一种射流预冷发动机进口总温动态特性补偿方法与流程

1.本技术属于航空发动机变量控制领域，特别涉及一种射流预冷发动机进口总温动态特性补偿方法。


背景技术：

2.近年来，国内外在涡轮发动机射流预冷扩包线方面开展了大量研究，即在进气道加装喷水预冷装置，向进气道中喷入雾化的液态水，通过水蒸发吸热，降低发动机进口总温。航空发动机控制计划依据发动机进口总温进行换算修正，射流预冷控制系统将发动机进口总温作为反馈调节参数调节冷却水量。因喷入进气道的液态水不完全蒸发和汽化，进气道中工作介质由空气变为空气和水蒸气的混合气，甚至有部分未蒸发的液态水滴颗粒。射流时两相流流场复杂，水蒸气以及液态水对发动机进口的常规铂电阻或者热电偶传感器气流温度测量结果的精度造成较大的影响，甚至导致对发动机性能结果的失效判定。
3.目前国内针对温度传感器需要增加防水保护套，并基于惯性原理，利用水滴和气体的惯性差别较大的特点分离水气。但是在测温过程中，传感器要感知被测介质温度的变化，必须与被测介质建立热平衡，因保护套的存在，从被测介质温度改变到传感器感知到被测介质温度变化过程变长，即这种传感器具有较长的响应时间。这使得传感器输入和传感器输出之间的存在较大的动态响应差异。从时域上来说，射流预冷防水温度传感器动态响应误差产生的原因主要是传感器的响应时间太长，传感器的输出结果不能正确反映被测信号的快速变化，从而造成测量结果与被测信号之间产生波形畸变，如图1所示，其中实线表示真实信号，虚线为传感器输出信号。从频域上来说，射流预冷防水温度传感器因为保护套的原因导致了动态特性的频带不够宽，幅频特性不平坦，相频特性不是理想的直线，进而导致被测信号中的频谱分量，有的被放大，有的被减小，不同频率分量通过测量系统时会受到不同程度的衰减和延迟。
4.在瞬态测量中，射流预冷防水温度传感器的测量动态响应误差较大，对传感器的输出进行后处理十分必要，扩宽动态特性的频带，提高传感器的热响应特性，达到航空发动机控制系统瞬态测温的要求。现有技术中，如图2所示，在传感器输出后增加动态补偿器，常用零极点配置方法进行动态补偿。零极点配置的原理是先将传递函数的零极点求出，观察原传递函数的零极点，随后设计一个补偿器串联在原系统之后，补偿器的作用是将原先系统的时间常数减小，它的分子等于原传递函数的分母，它的分母是将原传递函数的时间常数降低后的原传递函数的分母。所以串联了这个补偿器之后，整个系统的时间常数就被配置成了新的时间常数。这时就相当于将传感器原传递函数的极点转换掉了。从另一个角度来看，串联的这个补偿器是一个带通滤波器。通过这种补偿，可以使系统的动态性能得到改善，最终实现输出信号接近原始输入信号x(t)。但是这个新的理想的系统的时间常数仍然和真实的信号有差异，动态误差补偿效果不足，如果使用反滤波极端补偿方法，高频噪声被明显放大。除了欠补偿或者过补偿的问题外，真实传感器射流预冷状态下无法获得真实时间常数数据，目前均利用温度传感器风洞试验获得的时间常数写入数字电子控制器，
但是与射流预冷状态下真实时间常数存在误差。
5.因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。


