基于转子加速度反馈的航空发动机增量式控制器

本发明属于航空发动机控制，涉及一种基于转子加速度反馈的航空发动机增量式控制器。

背景技术：

1、航空发动机是一个时变系统，其特性参数会随着工作寿命、环境条件、运行工作、生产批次等因素的影响而发生改变或产生差异，导致系统响应特性发生变化，给系统控制器的设计带来巨大的挑战。目前，工程中常采用基于min-max选择逻辑的切换控制器实现转速控制作为航空发动机控制方案，给整个系统带来以下问题：

2、(1)基于min-max选择逻辑的切换控制器的过渡态控制是基于计划实现的，鲁棒性较差，由于产品差异、性能蜕化等因素，同一型号发动机在不同寿命阶段不同工况下，无法维持加、减速性能的一致性。为确保每个产品、每个寿命阶段、每个运行工况加、减速性能的一致性，需要对产品进行人工校正和标定，增加了工作量。

3、(2)基于min-max选择逻辑的切换控制器存在切换控制逻辑，通过切换控制器实现如稳态控制、加速控制、减速控制、超温保护、超转保护、超压保护等控制功能。然而，由于各种干扰因素，可能引起发动机工作过程中控制器频繁地切换，导致发动机输入的燃油流量产生波动，不利于发动机的稳定运行。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的在于提供一种航空发动机控制器，以提高航空发动机控制系统的鲁棒性，同时避免切换控制逻辑导致的切换控制问题。

2、基于转子加速度反馈的航空发动机增量式控制器，其特征在于，至少含有一个转速控制器、一个转子加速度控制计划限幅模块、一个转子加速度控制器、n个限制保护控制器、一个加法器和一个限幅器，n为大于1的整数；其中：

3、所述转速控制器用于实现航空发动机转速闭环控制，其输入信号为转速控制指令ncmd和转速反馈信号nfbk，根据转速控制指令ncmd和转速反馈信号nfbk，通过闭环控制算法计算得到转子加速度指令作为所述转子加速度控制计划限幅模块的输入信号；

4、所述转子加速度控制计划限幅模块用于对转子加速度指令进行限幅运算，根据转速反馈信号nfbk，以及航空发动机加减速过程的转子加速度调节计划计算得到当前转速下的转子加速度指令最大限幅值和转子加速度指令最小限幅值然后，根据转子加速度指令最大限幅值和转子加速度指令最小限幅值对转子加速度指令进行限幅运算，得到限幅后的转子加速度指令输出至所述转子加速度控制器；

5、所述转子加速度控制器用于实现航空发动机转子加速度闭环控制，根据限幅后的转子加速度指令和转子加速度反馈信号通过闭环控制算法计算得到所述转子加速度控制器输出的燃油控制增量输出至所述加法器；

6、第i个所述限制保护控制器，其中i＝1,…,n，用于将航空发动机第i个控制限制变量限定在合理范围，根据第i个控制限制变量限制值与第i个控制限制变量反馈值之间的关系和控制律计算得到第i个所述限制保护控制器输出的燃油控制增量输出至所述加法器；

7、所述加法器用于实现所述转子加速度控制器输出的燃油控制增量第i个所述限制保护控制器输出的燃油控制增量和燃油流量反馈值wffbk的求和运算，得到所述加法器输出的燃油流量指令即作为所述限幅器的输入信号；

8、所述限幅器对所述加法器输出的燃油流量指令进行限幅运算，得到限幅后的燃油控制指令输出至燃油计量控制器或燃油控制系统。

9、可选的，所述转速控制器至少含有一个减法器和一个闭环控制器；其中：

10、所述减法器用于实现转速控制指令ncmd与转速反馈信号nfbk的相减运算，得到转速控制误差en＝ncmd-nfbk，作为所述闭环控制器的输入信号；

11、所述闭环控制器根据转速控制误差en计算得到转子加速度指令作为所述转速控制器的输出信号。

12、可选的，所述转子加速度控制器至少含有一个减法器、一个插值函数和一个除法器；其中：

13、所述减法器用于实现限幅后的转子加速度指令

14、和转子加速度反馈信号的相减运算，得到转子加速度控制误差作为所述插值函数的输入信号；

15、所述插值函数根据不同转速情况下燃油变化量与转速变化率之间的映射表，利用转速反馈信号nfbk插值得到当前转速情况下燃油变化量到转速变化率之间的增益作为所述除法器的输入信号；

16、所述除法器根据转子加速度控制误差和当前转速情况下燃油变化量到转速变化率之间的增益计算得到所述转子加速度控制器输出的燃油控制增量作为所述转子加速度控制器输出信号。

17、可选的，第i个所述限制保护控制器，其中i＝1,…,n，至少含有一个减法器和一个比例积分环节；其中：

18、所述减法器用于实现第i个控制限制变量限制值与第i个控制限制变量反馈值的相减运算，得到第i个限制偏差δxi，即输出至所述比例积分环节；

19、所述比例积分环节根据限制偏差δxi、比例参数kp、积分参数ki计算得到第i个所述限制保护控制器输出的燃油控制增量即：若δxi≥0，否则，

20、本发明采用以上技术即可实现航空发动机的转速、加减速和限制保护控制，该控制器在控制系统最内环引入转子加速度反馈控制，消除系统的非线性、时变和模型不确定性，简化外环控制律，提高系统鲁棒性；叠加控制增量和当前控制量的方式，实现航空发动机控制，简化控制结构，减小系统相位滞后。本发明的优点在于鲁棒性好、结构简单、易于实现，不存在切换控制问题。

技术特征：

1.基于转子加速度反馈的航空发动机增量式控制器，其特征在于，至少含有一个转速控制器、一个转子加速度控制计划限幅模块、一个转子加速度控制器、n个限制保护控制器、一个加法器和一个限幅器，n为大于1的整数；其中：

2.根据权利要求1中所述基于转子加速度反馈的航空发动机增量式控制器，其特征在于，所述转速控制器至少含有一个减法器和一个闭环控制器；其中：

3.根据权利要求1中所述基于转子加速度反馈的航空发动机增量式控制器，其特征在于，所述转子加速度控制器至少含有一个减法器、一个插值函数和一个除法器；其中：

4.根据权利要求1中所述基于转子加速度反馈的航空发动机增量式控制器，其特征在于，第i个所述限制保护控制器，其中i＝1,…,n，至少含有一个减法器和一个比例积分环节；其中：

技术总结
本发明提供了一种基于转子加速度反馈的航空发动机增量式控制器，属于航空发动机控制技术领域，其特征在于含有一个转速控制器、一个转子加速度控制计划限幅模块、一个转子加速度控制器、N个限制保护控制器、一个加法器和一个限幅器。基于Min‑Max选择逻辑的控制器结构复杂、存在切换控制问题，本发明提出了一种基于转子加速度反馈的航空发动机增量式控制器，在控制系统最内环引入转子加速度反馈控制，消除系统非线性、时变和模型不确定性，简化外环控制律，提高系统鲁棒性；利用叠加控制增量和当前反馈控制量的方式，同时实现转速、加减速和限制保护控制，简化控制结构，减小系统相位滞后。本发明的优点在于鲁棒性好、结构简单、易于实现，不存在切换控制问题。

技术研发人员：蒋金岑,杨佳利,胡忠志
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15