改善航空發動機加速性能的增量式pi控制器參數調整方法
【技術領域】
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[0001]本發明屬于航空發動機數控系統領域。
【背景技術】
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[0002]加速性能是航空發動機一項非常重要的性能指標，減小發動機加速時間是提高飛機作戰敏捷性的重要因素之一。航空發動機加速性能完全取決于加速過程中的供油情況。
[0003]發動機加速過程中的主燃油供油量計算方法如圖1所示。當飛行員在Is內快速將油門桿從慢車狀態推動至中間狀態，主燃油流量控制算法使得高壓轉子轉速給定值N2_dem(k) (k為系統采樣時刻)從慢車狀態控制計劃突升到中間狀態控制計劃，使得高壓轉子轉速N2的控制誤差“eN2(k) = N2_dem(k)-N2 (k) ”突升，進而導致增量式PI (比例、積分)控制器計算出的當前周期主燃油流量增量“dWF(k) = KpX [eN2(k)-eN2(k-l)]+Kp/Ti X eN2 (k) ”突升，主燃油流量總量“WF_PI (k) = WF_PI (k_l) +dffF (k) ”也跟著突升。主燃油流量控制算法將WF_PI與加速燃油流量限制線WFacc進行低選，得到主燃油供油量WF。一般在加速過程的初期dWF較大，后期dWF較小，導致初期按照加速燃油流量限制線供油，即WF = WFacc,后期按照增量式PI控制器運算結果供油，即WF = WF_PI。加速過程中的主燃油供油變化規律如圖2所示，其中A為分離點，即在分離點之前按照加速燃油流量限制線WFacc供油，在分離點之后按照增量式PI控制器運算結果WF_PI供油。
[0004]在發動機加速過程中，分離點A是個關鍵因素。如果WF與WFacc過早分離，則加速性能不會太好，加速時間偏長；如果WF與WFacc分離晚，雖然加速時間短，但是發動機轉子轉速會產生較大的超調，影響發動機的安全。
[0005]目前國內工程應用中加速過程主燃油供油量分離點A靠增量式PI控制器的運算結果WF_PI與加速燃油流量限制線WFacc的自適應低選確定，當主機單位一旦確定加速燃油流量限制線后，發動機的加速性能就完全取決于增量式PI控制器的運算結果，而增量式PI控制器的運算結果又唯一取決于其控制參數Kp、Ti。因此，PI控制參數的確定是影響發動機加速性能的關鍵所在。
[0006]主燃油增量式PI控制器控制參數Kp、Ti設計時通常只能考慮穩態時頻域內的帶寬特性和穩定裕度儲備，不能直接反映加速特性，因此臺架試車時發動機的加速特性通常不會令人滿意，需要根據試驗結果調整PI控制參數以改善加速特性。目前國內工程應用中調整PI控制參數以改善發動機加速特性的方法欠缺，通常采用增大比例增益Kp或者減小積分時間常數Ti的方法，但不能很好地把握，需要反復試湊。增大Kp能適當改善加速特性，但是系統穩定裕度儲備會降低，而且Kp增大到一定程度后加速特性反而會降低，加速過程中由于加速燃油流量限制線WFacc的干擾，同時增量式PI控制器比例環節計算出的燃油流量增量“dup (k) = KpX [eN2(k)-eN2(k-l)]”為負值(加速過程中隨著轉速的上升eN2 (k)逐漸減小)，因此會阻礙加速過程。減小積分時間常數Ti能改善發動機加速特性，但會降低系統穩定裕度儲備，而且降低多少很難評估，同時分離點A也難以準確預估。
【發明內容】
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[0007]發明目的:提供一種改善航空發動機加速性能的增量式PI控制器控制參數調整方法，用于快速調整主燃油流量PI控制器的比例增益Kp和積分時間常數Ti，以使發動機獲取優良的加速特性。
[0008]技術方案:
[0009]一種改善航空發動機加速性能的增量式PI控制器參數調整方法，包括:
[0010](I)將主燃油流量增量式PI控制器的比例增益設計值Kp_des ign乘以比例因子kKp，作為加速性能摸底試驗的比例增益初始值KpO:
