可测物理量)与激励器的控制作用对象(针对可调物理量)相分离。这样既能通过改变监测对象而避免复杂的数据测量和分析过程(无需直接测量随机干扰w(k)和传感器噪声v(k)等不可测物理量，但实际上又间接将上述因素考虑在内)，从而实现快速精准的系统辨识，充分提前地预测压气机系统的稳定性状态；又能采用激励器根据预估的结果简单快速地通过常见的参数可调的扩稳技术(针对可调物理量)对压气机的稳定性进行优化控制，从而实现对压气机系统稳定性的自适应控制过程。
在本公开的一些优选实施例中，传感器系统选自以下传感器中的任意一种或一种以上：用于测量压气机系统的转子叶片的压力信号的压力传感器、用于测量压气机系统的转子的转速的扭矩传感器、用于测量压气机系统的进口流量的流量传感器、用于测量压气机系统的压升系数的进出口总静压力传感器、用于测量压气机系统的进出口总温的进出口温度传感器、用于测量压气机系统的进出口总压的进出口压力传感器、用于测量压气机系统的机匣壁面的静压力脉动的高频动态压力传感器。
在本公开的一些优选实施例中，可测物理量选自压气机系统的以下物理量中的任意一个或一个以上：转子叶片的压力信号、转子的转速(扭矩传感器测得)、进口流量(进口流量传感器测得)、流量系数(转速和进口流量换算而得)、进出口的压升系数(进出口总静压力传感器测得)、进出口总温(进出口温度传感器测得)、进出口总压(进出口压力传感器测得)、机匣壁面的静压力脉动(高频动态压力传感器测得)。
在本公开的一些优选实施例中，控制律为机匣处理相关参数(可以预设)、可调导叶相关参数(可以预设)、吹气装置相关参数(可以预设)、放气装置相关参数(可以预设)中的任意一种或一种以上的组合。每1个控制律为上述不同参数的组合。例如，控制律ⅰ包括机匣处理相关参数的某一具体值、可调导叶相关参数的某一具体值。控制律ⅱ包括机匣处理相关参数的另一具体值、可调导叶相关参数的另一具体值、吹气装置相关参数的某一具体值。以此类推。
在本公开的一些优选实施例中，可调物理量包括机匣处理相关参数、可调导叶相关参数、吹气装置相关参数、放气装置相关参数。
本公开的自适应控制明显有别于传统的被动控制和主要针对失速先兆波的主动控制。这是因为被动控制无法有针对性地对压气机系统进行扩稳，所以往往扩稳效果不是最优的，而且其对压气机定常特性影响较大。主动控制虽然是针对性很强的控制策略，但是正因为针对性太强导致其操作困难，很难在真实环境下实现主动扩稳。
与上述的主动控制和被动控制不同，本公开的压气机稳定性自适应控制系统综合考虑了主/被动控制的优缺点，通过系统辨识的方法代替探测失速先兆波，来对压气机稳定性状态进行判断，并用主动的方式操作可以进行参数调节的激励器(具有参数化调整特性)，既能实现对稳定性裕度的延拓，又能避免在大流量状态下机匣处理对压气机性能的影响。
另外，本公开与主动控制不同之处还在于：监测量与激励器的控制量并不是同一个物理量，监测量为反映系统稳定工作程度的概率统计量等，而激励器的控制量为流场内的压力扰动等。这种方式巧妙地将监测对象和控制作用对象分离，是本公开的自适应控制系统独特的优势，其既能通过改变监测对象而避免复杂的数据测量和分析过程，从而实现快速精准的系统辨识，充分提前地预测系统的稳定性状态，又能简单快速地通过常见的参数可调的扩稳技术对压气机的稳定性进行优化控制。
[压气机系统稳定性自适应控制方法]
一种压气机系统稳定性自适应控制方法，其包括如下步骤：
(1)、利用传感器系统实时测量压气机系统的一个或一个以上可测物理量(如：
(2)、利用系统辨识器根据所测的一个或一个以上可测物理量预估上述一个或一个以上可测物理量的变化范围，以得到系统参数估计量(估计系统参数
(3)、利用激励器根据系统状态估计量选择与其一一对应的控制律，并且根据控制律调节压气机系统的多个可调物理量，以维持压气机系统的稳定性状态；可测物理量不同于可调物理量。
在本公开的一些优选实施例中，传感器系统选自以下传感器中的任意一种或一种以上：用于测量压气机系统的转子叶片的压力信号的压力传感器、用于测量压气机系统的转子的转速的扭矩传感器、用于测量压气机系统的进口流量的流量传感器、用于测量压气机系统的压升系数的进出口总静压力传感器、用于测量压气机系统的进出口总温的进出口温度传感器、用于测量压气机系统的进出口总压的进出口压力传感器、用于测量压气机系统的机匣壁面的静压力脉动的高频动态压力传感器。
在本公开的一些优选实施例中，一个或一个可测物理量选自压气机系统的以下物理量中的任意一个或一个以上：转子叶片的压力信号、转子的转速、进口流量、进出口的压升系数、进出口总温、进出口总压、机匣壁面的静压力脉动。