技术实现要素：

6.本技术的目的是提供了一种射流预冷发动机进口总温动态特性补偿方法，以解决现有技术存在的至少一个问题。
7.本技术的技术方案是：
8.一种种射流预冷发动机进口总温动态特性补偿方法，包括：
9.步骤一、在射流预冷发动机进口总温同一测点的临近位置安装两支非相似余度的进口总温传感器，获取两支非相似余度的进口总温传感器测量值；
10.步骤二、构建射流预冷发动机进口总温传感器传递函数模型；
11.步骤三、根据两支非相似余度的进口总温传感器测量值以及所述传递函数模型进行射流预冷发动机进口总温传感器时间常数辨识；
12.步骤四、根据两支非相似余度的进口总温传感器测量值、所述传递函数模型以及所述时间常数，计算出每个计算周期的进口总温输出。
13.在本技术的至少一个实施例中，步骤二中，所述传递函数模型为：
[0014][0015]
其中，τ为等效时间常数，s为变换因子。
[0016]
在本技术的至少一个实施例中，步骤三中，所述根据两支非相似余度的进口总温传感器测量值以及所述传递函数模型进行射流预冷发动机进口总温传感器时间常数辨识包括：
[0017]
将所述传递函数模型进行微分变换：
[0018][0019]
其中，ts为实际温度，tm为测量值；
[0020]
实际温度为输入信号，测量值为输出信号；
[0021]
则两支非相似余度的进口总温传感器的环境温度满足：
[0022][0023]
其中，t
s1
为第一支进口总温传感器所在位置的实际温度，t
s2
为第二支进口总温传感器所在位置的实际温度，t
m1
为第一支进口总温传感器测量值，t
m2
第二支进口总温传感器测量值，τ1为第一支进口总温传感器时间常数，τ2为第二支进口总温传感器时间常数；
[0024]
两支非相似余度的进口总温传感器位于同一测点的临近位置，则：
[0025][0026]
根据装机状态下试验数据，通过最小化计算得到两支非相似余度的
进口总温传感器时间常数为：
[0027][0028]
其中，
[0029]
δt
21
＝t
m2-t
m1
[0030][0031][0032][0033]-表示时间平均。
[0034]
在本技术的至少一个实施例中，步骤四中，所述根据两支非相似余度的进口总温传感器测量值、所述传递函数模型以及所述时间常数，计算出每个计算周期的进口总温输出包括：
[0035]
将所述传递函数模型进行差分变换：
[0036]
y(k)＝py(k-1)+qx(k-k
τ
)
ꢀꢀꢀ
(5)
[0037]
其中，
[0038][0039][0040]
tz为采样周期；
[0041]
对两支非相似余度的进口总温传感器的输出信号进行滤波、比较及补偿运算；
[0042]
设t0＝0.003s，计算每个计算周期的温度输出，计算过程如下：
[0043][0044]
其中，
[0045][0046][0047]
发明至少存在以下有益技术效果：
[0048]
本技术的射流预冷发动机进口总温动态特性补偿方法，利用两支非相似余度传感器采集数据经过时域滤波、比较两个环节可以实现较好的滤波效果，减小过补偿影响；最后通过比较后的带通滤波补偿方法，实现大量程的快变信号补偿，解决单一传感器带通滤波导致的欠补偿和过补偿问题。
附图说明
[0049]
图1是射流预冷防水温度传感器的测量动态响应误差示意图；
[0050]
图2是在传感器输出后增加动态补偿器示意图；
[0051]
图3是本技术的一个实施方式的双非相似余度传感器的补偿方案示意图。
具体实施方式
[0052]
为使本技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。下面结合附图对本技术的实施例进行详细说明。
[0053]
在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术保护范围的限制。
[0054]
下面结合附图3对本技术做进一步详细说明。
[0055]
本技术提供了一种射流预冷发动机进口总温动态特性补偿方法，包括以下步骤：
[0056]
步骤一、在射流预冷发动机进口总温同一测点的临近位置安装两支非相似余度的进口总温传感器，获取两支非相似余度的进口总温传感器测量值；
[0057]
步骤二、构建射流预冷发动机进口总温传感器传递函数模型；
[0058]
步骤三、根据两支非相似余度的进口总温传感器测量值以及传递函数模型进行射流预冷发动机进口总温传感器时间常数辨识；
[0059]
步骤四、根据两支非相似余度的进口总温传感器测量值、传递函数模型以及时间常数，计算出每个计算周期的进口总温输出。
[0060]
本技术的射流预冷发动机进口总温动态特性补偿方法，建立以下形式的射流预冷发动机进口总温传感器传递函数模型：
[0061][0062]
其中，τ为等效时间常数，s为变换因子。
[0063]
将射流预冷发动机进口总温传感器传递函数模型变换成微分方程形式，得到公式(2)：
[0064][0065]
其中，ts为实际温度，tm为测量值；
[0066]
实际温度为输入信号，测量值为输出信号；
[0067]
由于射流预冷工作时，发动机在固定的包线点上，所以发动机进口总温传感器时
间常数基本不变。由于两支传感器位于射流预冷发动机进口总温同一测点的临近位置，输入信号误差可以忽略，即t
s1
≈t
s2
。
[0068]
现假设两支非相似余度的进口总温传感器的环境温度满足公式(3)：
[0069][0070]
