基于发动机机载模型的计量活门断线故障处理方法及系统与流程

1.本发明涉及航空发动机控制技术领域，更具体地，涉及一种基于发动机机载模型的计量活门断线故障处理方法及一种基于发动机机载模型的计量活门断线故障处理系统。


背景技术：

2.在航空发动机控制系统中，通过控制主燃油的流量来达到控制转速目标需求，从而形成了主燃油转速控制回路。而主燃油的实际供给量是通过主燃油伺服回路，即电流控制主燃油计量活门开合位置来实现。因此，在主燃油控制中通常有内外两个回路，外环计算主燃油给定值，内环计算控制主燃油计量活门的电流控制值。而内环是否控制到位是通过传感器获得的主燃油计量活门反馈来确认。发动机在实际工作中，可能会出现主燃油计量活门传感器断线而无法获得反馈值的故障情况。该故障会导致内环不可控，进而导致转速不可控的情况出现，因此迫切需要一种故障处理方法。
3.针对主燃油控制回路计量活门传感器断线故障，提出一种基于等效变换的控制方案。该方案解决了故障时发动机转速控制的问题，同时实现了控制流量的可观测性，使故障时依然可以对闭环计算燃油量进行开环限制。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于发动机机载模型的计量活门断线故障处理方法及系统，在发生主燃油计量活门传感器断线故障时，实现发动机转速可控，且控制流量依然可观测。
5.作为本发明的第一个方面，提供一种基于发动机机载模型的计量活门断线故障处理方法，包括：
6.步骤s1：获取当前时刻的发动机转速给定值、当前时刻的发动机转速反馈值以及上一时刻的发动机转速反馈值，以及构建发动机机载模型；
7.步骤s2：依据所述当前时刻的发动机转速给定值和所述当前时刻的发动机转速反馈值之间的差值计算得到当前时刻的主燃油流量给定值，同时将所述当前时刻的发动机转速反馈值和上一时刻的发动机转速反馈值输入到所述发动机机载模型中以输出当前时刻的主燃油流量计算值；
8.步骤s3：根据所述当前时刻的主燃油流量给定值与所述当前时刻的主燃油流量计算值之间的差值计算得到当前时刻的控制电流；
9.步骤s4：根据所述当前时刻的控制电流驱动主燃油计量活门输出燃油以供给发动机燃烧，实现对发动机转速的控制。
10.进一步地，所述将所述当前时刻的发动机转速反馈值和上一时刻的发动机转速反馈值输入到所述发动机机载模型中以输出当前时刻的主燃油流量计算值，还包括：
11.构建以发动机转速反馈值n为调度变量的一阶lpv模型1/gs2，所述一阶lpv模型为发动机燃油-转速模型，该一阶lpv模型在连续域表述为:
[0012][0013]
其中，wf'(s)为连续域的主燃油流量计算值；n(s)为连续域的发动机转速反馈值；ke和te分别为发动机局部线性模型的增益和时间常数；
[0014]
将该一阶lpv模型进行离散化，即：
[0015][0016]
其中，wf'(z)为离散域的主燃油流量计算值；n(z)为离散域的发动机转速反馈值；
[0017]
进一步得到表达式为：
[0018][0019]
其中，wf'(k)为第k个采样周期的主燃油流量计算值；n(k)为第k个采样周期的发动机转速反馈值；n(k-1)为第k-1个采样周期的发动机转速反馈值；t为采样时间；
[0020]
同时对于该一阶lpv模型，根据线性系统原理有如下处理：
[0021]
n(k)＝ke
·
wf
steady
(k)
[0022]
其中，wf
steady
(k)为发动机在第k个采样周期的稳态燃油流量值；
[0023]
综合上述一系列线性模型，可以有：
[0024][0025]
结合相似原理，在包线范围内根据发动机转速反馈值n、进口压力p2及进口温度t2，获得稳态燃油流量值wf
steady
、增益ke及时间常数te，故推广到非线性时有如下函数关系：
[0026]
[wf
steady
,ke,te]＝f(n,p2,t2)
[0027]
至此，完成发动机机载模型的构建，即根据发动机转速反馈值n、进口压力p2及进口温度t2获取稳态燃油流量值wf
