一种基于模型的轴扇变循环发动机模式切换组合控制方法

本发明涉及航空发动机，具体的为一种基于模型的轴扇变循环发动机模式切换组合控制方法。

背景技术：

1、常规直升机虽具备垂直起降、低空悬停能力，但其前飞最大速度受到前行桨叶压缩性影响及后行桨叶气流分离的限制，远程快速响应能力弱。倾转旋翼机如v-22“鱼鹰”和v-280“勇士”，能够在一定程度上弥补直升机前飞速度方面的不足，但其高速巡航状态受旋翼桨尖速度限制，其飞行速度很难有更大突破。当前诸如f35“闪电”固定翼飞机虽具备垂直起降能力，但其在垂直起飞状态悬停效率低，从而造成任务载荷大幅减小，任务半径也大大缩小。为突破前行桨叶叶尖速度限制，将直升机旋翼构型与固定翼喷气飞机构型相结合是实现垂直起降、高速远程巡航的一种有效模式，其具备更优的短距/垂直起降和高速巡航性能，相对应的动力装置理应同时具备涡轴发动机和涡扇发动机的性能特点。

2、轴扇变循环发动机涡轴模式输出轴功率通过气动效率较高的旋翼实现垂直起降和悬停，涡扇模式脱开旋翼输出喷气推力实现亚声速巡航。其模式切换问题更接近传统发动机的过渡态控制问题，如何设计合适的控制器和控制规律，从而协调各控制参数的变化过程，稳定、安全地实现模式切换是需要重点研究的问题。国内外尚未有公开资料开展对轴扇变循环发动机模式切换控制方法的研究，但轴扇变循环发动模式切换控制系统可参考常规涡扇、涡轴和变循环发动机，在模式切换过程中可借鉴涡轴发动机动力涡轮转速控制方案，对低压转子转速进行闭环控制，其他变几何参数控制方案也可以借鉴常规变循环发动机变几何部件调节对发动机性能的影响，从而设计相应的模式切换控制规律。

技术实现思路

1、发明目的：针对上述背景技术中存在的问题，本发明提供了一种基于模型的轴扇变循环发动机模式切换组合控制方法，针对发动机涡轴模式恒定低压转子转速控制需求，设计了低压转子转速串级控制器，并基于模糊理论对控制器pi参数进行了在线整定；引入了桨距角前馈、超限保护控制器、尾喷管面积-发动机转子转差控制器和低压压气机瞬态放气计划等，保障轴扇变循环发动机不同模式之间的稳定切换。

2、技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于模型的轴扇变循环发动机模式切换组合控制方法，包括以下步骤：

4、1)基于轴扇变循环发动机涡轴模式恒定低压输出轴转速需求，设计低压转子转速串级控制器，并采用模糊理论对控制参数进行实时整定；

5、2)根据轴扇变循环发动机模式切换时功率和推力输出需求设计外涵道进口可调导叶和外涵道尾喷管面积控制规律，并结合高、低压转子转速差设计epr控制规律，以内涵道尾喷管面积作为中间变量来调节低压输出轴剩余功率，推力及预防喘振；

6、3)根据离合器及旋翼工作特性，设计轴扇变循环发动机模式切换时离合器压力开环规律以及桨距角前馈补偿规律；

7、4)设计超限保护控制器，保证轴扇变循环发动机切换过程不超温、不超转；

8、5)结合高、低压转子转速差与高、低压压气机部件喘振裕度关系，设计低压压气机瞬态放气规律，提高轴扇变循环发动机模式切换过程中低压压气机喘振裕度。

9、优选的，步骤1)的实现过程为：

10、1.1)：设计低压转子转速串级控制器：

11、低压转子转速串级控制器包含外环低压转子转速控制器和内环高压转子转速控制器，外环低压转子转速控制器由实际低压转子转速nl和低压转子指令转速nlr之差计算高压转子指令转速nhr，内环高压转子转速控制器通过高压转子指令转速nhr和轴扇变循环发动机输出实际转速nh之差计算燃油流量δwf：

12、

13、其中：δwf[k]为内环高压转子转速控制器计算得到的k时刻燃油流量的增量，kph表示内环高压转子转速控制器的比例系数，δnh[k]为k时刻的高压转子指令转速nhr和轴扇变循环发动机输出实际转速nh的偏差量、δnh[k-1]为k-1时刻的高压转子指令转速nhr和轴扇变循环发动机输出实际转速nh的偏差量，tih表示内环高压转子转速控制器的积分时间常数，δnhr[k]为外环低压转子转速控制器计算的k时刻高压转子指令转速的增量，kpl为外环低压转子转速控制器的比例系数，δnl[k]为k时刻低压转子指令转速nlr和轴扇变循环发动机输出实际转速nl的偏差量、δnl[k-1]为k-1时刻的低压转子指令转速nlr和轴扇变循环发动机输出实际转速nl的偏差量；t为低压转子转速串级控制器的采样周期，til为外环低压转子转速控制器的积分时间常数；

14、1.2)：输入模糊控制器的参数为偏差量e1＝δnl[k]和e2＝δnh[k]以及其各自偏差量变化率ec1＝δnl[k]-δnl[k-1]和ec2＝δnh[k]-δnh[k-1]，将输入模糊控制器的参数转换到模糊论域的数值，根据模糊论域的离散性或连续性，隶属度函数h(xi)取为离散函数的形式，通过有限点的隶属度，构成一个模糊子集h：