其中，t
s1
为第一支进口总温传感器所在位置的实际温度，t
s2
为第二支进口总温传感器所在位置的实际温度，t
m1
为第一支进口总温传感器测量值，t
m2
第二支进口总温传感器测量值，τ1为第一支进口总温传感器时间常数，τ2为第二支进口总温传感器时间常数；
[0071]
根据装机状态下试验数据，通过最小化计算得到两支非相似余度的进口总温传感器时间常数为：
[0072][0073]
其中，
[0074]
δt
21
＝t
m2-t
m1
[0075][0076][0077][0078]
表示时间平均。
[0079]
依据控制系统采样周期，将射流预冷发动机进口总温传感器传递函数模型进行差分变换，得到公式(5)：
[0080]
y(k)＝py(k-1)+qx(k-k
τ
)
ꢀꢀꢀ
(5)
[0081]
其中，
[0082][0083][0084]
tz为采样周期；
[0085]
热电偶y(k)并不能反映真实的温度，对两支非相似余度的进口总温传感器的输出信号进行滤波、比较及补偿运算，如图3所示；
[0086]
对上述的方案差分变换，利用惯性滤波方法，设t0＝0.003s，计算每个计算周期的温度输出，计算过程如下：
[0087][0088]
其中，
[0089][0090][0091]
本技术的射流预冷发动机进口总温动态特性补偿方法，引入两支非相似余度传感器，利用非相似余度传感器可以获得真实装机状态下的发动机进口总温传感器时间常数，解决了装机射流预冷状态下无法获取真实发动机进口温度，所以单一传感器方案无法准确辨识进口总温传感器时间常数的问题。针对航空发动机工作环境复杂，传感器测量数据含有来自过程和测量产生的丰富的噪声的问题(这些噪声会对补偿结果会产生极大的影响)。利用两支非相似余度传感器采集数据经过时域滤波、比较两个环节可以实现较好的滤波效果，减小过补偿影响；最后通过比较后的带通滤波补偿方法，实现大量程的快变信号补偿，解决单一传感器带通滤波导致的欠补偿和过补偿问题。
[0092]
以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种射流预冷发动机进口总温动态特性补偿方法，其特征在于，包括：步骤一、在射流预冷发动机进口总温同一测点的临近位置安装两支非相似余度的进口总温传感器，获取两支非相似余度的进口总温传感器测量值；步骤二、构建射流预冷发动机进口总温传感器传递函数模型；步骤三、根据两支非相似余度的进口总温传感器测量值以及所述传递函数模型进行射流预冷发动机进口总温传感器时间常数辨识；步骤四、根据两支非相似余度的进口总温传感器测量值、所述传递函数模型以及所述时间常数，计算出每个计算周期的进口总温输出。2.根据权利要求1所述的射流预冷发动机进口总温动态特性补偿方法，其特征在于，步骤二中，所述传递函数模型为：其中，τ为等效时间常数，s为变换因子。3.根据权利要求2所述的射流预冷发动机进口总温动态特性补偿方法，其特征在于，步骤三中，所述根据两支非相似余度的进口总温传感器测量值以及所述传递函数模型进行射流预冷发动机进口总温传感器时间常数辨识包括：将所述传递函数模型进行微分变换：其中，t
s
为实际温度，t
m
为测量值；实际温度为输入信号，测量值为输出信号；则两支非相似余度的进口总温传感器的环境温度满足：其中，t
s1
为第一支进口总温传感器所在位置的实际温度，t
s2
为第二支进口总温传感器所在位置的实际温度，t
m1
为第一支进口总温传感器测量值，t
m2
第二支进口总温传感器测量值，τ1为第一支进口总温传感器时间常数，τ2为第二支进口总温传感器时间常数；两支非相似余度的进口总温传感器位于同一测点的临近位置，则：t
s1
≈t
s2
根据装机状态下试验数据，通过最小化计算得到两支非相似余度的进口总温传感器时间常数为：其中，δt
21
＝t
m2-t
m1
‑
表示时间平均。4.根据权利要求1所述的射流预冷发动机进口总温动态特性补偿方法，其特征在于，步骤四中，所述根据两支非相似余度的进口总温传感器测量值、所述传递函数模型以及所述时间常数，计算出每个计算周期的进口总温输出包括：将所述传递函数模型进行差分变换：y(k)＝py(k-1)+qx(k-k
τ
)
ꢀꢀꢀ
(5)其中，其中，t
z
为采样周期；对两支非相似余度的进口总温传感器的输出信号进行滤波、比较及补偿运算；设t0＝0.003s，计算每个计算周期的温度输出，计算过程如下：其中，其中，

技术总结
本申请属于航空发动机变量控制领域，特别涉及一种射流预冷发动机进口总温动态特性补偿方法。包括：步骤一、在射流预冷发动机进口总温同一测点的临近位置安装两支非相似余度的进口总温传感器，获取两支非相似余度的进口总温传感器测量值；步骤二、构建射流预冷发动机进口总温传感器传递函数模型；步骤三、根据两支非相似余度的进口总温传感器测量值以及所述传递函数模型进行射流预冷发动机进口总温传感器时间常数辨识；步骤四、根据两支非相似余度的进口总温传感器测量值、所述传递函数模型以及所述时间常数，计算出每个计算周期的进口总温输出。本申请能够解决单一传感器带通滤波导致的欠补偿和过补偿问题。波导致的欠补偿和过补偿问题。波导致的欠补偿和过补偿问题。


技术研发人员：李文涛 郝彬彬 哈菁 李庚伟 周萌 栾东 静雨蔚 童岩鹏
受保护的技术使用者：中国航发沈阳发动机研究所
技术研发日：2022.12.31
技术公布日：2023/5/24