steady
、增益ke、时间常数te，之后根据稳态燃油流量值wf
steady
、增益ke、时间常数te和发动机转速反馈值n计算得到主燃油流量计算值wf'。
[0028]
作为本发明的第二个方面，提供一种基于发动机机载模型的计量活门断线故障处理系统，包括：
[0029]
外环控制器，用于获取当前时刻的发动机转速给定值和当前时刻的发动机转速反馈值，依据所述当前时刻的发动机转速给定值和所述当前时刻的发动机转速反馈值之间的差值计算得到当前时刻的主燃油流量给定值；
[0030]
内环控制器，用于获取所述当前时刻的主燃油流量给定值、当前时刻的发动机转速反馈值以及上一时刻的发动机转速反馈值，同时构建发动机机载模型；及将所述当前时刻的发动机转速反馈值和上一时刻的发动机转速反馈值输入到所述发动机机载模型中以输出当前时刻的主燃油流量计算值；以及根据所述当前时刻的主燃油流量给定值与所述当前时刻的主燃油流量计算值之间的差值计算得到当前时刻的控制电流；以及根据所述当前时刻的控制电流驱动主燃油计量活门输出燃油以供给发动机燃烧，实现对发动机转速的控
制。
[0031]
进一步地，所述内环控制器具体用于：
[0032]
构建以发动机转速反馈值n为调度变量的一阶lpv模型1/gs2，所述一阶lpv模型为发动机燃油-转速模型，该一阶lpv模型在连续域表述为:
[0033][0034]
其中，wf'(s)为连续域的主燃油流量计算值；n(s)为连续域的发动机转速反馈值；ke和te分别为发动机局部线性模型的增益和时间常数；
[0035]
将该一阶lpv模型进行离散化，即：
[0036][0037]
其中，wf'(z)为离散域的主燃油流量计算值；n(z)为离散域的发动机转速反馈值；
[0038]
进一步得到表达式为：
[0039][0040]
其中，wf'(k)为第k个采样周期的主燃油流量计算值；n(k)为第k个采样周期的发动机转速反馈值；n(k-1)为第k-1个采样周期的发动机转速反馈值；t为采样时间；
[0041]
同时对于该一阶lpv模型，根据线性系统原理有如下处理：
[0042]
n(k)＝ke
·
wf
steady
(k)
[0043]
其中，wf
steady
(k)为发动机在第k个采样周期的稳态燃油流量值；
[0044]
综合上述一系列线性模型，可以有：
[0045][0046]
结合相似原理，在包线范围内根据发动机转速反馈值n、进口压力p2及进口温度t2，获得稳态燃油流量值wf
steady
、增益ke及时间常数te，故推广到非线性时有如下函数关系：
[0047]
[wf
steadyi
ke,te]＝f(n,p2,t2)
[0048]
至此，完成发动机机载模型的构建，即根据发动机转速反馈值n、进口压力p2及进口温度t2获取稳态燃油流量值wf
steady
、增益ke、时间常数te，之后根据稳态燃油流量值wf
steady
、增益ke、时间常数te和发动机转速反馈值n计算得到主燃油流量计算值wf'。
[0049]
本发明提供的基于发动机机载模型的计量活门断线故障处理方法及系统具有以下优点：
[0050]
(1)断线故障时直接采用非故障时的原有控制器及控制参数，无须额外设计控制器或控制参数；
[0051]
(2)内环主燃油计量活门传感器断线后依然实现转速可控的目的；
[0052]
(3)计量活门传感器断线故障后，进行控制的主燃油流量依然可观测，进而可以对输出量进行油气比等开环限制。
附图说明
[0053]
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
[0054]
图1为本发明基于发动机机载模型的计量活门断线故障处理方法的流程图。
[0055]
图2为本发明基于发动机机载模型的计量活门断线故障处理系统的结构图。
[0056]
图3为在计量活门传感器断线故障时采用本发明基于发动机机载模型的计量活门断线故障处理方法的发动机转速控制效果与未断线无故障时的发动机转速控制效果对比图。
