[發明專利]基于功率需求預測的渦軸發動機抗擾控制方法及裝置

有效

• 申請號: 202011450866.4
• 申請日: 2020-12-10
• 公開（公告）號: CN112594069B
• 公開（公告）日: 2021-10-01
• 發明（設計）人: 杜紫巖;宋劼;彭曄榕;汪勇;張海波
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: F02C9/00
• 分類號: F02C9/00;F02C9/26;G06N3/04;G06N3/08;G06Q10/04
• 代理公司: 北京德崇智捷知識產權代理有限公司 11467
• 代理人: 楊楠

本發明公開了一種基于功率需求預測的渦軸發動機抗擾控制方法，以直升機功率需求預測模型對直升機下一時刻的需用功率進行實時預測，所述直升機功率需求預測模型的輸入包括當前時刻的直升機的總距、尾槳總距、垂向速度的三次方、滾轉角及渦軸發動機的動力渦輪相對轉速；當下一時刻的預測需用功率相對于當前時刻需用功率的變化率超過預設閾值時，進入過補償限制并按預設規則計算生成新的需用功率作為下一時刻的預測需用功率；使用下一時刻的預測需用功率對渦軸發動機的燃氣渦輪轉速指令進行線性比例前饋補償。本發明還公開了一種基于功率需求預測的渦軸發動機抗擾控制裝置。本發明不僅能適用于不同飛行任務下渦軸發動機前饋抗擾控制，還能避免過補償現象的發生。

技術領域

本發明涉及一種直升機的渦軸發動機控制方法，尤其涉及一種渦軸發動機抗擾控制方法，屬于航空宇航推進理論與工程中的系統控制與仿真技術領域。

背景技術

直升機是一個各子系統互相交聯，互相影響，耦合性很強的系統。其動力裝置——渦軸發動機，與直升機分別依靠動力渦輪軸與旋翼軸，通過傳動系統相連。這種連接方式較為簡單且便于駕駛員操縱，還可以在一定程度上抑制傳動系統的扭振，但是這種方式要求傳動系統所連接的兩軸，轉速均保持恒定。

然而當直升機進行機動動作或者其他情況下工作狀態發生改變時，直升機功率需求的改變并不能及時傳遞到發動機，因為旋翼具有很大的慣性，導致旋翼轉速對直升機功率變化的響應較慢，進一步導致動力渦輪轉速變化的延遲。渦軸發動機的主控制回路是根據動力渦輪轉速給定值與反饋值的偏差進行燃油調節的，因此轉速變化的延遲會造成燃油變化的延遲，從而造成發動機的響應速度的減慢。這時發動機的動力渦輪轉速相對于穩態值會有較大的偏差，引發轉速超調或下垂，從而影響旋翼轉速，使得旋翼轉速產生同樣的超調或下垂，進一步影響整個直升機系統的穩定性。

為了設計抗擾控制方法，提高發動機的性能，各國都進行了大量的研究。1974年美國Curran J.J.等人提出了LDS(Load Demand Spindle)前饋補償方案，針對T700燃油控制系統，使用總距近似表征旋翼功率需求，在全包線內建立總距與燃油的映射關系，對燃油進行超前補償，可惜這種方法只適用于直升機負載變化較大的情況，當負載變化較小時，總距并不能精確地反映旋翼功率。1993年，美國Frederick J.Ebert等人設計了兩種抗擾控制方法，有效提高了發動機穩定性：根據橫向周期變距指令預測主旋翼扭矩的變化，從而在左右側滾操縱期間將發動機和主旋翼轉速下垂和超調降至最低；根據飛行員偏航指令，輸入補償燃油信號，從而減輕突然偏航機動期間發動機和旋翼轉速下垂和超調的影響，并進行了過補償保護。然而這兩種方法僅適合于特定飛行狀態下的燃油信號補償。扭矩相比于總距，對需用功率的表述更準確一些，但是由于旋翼軸的柔性，使扭矩的測量產生了一定的延遲，2005年，美國Raymond D.Zagranski發明了一項預測發動機前饋扭矩的專利。在同一年，美國James T.Driscoll發表了一種使用多項式神經網絡預測直升機主旋翼和尾槳旋翼所需總扭矩的方法。英法等國也開展了相關研究，所進行的“飛機/發動機綜合控制(IFEC)”計劃能夠加快發動機響應，且根據直升機的飛行狀態調整發動機動力渦輪轉速以保證發動機轉速平穩。國內汪勇基于增量非線性動態逆的原理，提出了一種基于發動機所需扭矩與實際輸出扭矩誤差的前饋控制方法，與常規的總距前饋和扭矩預測前饋控制相比，能有效地降低動力渦輪相對轉速的超調量約14％。

然而，直升機需求功率等于扭矩與動力渦輪轉速的乘積，當轉速受到擾動偏離穩態值時，扭矩并不能準確表征功率，兩者變化趨勢會有所不同；且這些方法并未考慮功率變化劇烈時，燃油產生過補償的問題。美國所設計的方法雖然考慮到了過補償限制，但前饋時需要針對不同飛行任務選擇不同的前饋變量，都存在各種各樣的不足。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術不足，提供一種基于功率需求預測的渦軸發動機抗擾控制方法，不僅能適用于不同飛行任務下渦軸發動機前饋抗擾控制，還能保證前饋補償的有效性，避免過補償現象的發生，防止補償過程中發動機動力渦輪轉速的超調或下垂量的增加，甚至補償過度引起的下垂量變成超調，超調量變成下垂。