[0011](2)將積分時間常數設計值Ti_des ign除以縮放因子kTi，結果與0.2比較，取二者中最大值作為加速性能摸底試驗的積分時間常數初始值T1:
[0012](3)將比例增益ΚρΟ、積分時間常數T1寫入增量式PI控制器作為發動機臺架加速性能摸底試驗的控制參數初始值，獲取試驗數據；
[0013](4)從所述試驗數據中提取同時滿足WF = WFacc,dup < O條件的高壓轉子換算轉速N2r、加速燃油流量限制線WFacc、主燃油供油量WF、增量式PI控制器比例環節計算出的燃油流量增量dup和增量式PI控制器積分環節計算出的燃油流量增量dui，作如下計算:
[0014]dffF_need = WFacc_WFacc_pre > 0，其中dWF_need是保證主燃油供油走加速燃油流量限制線所需的最小單步燃油流量增量，WFacc_pre是WFacc上一周期的值；
[0015]dui_need = dffF_need - dup > 0，其中dui_need是除去比例環節燃油流量增量dup的反作用之后，還能保證最小單步燃油流量增量dWF_need所需的積分環節燃油流量增量;
[0016]K_need = dui_need/dui < 1，其中K_need是所需積分量比實際所用積分量的比例；
[0017]K_rsv = K_needX 1.3，其中K_rsv是考慮魯棒性后所需積分量比實際所用積分量的比例；
[0018](5)設期望的加速過程燃油流量分離點A的轉速為N2r0，則對積分時間常數縮放因子K作如下取值:
[0019]當N2r 彡(N2r0-2% )時，K = K_rsv ；
[0020]當(N2r0-2%) < N2r < N2r0 時，K 為 K_rsv 與 K_need 的線性插值；
[0021]當N2r = N2r0 時，K = K_need ；
[0022]當N2r0 < N2r < (N2r0+3% )時，K 從 K_need 線性平滑過渡到 I ；
[0023]當N2r0 彡(N2r0+3% )時，K = I ;
[0024](6)計算得到增量式PI控制器最終所需的積分時間常數:Ti_final = T1/K ；
[0025](7)計算得到增量式PI控制器最終所需的比例增益Kp_final:
[0026]當N2r N2r0 時，Kp_final = KpO ；
[0027]當N2r0 < N2r < (N2r0+3% )時，Kp_final 從 KpO 線性平滑過渡到 Kp_des ign ；
[0028]當N2r ^ (N2r0+3% )時，Kp_final = Kp_des ign ；
[0029](8)將Kp_final、Ti_final寫入主燃油流量增量式PI控制器，進行后續臺架試車。
[0030]其中，比例因子kKp的取值范圍為0.5 ^ kKp ^ 0.8 ;縮放因子kTi的取值范圍為3 ^ kTi ^ 5 ;加速過程燃油流量分離點A的轉速N2r0的取值范圍為N2r0 < 95%。
[0031]有益效果:
[0032]本方法對主燃油流量增量式PI控制器的控制參數設計結果進行一次調整，便可最終確定控制參數，在后續臺架試車中既能獲取準確的加速過程燃油流量分離點A，保證發動機具有良好的加速性能，又能使增量式PI控制器在具備一定魯棒性的基礎上，將系統的穩定余度儲備降低到最小，解決了當前工程應用中試湊法存在的弊端，即既需要反復試湊，又不能準確獲取加速過程中的燃油流量分離點A，且很難最大限度得保證系統穩定裕度儲備等問題。
【附圖說明】
[0033]圖1為發動機加速過程中主燃油供油量計算法示意圖。
[0034]圖2為發動機加速過程中主燃油供油變化規律示意圖。
【具體實施方式】
[0035](I)將主燃油流量增量式PI控制器的比例增益設計值Kp_des ign乘以比例因子kKp (0.5 ^ kKp ^ 0.8)，作為發動機臺架加速性能摸底試驗的比例增益初始值，例如KpO =Kp_des ignX 0.8;
[0036]因為后續要減小增量式PI控制器的積分時間常數Ti，這樣會降低系統的穩定裕度儲備，而在此處將比例增益設計值Kp_des ign乘以比例因子kKp，能夠提高系統的穩定裕度儲備，從而一定程度彌補減小積分時間常數Ti對系統穩定裕度儲備的影響；