在本公开的一些优选实施例中，控制律为机匣处理相关参数、可调导叶相关参数、吹气装置相关参数、放气装置相关参数中的任意两种或两种以上的组合。
在本公开的一些优选实施例中，可调物理量包括机匣处理相关参数、可调导叶相关参数、吹气装置相关参数、放气装置相关参数。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1为本公开实施例1的原理图。其中，压气机系统的状态参数为x(k)，系统状态估计量为
图2为本公开实施例2的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。
实施例1(压气机系统稳定性自适应控制系统)
本实施例提供了一种压气机系统稳定性自适应控制系统，其原理图如图1所示。本实施例的压气机系统稳定性自适应控制系统的控制对象为压气机系统，用于对压气机系统进行稳定性控制，该控制方式不同于现有技术的被动控制、主动控制、一般的线性闭环控制，而是自适应控制(含有系统辨识器)。自适应控制的被控对象一般具有两个基本特征：强非线性和随机性特征，这是因为压气机系统的状态参数x(k)包括初始量r(k)、叠加随机干扰w(k)和传感器噪声v(k)，上述三种系统状态参数x(k)容易受到环境随机性变化的影响，无法通过直接观测精确获得，具有复杂性、不确定性和干扰的多边性，故无法通过经典的线性控制理论实现对被控对象(压气机系统)的控制。
本实施例采用了自适应控制方法，通过获得可以测量的参数(即可测物理量)来间接反映这三种状态参数x(k)，并利用系统辨识器通过对可测物理量进行参数实时识别与估计得到系统参数估计量(又称估计系统参数，
具体而言，本实施例的压气机系统稳定性自适应控制系统通过以下组件实现，其包括：传感器系统、系统辨识器、激励器。
其中，传感器系统用于实时测量压气机系统的一个或一个以上可测物理量(如：
系统辨识器(即系统识别模块)能够通过各种系统辨识或参考模型的方式为控制器(激励器)提供控制律的指导，进而实现对被控对象的最优控制。系统辨识器具有“参数识别与估计”和“控制参数计算”两个作用，功能是实时监测压气机系统参数并判断系统稳定性状态。具体而言，系统辨识器用于根据所测的一个或一个以上可测物理量预估上述一个或一个以上可测物理量的变化范围，以得到系统参数估计量(又称估计系统参数，
激励器(又称控制器)用于根据系统状态估计量
在本公开中，上述的可测物理量应不同于可调物理量，由此，本公开实现了将传感器的监测对象与激励器的控制作用对象相分离。这样既能通过改变监测对象而避免复杂的数据测量和分析过程(无需直接测量随机干扰w(k)和传感器噪声v(k)，但实际上又间接将上述因素考虑在内)，从而实现快速精准的系统辨识，充分提前地预测系统的稳定性状态；又能简单快速地通过常见的参数可调的扩稳技术对压气机的稳定性进行优化控制，从而实现对压气机系统稳定性的自适应控制过程。
在本公开的一些优选实施例中，传感器系统选自以下传感器中的任意一种或一种以上：用于测量压气机系统的转子叶片的压力信号的压力传感器、用于测量压气机系统的转子的转速的扭矩传感器、用于测量压气机系统的进口流量的流量传感器、用于测量压气机系统的压升系数的进出口总静压力传感器、用于测量压气机系统的进出口总温的进出口温度传感器、用于测量压气机系统的进出口总压的进出口压力传感器、用于测量压气机系统的机匣壁面的静压力脉动的高频动态压力传感器。
在本公开的一些优选实施例中，压气机系统的可测物理量(可测量参数)选自压气机系统的以下物理量中的任意一个或一个以上：转子叶片的压力信号、转子的转速(扭矩传感器测得)、进口流量(进口流量传感器测得)、流量系数(转速和进口流量换算而得)、进出口的压升系数(进出口总静压力传感器测得)、进出口总温(进出口温度传感器测得)、进出口总压(进出口压力传感器测得)、机匣壁面的静压力脉动(高频动态压力传感器测得)。
上述可测物理量被系统辨识器用以预估和计算，以便判断压气机系统的稳定性状态。上述可测物理量中的任意一个或几个的组合均可用来判定压气机的稳定性状态。例如，当以流量系数和压升系数作为可测物理量时，若系统辨识器计算得到流量系数与压升系数无法维持在压气机系统稳定工作特性曲线上时，判定为压气机系统失稳，然后采取下一步动作(如选择对应的控制律并执行该控制律，以维持压气机系统的稳定性状态等)。又例如，当以机匣壁面的静压力脉动作为可测物理量时，通过测量所得的壁面压力脉动计算得到的相关性系数和相关性系数的概率分布情况，由此判断此时压气机工作点的失稳裕度以及裕度的变化趋势作为系统状态估计量，然后采取下一步动作(如选择对应的控制律并执行该控制律，以维持压气机系统的稳定性状态等)。