具体实施方式
[0057]
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的基于发动机机载模型的计量活门断线故障处理方法及系统其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。显然，所描述的实施例为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。
[0058]
在本实施例中提供了一种基于发动机机载模型的计量活门断线故障处理方法，如图1所示，基于发动机机载模型的计量活门断线故障处理方法包括：
[0059]
步骤s1：获取当前时刻的发动机转速给定值、当前时刻的发动机转速反馈值以及上一时刻的发动机转速反馈值，以及构建发动机机载模型；
[0060]
步骤s2：依据所述当前时刻的发动机转速给定值和所述当前时刻的发动机转速反馈值之间的差值计算得到当前时刻的主燃油流量给定值，同时将所述当前时刻的发动机转速反馈值和上一时刻的发动机转速反馈值输入到所述发动机机载模型中以输出当前时刻的主燃油流量计算值；
[0061]
具体地，所述将所述当前时刻的发动机转速反馈值和上一时刻的发动机转速反馈值输入到所述发动机机载模型中以输出当前时刻的主燃油流量计算值，还包括：
[0062]
构建以发动机转速反馈值n为调度变量的一阶lpv模型1/gs2，所述一阶lpv模型为发动机燃油-转速模型，该一阶lpv模型在连续域表述为:
[0063][0064]
其中，wf'(s)为连续域的主燃油流量计算值；n(s)为连续域的发动机转速反馈值；ke和te分别为发动机局部线性模型的增益和时间常数；
[0065]
将该一阶lpv模型进行离散化，即：
[0066][0067]
其中，wf'(z)为离散域的主燃油流量计算值；n(z)为离散域的发动机转速反馈值；
[0068]
进一步得到表达式为：
[0069][0070]
其中，wf'(k)为第k个采样周期的主燃油流量计算值；n(k)为第k个采样周期的发动机转速反馈值；n(k-1)为第k-1个采样周期的发动机转速反馈值；t为采样时间；
[0071]
同时对于该一阶lpv模型，根据线性系统原理有如下处理：
[0072]
n(k)＝ke
·
wf
steady
(k)
[0073]
其中，wf
steady
(k)为发动机在第k个采样周期的稳态燃油流量值；
[0074]
综合上述一系列线性模型，可以有：
[0075][0076]
结合相似原理，在包线范围内根据发动机转速反馈值n、进口压力p2及进口温度t2，获得稳态燃油流量值wf
steady
、增益ke及时间常数te，故推广到非线性时有如下函数关系：
[0077]
[wf
stead
,ke,te]＝f(n,p2,t2)
[0078]
至此，完成发动机机载模型的构建，即根据发动机转速反馈值n、进口压力p2及进口温度t2获取稳态燃油流量值wf
steady
、增益ke、时间常数te，之后根据稳态燃油流量值wf
steady
、增益ke、时间常数te和发动机转速反馈值n计算得到主燃油流量计算值wf'。
[0079]
步骤s3：根据所述当前时刻的主燃油流量给定值与所述当前时刻的主燃油流量计算值之间的差值计算得到当前时刻的控制电流；
[0080]
步骤s4：根据所述当前时刻的控制电流驱动主燃油计量活门输出燃油以供给发动机燃烧，实现对发动机转速的控制。
[0081]
本发明提供的基于发动机机载模型的计量活门断线故障处理方法，适用于发动机主燃油控制，在发生主燃油计量活门传感器断线故障时，实现发动机转速可控，且控制流量依然可观测。
[0082]
作为本发明的另一实施例，提供一种基于发动机机载模型的计量活门断线故障处理系统，如图2所示，所述基于发动机机载模型的计量活门断线故障处理系统包括：
[0083]
