基于模型的智能數(shù)字化發(fā)動機控制

1、基于模型的智能數(shù)字化發(fā)動機控制Shrider Adibhatla 通用動力Timothy J.Lewis 美國空軍，萊特實驗室摘要現(xiàn)在介紹一種用于先進(jìn)燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的基于模型的控制系統(tǒng)，它的主要性能優(yōu)點是可以通過仿真測試導(dǎo)出。發(fā)展建模的方法和從名義上的發(fā)動機模型反映失效的發(fā)動機的方法已知。一個通用的用于基于模型的控制定律設(shè)計定型的方法，包括線性和非線性分析，也將被介紹。執(zhí)行模型的閉環(huán)控制得到的性能和可操作性參數(shù)也將通過仿真測試獲得。未來飛行器包括基于模型控制的測試也將在本文的綜合高性能渦扇發(fā)動機技術(shù)第二階段“先進(jìn)發(fā)動機技術(shù)”中提到。術(shù)語A14 封門面積A16 可變旁路管路區(qū)域A8 喉部噴口面積

2、A9 出口噴嘴面積ALT 海拔C&A 控制系統(tǒng)及其附件CLM 成分水平模型EPR 發(fā)動機增壓比ETR 發(fā)動機增溫比DoD 國防部DTAMB delta 周邊溫度？Fn 凈推力HP 高壓IHPTET 綜合高性能渦扇發(fā)動機技術(shù)IRP 中等速度功率JTDE 聯(lián)合技術(shù)驗證發(fā)動機LEPR 線性發(fā)動機增壓比？LP 低壓MoBIDEC 基于模型的智能數(shù)字化發(fā)動機控制NASA (美國)國家航空和宇宙航行局PC 功率模態(tài)P2 風(fēng)扇進(jìn)氣壓力P27 壓氣機進(jìn)氣壓力PI 比例-積分控制PID 比例-積分-微分控制PSC 狀態(tài)搜索控制PS15 風(fēng)扇涵道出氣壓力（靜態(tài)）PS56 低壓渦輪出氣壓力（靜態(tài)）SFC 高

3、效燃油消耗STP2 風(fēng)扇導(dǎo)流葉片位置STP27 壓氣機定子位置STP27D 核心驅(qū)動風(fēng)扇葉尖定子位置？T2 風(fēng)扇進(jìn)氣溫度T27 壓氣機進(jìn)氣溫度T3 燃燒室初始溫度T56 排氣溫度TMPC 燃燒室金屬溫度？VABI 可變區(qū)域進(jìn)氣道？WF36 燃?xì)獍l(fā)生器燃料流？WF6 燃燒后燃料流？XM 馬赫數(shù)XNH 高壓轉(zhuǎn)速XNL 低壓轉(zhuǎn)速1.0 導(dǎo)言1.1 背景由空軍主持的對先進(jìn)發(fā)動機控制的發(fā)展與研究是以“綜合高性能渦扇發(fā)動機技術(shù)計劃”（IHPTET）為目標(biāo)進(jìn)行的。IHPTET是國防部與(美國)國家航空和宇宙航行局在世紀(jì)之交致力于倍增發(fā)動機推力的一個項目。它囊括了軍方使用的各種類型的飛行器推進(jìn)系統(tǒng)：渦扇、渦噴

4、、渦軸、渦槳以及有限壽命發(fā)動機（導(dǎo)彈）等。IHPTET計劃的建立強調(diào)更好地控制風(fēng)險及技術(shù)轉(zhuǎn)換代價使之成熟以兼顧武器系統(tǒng)的安裝。IHPTET計劃的階段目標(biāo)已列在表1中。推重比燃燒室溫度制造成本維護成本階段I+30%+100°F階段II+60%+200°F-20%-20%階段III+100%+400°F-35%-35%圖1. IHPTET 目標(biāo)綜合提高推重比和燃燒室溫度使得燃油消耗減少，并戲劇性地使得飛行器尺寸和花費成本減少適應(yīng)更多樣化的任務(wù)。IHPTET計劃使用了基于部件的方法來完成目標(biāo)。主要有六個組成部分：風(fēng)扇和壓氣機，燃燒室和加力燃燒室，渦輪，進(jìn)氣道，機械系統(tǒng)（

5、傳動系統(tǒng)、密封系統(tǒng)和滑油系統(tǒng)），控制系統(tǒng)及其附件（C&A）。每一個組成部分都有一些目標(biāo)直接對應(yīng)于該系統(tǒng)所要達(dá)到的目標(biāo)水平。投資主要用于那些能達(dá)到相關(guān)技術(shù)目標(biāo)的部分。IHPTET C&A 技術(shù)發(fā)展方法的目標(biāo)如圖2所示。重量設(shè)計誤差制造費用維修費用階段I-20%-20%階段II-35%-35%-20%-20%階段III-50%-50%-35%-35%圖2. IHPTET C&A 目標(biāo)設(shè)計誤差關(guān)系到應(yīng)用于發(fā)動機部分的設(shè)計的安全因數(shù)。例如包括風(fēng)扇和壓氣機設(shè)計的遲滯誤差和高壓渦輪進(jìn)氣溫度誤差。這些誤差限制了發(fā)動機可達(dá)到的性能水平。這些誤差在早期的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機上更為顯著在很大程度

