基于需用功率预测的涡轴发动机综合控制研究

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为进一步提升涡轴发动机性能,使其在直升机飞行任务突变或者受到外界强干扰的情况下,运行品质鲁棒性提高的同时,稳定性及可靠性也能得到保证;且由于涡轴发动机是直升机的动力装置,直升机功率变化对发动机的影响至关重要,因此涡轴发动机综合控制技术一直备受关注。现有的综合控制方法大都是基于旋翼总距或者预测扭矩进行的前馈控制。然而总距只能在直升机功率变化较大时对其有较为准确的表征,且更多表征的是旋翼功率;在动力涡轮转速偏离稳态值时,扭矩对直升机功率的表征也不够准确。本文提出了对直升机需用功率进行预测的方法,并在此基础上开展了涡轴发动机综合控制方法研究。首先,建立了直升机需用功率/涡轴发动机综合模型。以黑鹰UH60-A直升机与T700涡轴发动机为研究样例,基于叶素法简述了直升机需用功率模型的建立,基于牛顿-拉弗森方法进行了涡轴发动机部件级数学模型的建立。将建立的直升机需用功率模型与涡轴发动机部件级模型相结合,构成了直升机需用功率/涡轴发动机综合仿真模型,为进一步开展综合控制方法的研究提供了平台。结果表明,所建立的直升机需用功率模型和发动机模型符合直升机和发动机原理。其次,为减小动力涡轮转速超调和下垂,提高发动机对直升机需求功率跟随性,开展了涡轴发动机预测抗扰控制研究。分别采用逐步回归分析法与神经网络法,建立了直升机需用功率预测模型。基于预测模型所得功率对发动机燃油进行了前馈补偿,并根据功率的变化设计了过补偿限制,形成了预测抗扰控制回路,并分别进行了数字仿真验证和硬件在回路仿真验证。结果表明,所提出的基于需用功率预测的涡轴发动机抗扰控制方法能够减小动力涡轮转速下垂或超调40%以上,且对模型精度依赖性较低,整体误差允许3%以内,个别点可以允许到10%。最后,为提高预测抗扰控制系统与涡轴发动机串级控制回路的可靠性,基于机载自适应模型,设计了涡轴发动机容错控制方法。采用动态系数法建立了涡轴发动机简化实时模型,利用卡尔曼算法进行了发动机退化参数的估计,建立了涡轴发动机机载自适应模型,同时对动力涡轮转速信号进行了故障诊断及信号重构,实现了对预测抗扰控制回路及发动机串级控制回路的容错设计,并进行了数字仿真验证。结果表明,所设计的容错控制方法可以在动力涡轮转速传感器信号发生故障时保证发动机的正常工作。
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