一種渦軸發動機動態實時模型建模方法及系統的製作方法
2023-05-05 17:01:21
一種渦軸發動機動態實時模型建模方法及系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種渦軸發動機動態實時模型建模方法及系統，該方法包括：建立渦軸發動機穩態實時模型；採用剩餘燃油流量動態加減係數法建立渦軸發動機動態實時模型。本發明解決了現有的發動機動態實時模型建模過程中在只有試車數據而缺乏部件特性數據情況下的建模問題，適用於發動機數控系統半物理仿真，亦可為傳感器解析餘度技術提供模型保證，對於縮短研製周期、降低試驗風險及成本有著積極促進作用。
【專利說明】一種渦軸發動機動態實時模型建模方法及系統
【技術領域】
[0001]本發明屬於航空發動機建模與仿真領域，具體涉及一種渦軸發動機動態實時模型建模方法及系統。
【背景技術】
[0002]控制用傳感器發生故障將直接導致閉環控制系統反饋信息不可用，使得渦軸發動機不能穩定工作，因此，渦軸發動機數控系統的傳感器能否穩定可靠工作，對於保證渦軸發動機FADEC系統正常工作至關重要。傳感器解析餘度技術是一種典型的基於模型的傳感器故障診斷方法，渦軸發動機動態實時模型是該方法的重要組成部分，同時該模型的精度決定了傳感器故障診斷性能，因此，建立某型渦軸發動機動態實時模型對傳感器故障診斷和容錯控制具有重要的理論意義和工程實用價值。
[0003]國內外用於發動機控制系統半物理試驗的動態實時模型大都採用部件級建模的方法，但是當缺乏發動機部件級建模用的部件特性數據時，只能根據試驗數據建模，同時部件級模型由於計算耗時長、佔用資源多的特點，使得其應用範圍受到限制，不能滿足機載需求。因此，需要研究根據試驗數據直接建立機載動態實時模型的方法。目前發動機動態實時模型建模方法主要集中在依賴部件特性數據的部件級建模方法上，有限的動態係數方法研究沒有考慮加、減速的係數差異，以及沒有在更為複雜的渦軸發動機上應用，更沒有具有動態實時模型自動生成的通用軟體開發的相關報導。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題是針對【背景技術】的缺陷，提供一種渦軸發動機動態實時模型建模方法及系統，用於解決缺乏部件特性數據、只提供試驗數據時傳統的渦軸發動機動態實時模型機載實時模型建模問題，該方法和系統滿足機載實時性要求，能為傳感器解析餘度技術提供模型保證。
[0005]本發明為解決上述技術問題採用以下技術方案:
[0006]一種渦軸發動機動態實時模型建模方法，包括以下步驟:
[0007]步驟A)，建立渦軸發動機穩態實時模型；
[0008]步驟B)，採用剩餘燃油流量動態加減速係數法建立渦軸發動機動態實時模型。
[0009]作為本發明一種渦軸發動機動態實時模型建模方法進一步的優化方案，步驟A)的具體步驟如下:
[0010]步驟Al)，根據渦軸發動機工作條件，將試車數據進行相似歸一化的換算；
[0011]步驟A2)，對換算後的數據進行野點剔除及平滑濾波處理；
[0012]步驟A3)，根據試車數據中穩態過程的數據，對工作狀態相近的穩態數據進行聚類合併，以此構造穩態工作點；
[0013]步驟A4)，根據穩態工作點，採用多項式擬合法獲得穩態關係曲線，利用穩態關係曲線插值獲得穩態基點，並以此構造穩態基點插值表；[0014]步驟A5)，根據構造的穩態基點插值表，採用線性插值法建立包含起動機在內的渦軸發動機的穩態實時模型。