因为压气机系统本身具有强非线性和随机性特征，既含有可测物理量(可以测定的参数)，又含有不可测物理量(不可直接测得的参数，又称不确定的参数)，所以可以通过获取可测物理量来估计和计算不可测物理量，从而间接将不可测物理量考虑在内。
在本公开的一些优选实施例中，控制律为机匣处理相关参数、可调导叶相关参数、吹气装置相关参数、放气装置相关参数中的任意两种或两种以上的组合。
在本公开的一些优选实施例中，可调物理量包括机匣处理相关参数、可调导叶相关参数、吹气装置相关参数、放气装置相关参数。
本实施例的自适应控制利用辨识器对压气机系统参数进行实时辨识，结合预学习得到的控制律数据库指导控制器采取当下最适合的控制规律，进而作用于被控对象，从而实现对被控对象的控制，这能够顺利实现对压气机系统稳定性的优化控制。
实施例2(压气机系统稳定性自适应控制方法)
如图2所示，本实施例公开了一种压气机系统稳定性自适应控制方法，其包括如下步骤：
(1)、利用传感器系统实时测量压气机系统的一个或一个以上可测物理量
(2)、利用系统辨识器根据所测的一个或一个以上可测物理量预估上述一个或一个以上可测物理量的变化范围以得到系统参数估计量(又称估计系统参数
(3)、利用系统辨识器根据估计系统参数(即系统参数估计量)计算表征压气机系统稳定性状态的相关性系数及其概率分布情况并将其作为系统状态估计量
(4)、利用激励器根据系统状态估计量选择与其一一对应的控制律，并且根据控制律调节压气机系统的一个或一个以上可调物理量，以维持压气机系统的稳定性状态；可测物理量不同于可调物理量。例如，sps机匣处理属于激励器调节中的其中一种。
在本公开的一些优选实施例中，传感器系统选自以下传感器中的任意一种或一种以上：用于测量压气机系统的转子叶片的压力信号的压力传感器、用于测量压气机系统的转子的转速的扭矩传感器、用于测量压气机系统的进口流量的流量传感器、用于测量压气机系统的压升系数的进出口总静压力传感器、用于测量压气机系统的进出口总温的进出口温度传感器、用于测量压气机系统的进出口总压的进出口压力传感器、用于测量压气机系统的机匣壁面的静压力脉动的高频动态压力传感器。
在本公开的一些优选实施例中，多个可测物理量选自压气机系统的以下物理量中的任意一个或一个以上：转子叶片的压力信号、转子的转速、进口流量、进出口的压升系数、进出口总温、进出口总压、机匣壁面的静压力脉动。
在本公开的一些优选实施例中，控制律为机匣处理相关参数、可调导叶相关参数、吹气装置相关参数、放气装置相关参数中的任意一种或一种以上的组合。控制律预先存储于预先学习的数据库中，该数据库存储具有一定对应关系的压气机状态值与控制器作动值(一一对应或者多种状态对一种作动值)，便于进行最优控制律选择。控制律的数量取决于控制器(激励器，其具有参数化调整特性)的种类。以sps机匣处理为例，控制律为不同几何参数的组合，但本公开的控制器不局限于sps机匣处理。
在本公开的一些优选实施例中，可调物理量包括机匣处理相关参数、可调导叶相关参数、吹气装置相关参数、放气装置相关参数。
对于压气机系统稳定性的自适应控制来说，有两个关键因素：一是如何辨识和估计所有可观测和不可观测的系统参数；二是提供最优控制律的数据库。因此，本公开首先发展了可以实时监测压气机工作状态参数的各种传感器测量方案，所有的可观测物理量都能够通过物理测量得到。本公开只列举了必要的可观测物理量，包括但不限于：转速，流量，流量系数，压升系数，壁面静压力脉动，但不排除其他的可观测量被包含进来，理论上可观测量越多对系统状态的估计越准确。另外，通过预先学习得到的数据库，每一种状态都对应着实现最优的控制效果的参数组合。以实现对压气机系统稳定性的优化控制。在选取了最优的参数后，系统辨识器会对系统的状态做新一轮的估计，对稳定性状态进行新一轮的判断，便于控制器继续利用这些新一轮产生的参数。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”(若有的话)等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”(若有的话)仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！