6、上歸因于當(dāng)時使用的流體力學(xué)燃料控制來規(guī)范發(fā)動機的控制點。typically一般來說，風(fēng)扇遲滯誤差控制在15-20%。壓氣機的遲滯誤差一般大約在30%左右。極限的增加是很必要的，因為控制系統(tǒng)對壓氣機的控制是很有限的，但是可以利用變進(jìn)氣道來調(diào)整風(fēng)扇操縱的線性精度。渦輪溫度極限（定義為軸和葉片材料所能承受的最大溫度量）大概在150-200°F。引入基于模型的控制提供了一種減小極限值的方法，從而增加了改善已知機械的性能的可能。本文接下來即描述了基于模型控制在基于模型的智能數(shù)字化發(fā)動機控制計劃中的設(shè)計與發(fā)展，隨后也將初步評價其在發(fā)動機關(guān)鍵性能參數(shù)中表現(xiàn)出的優(yōu)點。1.2 傳統(tǒng)控制與基于模型的控制

7、的對比在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，可見參數(shù)如風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和增壓比常作為反饋信號產(chǎn)生錯誤信號來控制驅(qū)動一些激勵器如燃油噴嘴或進(jìn)氣道使他們回到正確位置。使用這些可見信號是因為他們能反應(yīng)出我們所感興趣的那些參數(shù)（推力，失速極限等）。因為這些相關(guān)性并非確切值，所以我們建立了大的安全裕度來保護發(fā)動機。在基于模型的控制系統(tǒng)中，所要控制的飛機（引擎）的模型被編程為電子控制系統(tǒng)的一部分。這樣的模型是一個植入式的模型。如果能將一個高仿真的飛機模型協(xié)同飛機的控制系統(tǒng)，我們感興趣的參數(shù)的模型計算值如推力或失速極限就可以用來作為反饋參數(shù)。這樣，我們就能用直接的推力控制系統(tǒng)來替代間接的推力控制系統(tǒng)。擁有一個能夠精確反應(yīng)可控飛行器的

8、物理特性的模型是非常必要的，但還不夠。一般來說，植入的模型只反應(yīng)了一般的或平均水平的新發(fā)動機。所以需要一種能區(qū)別由于制造誤差、使用年限和控制環(huán)境的變化所造成的發(fā)動機與發(fā)動機之間的差別的方法。用來區(qū)分這種差異的方法就是我們將要提到的“跟蹤濾波器”。從本質(zhì)上說，一個跟蹤濾波器就是一個觀察系統(tǒng)或參數(shù)估計系統(tǒng)，它會將可見參數(shù)與模型對那些參數(shù)的估計值進(jìn)行比較，然后調(diào)整燃燒效率和流量因數(shù)等模型參數(shù)。因而，跟蹤濾波器的作用就是使模型和發(fā)動機的真實特性實時匹配。本節(jié)描述的基于模型的控制由Adibhatla et al介紹，簡單的分析模型的應(yīng)用由Qi 和Macallum執(zhí)筆。2.0 飛行器與發(fā)動機模型2.1 飛

9、行器模型現(xiàn)在應(yīng)用的飛行器和飛行控制模型由北約組織提供。該飛機模型的建立來自于F/A18飛機的高空動力性能數(shù)據(jù)庫。建立一個5自由度，非實時的可看做質(zhì)點的近似模型。在這個模型中，2.2 發(fā)動機模型圖3 XTE46發(fā)動機示意圖2.3 植入式發(fā)動機模型2.4 發(fā)動機激勵與傳感模型2.5 跟蹤濾波器的選擇與設(shè)計3.0 控制定律設(shè)計盡管控制定律設(shè)計由許多步組成，其中建模是最耗時間的一步，我們接下來還是僅僅介紹線性和非線性設(shè)計階段的內(nèi)容。3.1線性設(shè)計 線性模型的產(chǎn)生發(fā)動機的線性模型需要規(guī)范設(shè)計。設(shè)非線性系統(tǒng)為X=f(X,U)Y=g(X,U)其中X是空間向量，X是空間微分向量，U表示輸入向量，Y表示輸出向量

10、。這個系統(tǒng)可以在某個規(guī)范點X，Y線性化為X=AX+BUY=CX+DU其中矩陣A,B,C和D是部分微分向量A=dX/dX B=dX/dUC=dY/dX D=dY/dU在MoBIDEC中的基線控制模型中，空間、輸入和輸出向量規(guī)范化設(shè)計如下：X=|XNL XNH TMPC|這里XNL是低功率轉(zhuǎn)速，XNH是高功率轉(zhuǎn)速，TMPC是燃燒室壁溫度。U=|WF36 A8 A16|其中WF36是燃料流，A8是噴嘴面積，A16是可變截面進(jìn)氣道面積；Y=|FN ETR LEPR|式中FN是推力，ETR是發(fā)動機增溫比，LEPR是線性發(fā)動機增壓比。注意到FN和ETR都是模型計算參數(shù)，而這種控制模型并不能在傳統(tǒng)的非基于模型的系統(tǒng)中應(yīng)用。輸出向量Y可以看做包括其他變數(shù)如其他調(diào)整器設(shè)計中的失速極限。 調(diào)整器設(shè)計我們選擇Edmunds的模型匹配KQ復(fù)雜設(shè)計過程發(fā)展來研究，因為3使得控制器的形式確定。在這個模型匹配設(shè)計中，動態(tài)矩陣補償估計為最小方差在所要的閉環(huán)反應(yīng)和實際的閉環(huán)反應(yīng)之間。讀者可以通過Polley,Adibhatla,Baheti和Polley,Adibhatla,hoffman獲得更多的細(xì)節(jié)。在這節(jié)中獲得的結(jié)果在圖4，圖5，圖6中給出。圖4 電腦步驟中的閉環(huán)反應(yīng)