[0015]作為本發明一種渦軸發動機動態實時模型建模方法進一步的優化方案，步驟A4)中利用穩態關係曲線插值獲得穩態基點的詳細步驟如下:
[0016]將燃氣渦輪轉子轉速換算值與預先設定的轉子轉速換算閾值進行比較，如果燃氣渦輪轉子轉速換算值大於等於預先設定的轉子轉速換算閾值，將穩態關係曲線以2%的間隔進行插值獲得穩態基點；果燃氣渦輪轉子轉速換算值小於預先設定的轉子轉速換算閾值，將穩態關係曲線以3%-5%的間隔進行插值獲得穩態基點。
[0017]作為本發明一種渦軸發動機動態實時模型建模方法進一步的優化方案，步驟B)的具體步驟如下:
[0018]步驟BI)，根據試車數據中動態過程的數據，利用剩餘燃油量動態係數法的定義，分別計算出不同燃氣渦輪轉子轉速換算值下的燃氣渦輪轉速動態係數、燃氣渦輪出口溫度動態係數、壓氣機出口壓力動態係數和動力渦輪輸出功率動態係數，以獲得動態係數插值表;
[0019]步驟B2)，建立慢車以上狀態燃氣發生器動態實時模型，該模型的輸入參數為燃油流量、進口總壓、進口總溫，輸出參數為燃氣渦輪轉速、壓氣機出口壓力、燃氣渦輪出口溫度，採用剩餘燃油流量動態係數法計算出模型輸出參數；
[0020]步驟B3)，建立慢車以上狀態動力渦輪及負載動態實時模型，該模型輸入參數為燃氣渦輪轉速、燃油流量、進口總壓、進口總溫、負載杆角度，模型輸出參數為動力渦輪轉速、動力渦輪輸出功率，分別利用剩餘燃油流量動態係數法和動力渦輪轉子功率平衡求解模型輸出參數；
[0021]步驟B4)，建立渦軸發動機起動階段模型，該模型包括起動機單獨帶轉階段的模型、起動機與燃氣渦輪共同帶轉階段的模型、以及燃氣渦輪單獨帶轉階段的模型；
[0022]步驟B5)，建立渦軸發動機動態實時模型，該模型包含步驟Al)建立的穩態實時模型、步驟B2)建立的慢車以上燃氣發生器動態實時模型、，步驟B3)建立的動力渦輪及負載動態實時模型、以及步驟B4)建立的起動階段數學模型，根據各個模型的輸入參數解算各個模型的輸出參數。
[0023]作為本發明一種渦軸發動機動態實時模型建模方法進一步的優化方案，所述動態係數包含加速係數和減速係數。
[0024]作為本發明一種渦軸發動機動態實時模型建模方法進一步的優化方案，步驟B2)中採用剩餘燃油流量動態係數法計算出模型輸出參數時，燃氣渦輪轉速以前一時刻的動態值為當前時刻的初始值進行累加，壓氣機出口壓力和燃氣渦輪出口溫度以當前時刻的穩態值作為初始值進行累加。
[0025]作為本發明一種渦軸發動機動態實時模型建模方法進一步的優化方案，步驟B3)中採用剩餘燃油流量動態係數法計算出模型輸出參數時，動力渦輪輸出功率以當前時刻的穩態值作為初始值進行累加。
[0026]作為本發明一種渦軸發動機動態實時模型建模方法進一步的優化方案，步驟B2)中採用剩餘燃油流量動態係數法計算出燃氣渦輪出口溫度後，作為參數輸入至一階慣性溫度傳感器模型，以獲得能夠反映延遲效應的出燃氣渦輪出口溫度輸出參數。[0027]—種基於所述渦軸發動機動態實時模型建模方法的系統，包括試車數據預處理模塊、穩態工作區域判定邏輯模塊、動態工作區域判定邏輯模塊、穩態基點自動生成模塊、動態加減速係數自動生成模塊和動態實時模型計算運行模塊:
[0028]所述試車數據預處理模塊用於對原始試車數據進行剔除野點和平滑濾波處理；
[0029]所述穩態工作區域判定邏輯模塊用於根據經所述試車數據預處理模塊處理後的試車數據中穩態過程的數據，獲得穩態工作點數據；