[0037](2)將主燃油流量增量式PI控制器的積分時間常數設計值Ti_des ign除以縮放因子kTi (3 ( kTi ( 5)，但所得值不能小于0.2，作為發動機加速性能摸底試驗的積分時間常數初始值，例如 T1 = max (Ti_des ign/5, 0.2)；
[0038]按照該方法得到的積分時間常數初始值T1會使增量式PI控制器產生一個較強的積分效果(dui = Kp/Ti X eN2 (k))，從而導致加速過程中燃油流量分離點A較晚產生，產生轉子轉速超調(但是由于轉子轉速限制計劃的存在，超調不會太大，因此對發動機臺架試車不會有風險)，同時系統穩定裕度儲備下降較多。
[0039](3)將根據上述步驟獲得的比例增益初始值ΚρΟ、積分時間常數初始值T1寫入增量式PI控制器，作為發動機臺架加速性能摸底試驗的控制參數初始值，獲取試驗數據；然后根據試驗數據重新調整積分時間常數，以保證獲取準確的加速過程燃油流量分離點Α，同時在保證一定魯棒性的基礎上積分時間常數盡可能減小得少，使得系統穩定裕度儲備在滿足加速特性和魯棒性的基礎上盡可能下降得少；
[0040](4)獲取試驗數據中主燃油流量走加速燃油流量限制線的數據，即滿足如下要求:
[0041 ] a) WF 與 WFacc 重合，即 WF = WFacc ；
[0042]b) dup < O,
[0043]從滿足上述要求的試驗數據中抽離出如下參數作為后續計算的基礎:
[0044]a) N2r:發動機高壓轉子換算轉速；
[0045]b) WFacc:加速燃油流量限制線；
[0046]c)WF:增量式PI控制器運算結果與加速燃油流量限制線低選后的結果；
[0047]d) dup:增量式PI控制器比例環節計算出的燃油流量增量；
[0048]e) du1:增量式PI控制器積分環節計算出的燃油流量增量，即dui = Kp/TiXeN2 (k)。
[0049](5)計算保證主燃油供油走加速燃油流量限制線所需的最小單步燃油流量增量:dffF_need = WFacc_WFacc_pre > 0，其中 WFacc_pre 是 WFacc 上一周期的值；
[0050](6)計算除去比例環節燃油流量增量dup的反作用之后，還能保證最小單步燃油流量增量dWF_need所需的積分環節燃油流量增量:dui_need = dffF_need - dup > O ；
[0051](7)計算K_need(所需積分量比實際所用積分量的比例)和1(_^7(考慮魯棒性后所需積分量比實際所用積分量的比例，在K_need基礎上預留1.3倍的余量):
[0052]a) K_need = dui_need/dui < I ；
[0053]b) K_rsv = K_needX 1.3 ；
[0054](8)設期望的加速過程燃油流量分離點A的轉速為N2r0 (92 % ( N2r0 ^ 95% ),則對積分時間常數縮放因子K作如下取值:
[0055]a)當 N2r (N2r0~2% )時，K = K_rsv ；
[0056]b)當(N2r0-2% ) < N2r < N2r0 時，K 為 K_rsv 與 K_need 的線性插值；
[0057]c)當 N2r = N2r0 時，K = K_need ；
[0058]d)當 N2r0 < N2r < (N2r0+3% )時，K 從 K_need 線性平滑過渡到 I ；
[0059]e)當 N2r0 彡(N2r0+3% )時，K = I ;
[0060](9)計算得到增量式PI控制器最終所需的積分時間常數:Ti_final = T1/K ；
[0061](10)計算得到增量式PI控制器最終所需的比例增益Kp_final:
[0062]a)當 N2r N2r0 時，Kp_f inal = KpO ；
[0063]b)當 N2r0 < N2r < (N2r0+3 % )時，Kp_final 從 KpO 線性平滑過渡到 Kp_design ；
[0064]c)當 N2r ^ (N2r0+3% )時，Kp_final = Kp_des ign ；
