一种航空发动机稳态控制计划鲁棒性分析方法

本发明属于航空宇航推进理论与工程中的系统仿真与控制领域，具体涉及一种航空发动机稳态控制计划鲁棒性分析方法。

背景技术：

1、航空发动机的主要任务是为飞行器提供所需的推力或者功率。随着对发动机性能要求的提高，发动机的控制也从基于传感器的控制向基于模型的控制发展，直接性能量控制，如直接推力控制等得到了广泛的关注。然而航空发动机是非常复杂的气动热力系统，工作过程中又面临环境条件变化、性能退化等各种不确定性影响，如果不可测性能参数估计的误差过大，则直接性能量控制的收益并不确定。特别对于变循环发动机、组合发动机这样的具有更宽广飞行包线、更加复杂热力循环工作过程的发动机，性能参数估计的难度更大，比较保守的方法仍然是采取控制可测参数的方法。为了兼顾发动机的性能和安全性，控制计划对性能量及安全参数的鲁棒性尤为重要。

2、目前的研究中，航空发动机的稳态控制计划大多由发动机总体提出，控制方向研究人员基于此开展进一步的加减速、模式转换优化设计。针对稳态控制计划，蒋子松分析了涡扇发动机的工作状态，通过设计经验确定了最大状态控制计划、巡航状态控制计划、慢车状态控制计划和加力状态控制计划等稳态控制计划[1]。同样的，缪荣成通过将变循环发动机的工作模态进行划分，确定了双外涵变循环发动机的稳态控制计划并设计了控制器[2]。李瑞军等人通过数值分析探讨了稳态控制计划差异对分开排气的大涵道比涡扇发动机性能的影响，结果显示，不同稳态控制计划下发动机的性能有显著差异，须考虑发动机的特定需求，结合数值分析结果提出了一种发动机稳态控制计划的实现方式[3]。唐弋棣等人针对某型民用大涵道比涡扇发动机进行了三种不同稳态控制计划下的仿真，获得了发动机性能参数的不同变化趋势，并对其进行了对比分析，选择了最优的稳态控制计划[4]。

3、随着航空发动机控制器的发展和智能化水平的提高，发动机运行过程中的不确定性问题越来越受到研究人员的关注。航空发动机运行过程中，由于其长时间工作在高温、高压的环境下，各个转子部件会不可避免地产生诸如烧蚀、颗粒沉积等性能退化的现象。而在航空发动机发生退化后，某一稳态控制计划下，发动机的性能参数状态并不能与原设计维持相同，这就会影响该控制计划的控制效果。例如，在相同的转速控制计划下，由于发动机部件退化，此时同一转速对应了不同的推力、涡轮进口温度、压气机出口压力等性能参数，使得发动机偏离预期的性能状态，甚至威胁运行安全。即便采取直接性能量控制，过大的干扰也会对直接性能量控制器产生非常不利的影响，如产生较大的波动或牺牲其他参数的裕度。因此，非常有必要对航空发动机稳态控制计划的鲁棒性进行分析，以获得对发动机不确定性具有强鲁棒性的被控制参数组合。

4、在传统航空发动机控制计划设计中，研究人员往往关注控制计划的可实施性、性能最优性、安全性等指标，但很少考虑控制计划在航空发动机发生性能退化下的抗干扰能力，即其鲁棒性。因此有必要对航空发动机控制计划鲁棒性进行定量分析，为航空发动机控制计划设计提供更有力的数据支撑。

5、参考文献：

6、[1]蒋子松.涡扇发动机建模及控制计划研究[d].南京航空航天大学,2020.

7、[2]缪荣成.双外涵变循环发动机控制规律研究[d].南京航空航天大学,2021.

8、[3]李瑞军,李泳凡,刘建军，等.大涵道比涡扇发动机稳态调节规律分析[j].航空发动机,2010,36(6):9-12.

9、[4]赵军,唐弋棣,付尧明.大涵道比涡扇发动机稳态控制规律对比分析[c].中国航天第三专业信息网第四十届技术交流会暨第四届空天动力联合会议.2019.