[0030]所述動態工作區域判定邏輯模塊用於判定經所述試車數據預處理模塊處理後的試車數據中的動態工作範圍，獲得不同燃氣渦輪轉子轉速換算值下燃氣渦輪轉速動態係數、燃氣渦輪出口溫度動態係數、壓氣機出口壓力動態係數以及動力渦輪輸出功率的加速係數與減速係數；
[0031]所述穩態基點自動生成模塊用於根據穩態工作區域判定邏輯模塊中生成的穩態工作點數據、採用聚類合併法和擬合插值法計算出穩態基點，生成穩態基點插值表；
[0032]所述動態加減速係數自動生成模塊用於根據所述動態工作區域判定邏輯模塊中生成的不同燃氣渦輪轉子轉速換算值下燃氣渦輪轉速動態係數、燃氣渦輪出口溫度動態係數、壓氣機出口壓力動態係數以及動力渦輪輸出功率的加速、減速係數，採用擬合插值法獲得其在穩態基點對應下的加速、減速係數，生成動態加減速係數插值表；
[0033]所述動態實時模型計算運行模塊用於根據所述穩態基點自動生成模塊生成的穩態基點插值表和所述動態加減速係數自動生成模塊中生成的動態加減速係數插值表，採用動態加減速係數法、根據渦輪發動機動態實時模型的輸入參數計算出發動機動態實時模型的輸出參數。
[0034]本發明採用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果:
[0035](I)本發明提出的渦軸發動機動態實時模型構建方法，能適用於在缺乏部件特性數據只利用試車數據情況下的渦軸發動機建模，是一種有效的數據驅動的渦軸發動機模型建模方法。
[0036](2)本發明提出的渦軸發動機動態實時模型構建方法，為改善動態模型精度，建模時引入了加速過程和減速過程兩組動態係數，該模型能模擬包含起動、慢車以上狀態的渦軸發動機全狀態工況，且模型計算耗時小，能滿足渦扇發動機機載實時需求；
[0037](3)本發明設計的渦軸發動機動態實時模型系統，能自動生成穩態基點插值表和動態係數插值表，將其存儲在該軟體相應路徑下即可獲得基於該試驗數據的發動機動態實時模型，降低勞動強度，節約設計開發成本，且並不局限於某一型號渦軸發動機，具有一定的通用性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0038]圖1是渦軸發動機動態實時模型建模方法的流程圖；
[0039]圖2是某型渦軸發動機慢車以上狀態穩態區域聚類合併效果對比圖；
[0040]圖3是某型渦軸發動機動態實時模型(含起動)穩態基點插值表；
[0041]圖4是某型渦軸發動機動態實時模型(含起動)動態加減速係數插值表；
[0042]圖5是某型渦軸發動機動態實時模型起動階段燃氣渦輪轉速仿真效果圖；
[0043]圖6是某型渦軸發動機動態實時模型起動階段壓氣機出口壓力仿真效果圖；[0044]圖7是某型渦軸發動機動態實時模型起動階段燃氣渦輪出口溫度仿真效果圖；
[0045]圖8是某型渦軸發動機動態實時模型的燃氣發生器的燃氣渦輪轉速仿真效果圖；
[0046]圖9是某型渦軸發動機動態實時模型的燃氣發生器的壓氣機出口壓力仿真效果圖；
[0047]圖10是某型渦軸發動機動態實時模型的燃氣發生器的燃氣渦輪出口溫度仿真效果圖；
[0048]圖11是某型渦軸發動機動態實時模型的動力渦輪及負載仿真效果圖。
【具體實施方式】
[0049]下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明:
[0050]本發明的思路是針對先進渦軸發動機在缺少部件特性數據情況下的發動機實時模型需求，在現有航空發動機通用模型建模方法基礎上進行擴展，利用剩餘燃油流量動態加減速係數法，建立起包括起動模型、慢車以上狀態燃氣發生器模型和動力渦輪及負載模型在內的渦軸發動機動態實時模型，相比於非線性部件級模型該模型計算耗時明顯減小，能滿足機載實時性要求，適用於缺少部件特性只依據試車數據的建模，同時設計的發動機動態實時模型自動生成軟體能自動獲取穩態基點插值表和動態加減速係數表，以固定格式與路徑保存於編制的動態模型系統中即可獲得渦軸發動機動態模型，該方法是渦軸發動機實時模型的數據驅動建模的有益嘗試，能顯著降低勞動強度，減少設計開發成本。
[0051]本發明的【具體實施方式】以某型渦軸發動機動態實時模型構建與模型自動生成為例，圖1是渦軸發動機動態實時模型建模計算流程圖，該動態實時模型及系統的建立方法包括以下步驟:
[0052]步驟A)，建立渦軸發動機穩態實時模型；
[0053]步驟B)，採用剩餘燃油流量動態加減速係數法建立渦軸發動機動態實時模型。
[0054]其中步驟A)的詳細步驟如下:
[0055]步驟Al)、渦軸發動機穩態實時模型參數相似歸一化換算，由於試車數據是在不同的大氣條件下進行試車試驗獲得的，因此需對原始試車數據進行相似變換，將其換算到標準大氣狀況下(PelOUZSPa，?\=288.15Κ)，以便將其用於適用於不同大氣條件的發動機簡化模型建模中。在環境溫度為T1，環境壓力為P1的大氣條件下,燃氣渦輪轉速Ng、動力渦輪輸出功率Ne、燃油流量Wf、燃氣渦輪出口溫度T45和壓氣機出口壓力P3的換算公式如下
【權利要求】
1.一種渦軸發動機動態實時模型建模方法，其特徵在於，包括以下步驟: 步驟A)，建立渦軸發動機穩態實時模型； 步驟B)，採用剩餘燃油流量動態加減速係數法建立渦軸發動機動態實時模型。
2.根據權利要求1所述的渦軸發動機動態實時模型建模方法，其特徵在於，步驟A)的具體步驟如下: 步驟Al)，根據渦軸發動機工作條件，將試車數據進行相似歸一化的換算； 步驟A2)，對換算後的數據進行野點剔除及平滑濾波處理； 步驟A3)，根據試車數據中穩態過程的數據，對工作狀態相近的穩態數據進行聚類合併，以此構造穩態工作點； 步驟A4)，根據穩態工作點，採用多項式擬合法獲得穩態關係曲線，利用穩態關係曲線插值獲得穩態基點，並以此構造穩態基點插值表； 步驟A5)，根據構造的穩態基點插值表，採用線性插值法建立包含起動機在內的渦軸發動機的穩態實時模型。
3.如權利要求2所述的渦軸發動機動態實時模型建模方法，其特徵在於，步驟A4)中利用穩態關係曲線插值獲得穩態基點的詳細步驟如下: 將燃氣渦輪轉速換算值與預先設定的轉速換算閾值進行比較，如果燃氣渦輪轉速換算值大於等於預先設定的轉速換算閾值，將穩態關係曲線以約2%的間隔進行插值獲得穩態基點；果燃氣渦輪轉速換算值小於預先設定的轉速換算閾值，將穩態關係曲線以3%-5%的間隔進行插值獲得穩態基點。
4.如權利要求2所述的渦軸發動機動態實時模型建模方法，其特徵在於，步驟B)的具體步驟如下: 步驟BI)，根據試車數據中動態過程的數據，利用剩餘燃油量動態係數法的定義，分別計算出不同燃氣渦輪轉子轉速換算值下的燃氣渦輪轉速動態係數、燃氣渦輪出口溫度動態係數、壓氣機出口壓力動態係數和動力渦輪輸出功率動態係數，以獲得動態係數插值表；步驟B2)，建立慢車以上狀態燃氣發生器動態實時模型，該模型的輸入參數為燃油流量、進口總壓、進口總溫，輸出參數為燃氣渦輪轉速、壓氣機出口壓力、燃氣渦輪出口溫度，採用剩餘燃油流量動態係數法計算出模型輸出參數； 