15、

16、式中：子项用于描述模糊论域中元素xi与其隶属度函数h(xi)的对应关系，“+”号表示模糊论域上的模糊子集整体；

17、选取正态型隶属度函数如下式：

18、

19、选取三角型隶属度函数如下式：

20、

21、其中：a、b和p均为常数值，取值依据论域范围选取；

22、采用离散论域并使用重心法将输出集合清晰化，重心法的计算公式如下：

23、

24、其中：论域u＝{u1,u1,…un}是离散论域，uj处的隶属度为h(uj)，u为面积中心对应的横坐标；通过规则库进行输入模糊控制器的参数的推理得到输出的模糊集合，进而利用反模糊化方法判决出确切的精确量，计算当前k时刻内环高压转子转速控制器的控制参数kp和外环低压转子转速控制器的控制参数ki变化量，输入给低压转子转速串级控制器完成控制参数的更新。

25、优选的，步骤2)的实现过程为：

26、2.1)：针对外涵道进口可调导叶和外涵道尾喷管面积进行变几何工作机理分析，外涵道进口可调导叶的闭合度同低压轴剩余功率变化呈现正相关性，模式切换过程中外涵道进口可调导叶的变化规律同旋翼桨距角变化规律保持一致：

27、

28、其中：αvigv为外涵道进口可调导叶的角度，βrotor为旋翼桨距角度，max表示最大值；。

29、涡轴模式切换涡扇模式时，外涵道尾喷管面积保持不变，外涵道尾喷管面积的控制规律如下：

30、

31、a18＝a18d

32、式中：a18为外涵道尾喷管面积，a18d为设计点外涵道尾喷管面积；

33、2.2)：在步骤2.1)的基础上，内涵道尾喷管面积控制拟采用epr控制律eprr＝f(δn)，δn＝nhcor-nlcor表示高低压转子相对换算转速差，f(·)表示函数，在控制低压转子转速恒定的情况下，通过高低压转子相对换算转速差δn计算epr指令值eprr，将epr指令值eprr输入内涵道尾喷管面积控制器，模式切换时的控制逻辑为高低压转子相对换算转速差δn增大时eprr减小，内涵道尾喷管面积放大防止高压压气机进喘；高低压转子相对换算转速差δn减小时eprr增大，内涵道尾喷管面积减小防止低压压气机进喘，模式切换过程中轴扇变循环发动机压比同时受到燃油流量wf和内涵道尾喷管面积的影响，期望的内涵道尾喷管面积变化趋势应符合低压轴负载功率的变化，起到补偿低压轴剩余功率和防喘的作用。

34、优选的，步骤3)中：

35、3.1)：在离合器接通带转旋翼的过程中，离合器接合过程遵循“先慢后快”的原则，在空行程阶段离合器不传递扭矩，此时离合器对传动系统不产生冲击，随着离合器压力的增加离合器处于滑摩状态，为减少对传动系统和轴扇变循环发动机的冲击，离合器应缓慢接合；随着主从动盘转速差的减小，增大离合器压力以减少接合时间和接合过程的滑摩功，脱开过程同接合过程相反；

36、3.2)：在桨距角调节过程中前馈控制器近似成一个增益，求解模式切换过程中变化增益同桨距角的关系；通过桨距角调节过程中的增量传递到前馈控制逻辑，计算高压转子指令转速nhr的变化量，然后传递到内环高压转子转速控制器。

37、优选的，步骤4)中：

38、设计三个超限保护模块，分别为高压转子转速超限保护控制器、低压涡轮进口总温超限保护控制器、高压压气机出口压力超限保护控制器；三个超限保护控制器均采用增量型pi控制器，根据限制参数高压转子转速nhmax、低压涡轮进口总温t45max和高压压气机出口压力pt3max的最大值与当前测量值之差，计算对应的燃油流量；最小值选择器将三个超限保护器输出的燃油流量和最大燃油流量、低压转子转速串级控制器计算的燃油流量进行低选，保证在整个模式切换过程中限制参数均不超过限制值。

39、优选的，步骤5)中：

40、通过分析模式切换过程中低压压气机喘振裕度同高低压转子相对换算转速差δn的关系，引入低压压气机瞬态放气计划，放气阀位于低压压气机中间级的截面，在高、低压转子相对换算转速差δn＝nhcor-nlcor转差小于0.8％时，低压压气机进行中间级放气，放气量为截面流量的4％，该部分空气排放到大气环境中；

41、对所获得的轴扇变循环发动机模式切换组合控制规律，通过发动机部件级模型仿真验证合理性和有效性。

42、有益效果：

43、本发明提供了一种基于模型的轴扇变循环发动机模式切换组合控制方法，针对涡轴模式恒定低压转子转速控制需求，设计了低压转子转速串级控制器，并基于模糊理论对控制器pi参数进行了在线整定；引入了桨距角前馈、超限保护控制器、尾喷管面积-发动机转子转差控制器和低压压气机放气计划保障发动机模式稳定切换。据此提出了轴扇发动机模式切换控制规律，通过模式切换仿真验证了模式切换控制规律的有效性，切换过程中发动机关键参数不超限，低压转子转速波动量小，高压转子转速变化平稳。