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稳态控制计划鲁棒性分析方法，基于退化情况的随机采样，有效模拟发动机不同退化可能，通过定义鲁棒性综合评价指标，获得对不同控制计划鲁棒性的定量分析方法，为控制计划设计提供理论依据。

2、本发明具体采用下技术方案解决上述技术问题：

3、一种航空发动机稳态控制计划鲁棒性分析方法，包括以下步骤：

4、s1、对航空发动机的性能退化情况进行随机采样，得到nm组性能退化采样数据；

5、s2、基于每一组性能退化采样数据，模拟发动机性能退化情况，进行待分析的稳态控制计划下的发动机闭环稳态仿真，得到该稳态控制计划对应于每一组性能退化采样数据的发动机性能参数，所述发动机性能参数包括：推力、耗油率以及至少一个涡轮部件温度参数和至少一个压气机出口压力参数；

6、s3、根据以下公式计算该稳态控制计划的鲁棒性综合性能指标q：

7、q＝γ1x1+γ2x2+…+γnxn

8、其中，xi，i＝1,2,…,n，表示总的n项性能指标中的第i项性能指标，γ1……γn为所述n项性能指标的加权系数；所述n项性能指标中至少包括：推力的无量纲相对偏差x1、耗油率的无量纲相对偏差x2、所述燃烧室温度参数的无量纲相对偏差x3、所述压气机压力参数的无量纲相对偏差x4；x1～x4的计算公式分别如下：

9、

10、

11、其中，fm、sfcm、tm、pm分别为待分析的稳态控制计划对应于第m组性能退化采样数据的推力、耗油率以及所述涡轮部件温度参数和所述压气机压力参数的稳态值，下标“0”表示标准退化量下相应发动机性能参数的稳态值；

12、s4、根据鲁棒性综合性能指标q对稳态控制计划的鲁棒性进行分析评价，鲁棒性综合性能指标q的值越小表明鲁棒性越好。

13、优选地，基于信息熵确定n项性能指标的加权系数γ1……γn，第i项性能指标的加权系数γi的计算公式如下：

14、

15、其中，gi＝1-θi，为第i项性能指标归一化后的信息熵值，为第k个稳态控制计划的第i项性能指标值在所有待分析的nc个稳态控制计划的第i项性能指标值之和中所占比重，i＝1,2,…,n，λ为一常数项，作用是将θi归一化至0到1的区间。

16、优选地，使用ziggurat方法对航空发动机的性能退化情况进行随机采样。

17、优选地，所述航空发动机的性能退化情况以航空发动机所有转子部件的流量和效率退化量来表征。

18、相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

19、本发明首次提出了航空发动机稳态控制计划鲁棒性的定量分析方法，基于退化情况的随机采样，有效模拟发动机不同退化可能，定义了涵盖推力、油耗、温度、压力的多个维度性能指标的鲁棒性综合评价指标，可对航空发动机稳态控制计划的鲁棒性进行定量分析评估，进而为控制计划设计提供可靠的理论依据。

技术特征：

1.一种航空发动机稳态控制计划鲁棒性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述航空发动机稳态控制计划鲁棒性分析方法，其特征在于，基于信息熵确定n项性能指标的加权系数γ1……γn，第i项性能指标的加权系数γi的计算公式如下：

3.如权利要求1所述航空发动机稳态控制计划鲁棒性分析方法，其特征在于，使用ziggurat方法对航空发动机的性能退化情况进行随机采样。

4.如权利要求1所述航空发动机稳态控制计划鲁棒性分析方法，其特征在于，所述航空发动机的性能退化情况以航空发动机所有转子部件的流量和效率退化量来表征。

技术总结本发明公开了一种航空发动机稳态控制计划鲁棒性分析方法，属于航空宇航推进理论与工程中的系统仿真与控制领域。本发明首次提出了航空发动机稳态控制计划鲁棒性的定量分析方法，基于退化情况的随机采样，有效模拟发动机不同退化可能，定义了涵盖推力、油耗、温度、压力的多个维度性能指标的鲁棒性综合评价指标，可对航空发动机稳态控制计划的鲁棒性进行精确的定量分析评估，进而为控制计划设计提供可靠的理论依据。技术研发人员：李秋红,朱宇航,顾子渝,周文祥,庞淑伟,陈弘毅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：2024/6/18