步驟B3)，建立慢車以上狀態動力渦輪及負載動態實時模型，該模型輸入參數為燃氣渦輪轉速、燃油流量、進口總壓、進口總溫、負載杆角度，模型輸出參數為動力渦輪轉速、動力渦輪輸出功率，分別利用剩餘燃油流量動態係數法和動力渦輪轉子功率平衡求解模型輸出參數； 步驟B4)，建立渦軸發動機起動階段數學模型，該模型包括起動機單獨帶轉階段的模型、起動機與燃氣渦輪共同帶轉階段的模型、以及燃氣渦輪單獨帶轉階段的模型； 步驟B5)，建立渦軸發動機動態實時模型，該模型包含步驟A5)建立的穩態實時模型、步驟B2)建立的慢車以上燃氣發生器動態實時模型、步驟B3)建立的動力渦輪及負載動態實時模型、以及步驟B4)建立的起動階段數學模型，根據各個模型的輸入參數解算各個模型的輸出參數。
5.如權利要求4所述渦軸發動機動態實時模型建模方法，其特徵在於，所述動態係數包含加速係數和減速係數。
6.如權利要求4所述渦軸發動機動態實時模型建模方法，其特徵在於，步驟B2)中採用剩餘燃油流量動態係數法計算出模型輸出參數時，燃氣渦輪轉速以前一時刻的動態值為當前時刻的初始值進行累加，壓氣機出口壓力和燃氣渦輪出口溫度以當前時刻的穩態值作為初始值進行累加。
7.如權利要求4所述渦軸發動機動態實時模型建模方法，其特徵在於，步驟B3)中採用剩餘燃油流量動態係數法計算出模型輸出參數時，動力渦輪輸出功率以當前時刻的穩態值作為初始值進行累加。
8.如權利要求4所述渦軸發動機動態實時模型建模方法，其特徵在於，步驟B2)中採用剩餘燃油流量動態係數法計算出燃氣渦輪出口溫度後，作為參數輸入至一階慣性溫度傳感器模型，以獲得能夠反映延遲效應的出燃氣渦輪出口溫度輸出參數。
9.基於權利要求4所述渦軸發動機動態實時模型建模方法的系統，其特徵在於，包括試車數據預處理模塊、穩態工作區域判定邏輯模塊、動態工作區域判定邏輯模塊、穩態基點自動生成模塊、動態加減速係數自動生成模塊和動態實時模型計算運行模塊: 所述試車數據預處理模塊用於對原始試車數據進行剔除野點和平滑濾波處理； 所述穩態工作區域判定邏輯模塊用於根據經所述試車數據預處理模塊處理後的試車數據中穩態過程的數據，獲得穩態工作點數據； 所述動態工作區域判定邏輯模塊用於判定經所述試車數據預處理模塊處理後的試車數據中的動態工作範圍，獲得不同燃氣渦輪轉子轉速換算值下燃氣渦輪轉速動態係數、燃氣渦輪出口溫度動態係數、壓氣機出口壓力動態係數以及動力渦輪輸出功率的加速係數與減速係數； 所述穩態基點自動生成模塊用於根據穩態工作區域判定邏輯模塊中生成的穩態工作點數據、採用聚類合併法和擬合插值法計算出穩態基點，生成穩態基點插值表； 所述動態加減速係數自動生成模塊用於根據所述動態工作區域判定邏輯模塊中生成的不同燃氣渦輪轉子轉速換算值下燃氣渦輪轉速動態係數、燃氣渦輪出口溫度動態係數、壓氣機出口壓力動態係數以及動力渦輪輸出功率的加速、減速係數，採用擬合插值法獲得其在穩態基點對應下的加速、減速係數，生成動態加減速係數插值表； 所述動態實時模型計算運行模塊用於根據所述穩態基點自動生成模塊生成的穩態基點插值表和所述動態加減速係數自動生成模塊中生成的動態加減速係數插值表，採用動態加減速係數法、根據渦輪發動機動態實時模型的輸入參數計算出發動機動態實時模型的輸出參數。
【文檔編號】G06F17/50GK103838920SQ201410050351
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年2月13日 優先權日:2014年2月13日
【發明者】魯峰, 黃金泉, 張冬冬, 姚文榮, 邢耀東 申請人:南京航空航天大學