[0065](11)將最終所得的比例增益Kp_final、積分時間常數Ti_final寫入主燃油流量增量式PI控制器，進行后續臺架試車，這樣在試驗時既能獲取準確的加速過程燃油流量分離點A，保證發動機具有良好的加速性能，又能使增量式PI控制器在具備一定魯棒性的基礎上(通過積分時間常數固定預留1.3倍的余量)，將系統的穩定余度儲備降低到最小。
【主權項】
1.一種改善航空發動機加速性能的增量式PI控制器參數調整方法，其特征在于，包括: (1)將主燃油流量增量式PI控制器的比例增益設計值Kp_design乘以比例因子kKp，作為加速性能摸底試驗的比例增益初始值KpO: (2)將積分時間常數設計值Ti_design除以縮放因子kTi，結果與0.2比較，取二者中最大值作為加速性能摸底試驗的積分時間常數初始值T1: (3)將比例增益ΚρΟ、積分時間常數T1寫入增量式PI控制器作為發動機臺架加速性能摸底試驗的控制參數初始值，獲取試驗數據； (4)從所述試驗數據中提取同時滿足WF= WFacc, dup < O條件的高壓轉子換算轉速N2r、加速燃油流量限制線WFacc、主燃油供油量WF、增量式PI控制器比例環節計算出的燃油流量增量dup和增量式PI控制器積分環節計算出的燃油流量增量dui，作如下計算: dffF_need = WFacc-ffFacc_pre > 0，其中dWF_need是保證主燃油供油走加速燃油流量限制線所需的最小單步燃油流量增量，WFacc_pre是WFacc上一周期的值； dui_need = dffF_need - dup > 0，其中dui_need是除去比例環節燃油流量增量dup的反作用之后，還能保證最小單步燃油流量增量dWF_need所需的積分環節燃油流量增量；K_need = dui_need/dui < 1，其中K_need是所需積分量比實際所用積分量的比例；K_rsv = K_needX 1.3，其中K_rsv是考慮魯棒性后所需積分量比實際所用積分量的比例； (5)設期望的加速過程燃油流量分離點A的轉速為N2r0，則對積分時間常數縮放因子K作如下取值: 當 N2r (N2r0-2% )時，K = K_rsv ； 當(N2r0-2% ) < N2r < N2r0 時，K 為 K_rsv 與 K_need 的線性插值；當 N2r = N2r0 時，K = K_need ； 當N2r0 < N2r < (N2r0+3% )時，K從K_need線性平滑過渡到I ； 當 N2r0 彡(N2r0+3% )時，K = I ; (6)計算得到增量式PI控制器最終所需的積分時間常數:Ti_final= T1/K ; (7)計算得到增量式PI控制器最終所需的比例增益Kp_final:當 N2r N2r0 時，Kp_f inal = KpO ； 當 N2r0 < N2r < (N2r0+3% )時，Kp_final 從 KpO 線性平滑過渡到 Kp_design ；當 N2r ^ (N2r0+3% )時，Kp_final = Kp_design ； (8)將Kp_final、Ti_final寫入主燃油流量增量式PI控制器，進行后續臺架試車。2.如權利要求1所述的改善航空發動機加速性能的增量式PI控制器參數調整方法，其特征在于， 比例因子kKp的取值范圍為0.5彡kKp彡0.8 ;縮放因子kTi的取值范圍為3 ^ kTi ^ 5 ;加速過程燃油流量分離點A的轉速N2r0的取值范圍為N2r0 < 95%。
【專利摘要】本發明屬于航空發動機數控系統領域，提供一種改善航空發動機加速性能的增量式PI控制器參數調整方法，用于調整PI控制器的Kp和Ti，使發動機獲取優良的加速特性。技術方案包括：將設計值Kp_design、Ti_design縮放，得到Kp0、Ti0，進行加速試驗，獲取試驗數據，提取滿足WF＝WFacc、dup＜0的數據，計算dWF_need、dui_need、K_need、K_rsv，根據分離點A轉速N2r0對K分段取值，然后得到Ti_final、Kp_final，并寫入PI控制器，進行臺架試車。
【IPC分類】F02C9/26
【公開號】CN105715384
【申請號】CN201410736305
【發明人】高亞輝, 季春生, 俞剛, 王松, 王振華, 賈盼盼
【申請人】中國航空工業集團公司航空動力控制系統研究所