外环控制器，用于获取当前时刻的发动机转速给定值和当前时刻的发动机转速反馈值，依据所述当前时刻的发动机转速给定值和所述当前时刻的发动机转速反馈值之间的差值计算得到当前时刻的主燃油流量给定值；
[0084]
内环控制器，用于获取所述当前时刻的主燃油流量给定值、当前时刻的发动机转速反馈值以及上一时刻的发动机转速反馈值，同时构建发动机机载模型；及将所述当前时刻的发动机转速反馈值和上一时刻的发动机转速反馈值输入到所述发动机机载模型中以输出当前时刻的主燃油流量计算值；以及根据所述当前时刻的主燃油流量给定值与所述当前时刻的主燃油流量计算值之间的差值计算得到当前时刻的控制电流；以及根据所述当前时刻的控制电流驱动主燃油计量活门输出燃油以供给发动机燃烧，实现对发动机转速的控制。
[0085]
具体地，采用等效变化的原则，将图2中原有的双环控制架构等效变化为新型的双环架构，如图2所示，图中上半部分为非断线故障模式下原有的双环控制架构，下半部分为主燃油计量活门传感器断线故障模式下的新型的双环控制架构。
[0086]
方式1)在非断线故障模式下，使用原有的双环控制架构进行控制：外环控制器根据发动机转速给定值ndem与转速反馈值n之差，计算得到主燃油流量给定值wfdem；然后内环控制器根据主燃油流量给定值wfdem与主燃油流量实际值wf(即主燃油计量活门的传感器反馈值)之差，计算得到控制电流i；之后，内环控制器根据控制电流i驱动主燃油计量活门移动，主燃油计量活门上的传感器输出主燃油流量实际值wf。主燃油计量活门输出的主燃油供给发动机燃烧后改变发动机转速n，最终使得发动机转速反馈值n与转速给定值ndem相等，达到了转速闭环控制目的。
[0087]
方式2)在断线故障模式下，基于等效变化原则，更改为新的双环控制架构进行控制：由于主燃油计量活门传感器断线，内环无法获取主燃油计量活门的输出量wf，为此，基于等效变化原则，将图2上半部分中虚框所示部分，变化为图2下半部分中虚框所示部分，形成了新的双环控制架构。在该新架构中，构建了发动机机载模型1/gs2，该模型以发动机的转速输出量n作为输入，以主燃油流量计算值wf'作为输出。该新架构的控制过程为：外环控制器依然根据转速给定值ndem与发动机转速反馈值n之差计算得到主燃油流量给定值wfdem，而内环控制器则根据构建的发动机机载模型获得该状态下的主燃油流量模型计算值wf'，然后根据主燃油流量给定值wfdem与主燃油流量计算值wf'之差计算得到控制电流i，控制电流i驱动主燃油计量活门输出实际燃油供给发动机燃烧，进而改变了发动机的输出转速n，之后将发动机的输出n作为机载模型的输入得到主燃油流量计算值wf'。该过程在无实际燃油反馈值wf(即主燃油计量活门传感器断线)的情况下，实现发动机目标转速控制，同时，还可以根据1/gs2模型的输出量wf'实现控制流量观测。并且，在此过程中直接沿用了原有的两个控制器，并不需要额外设计控制器或控制参数。
[0088]
从图3中可以看出，采用本发明所述的方法后，计量活门传感器断线故障时的控制效果与未断线无故障时的控制效果基本一致。
[0089]
需要说明的是，建立主燃油计量活门传感器断线故障标志字进行状态切换：标志字无效(未断线故障)时，选择方式1)控制；标志字有效(断线故障)时，选择方式2)控制。
[0090]
至此完成了基于简化模型的计量活门传感器断线故障处理。
[0091]
由于实际发动机是非线性的，显然采用单一的线性1/gs2模型是不合适的。因此，为了提高模型效率、简化逻辑结构，采用了基于平衡流形原理的线性变参数(lpv)模型，该模型可在稳态和动态上都有极高的精度。本方案的lpv模型采用发动机转速反馈值n作为调度变量，将发动机燃油-转速(wf-n)模型在局部状态下近似于惯性环节。据此建立以n为调度变量的一阶lpv模型，进一步可完成基于该模型的主燃油计量活门传感器断线故障处理控制方法，实现该故障情况下的控制目标。
[0092]
具体如下：
[0093]
构建以发动机转速反馈值n为调度变量的一阶lpv模型1/gs2，所述一阶lpv模型为发动机燃油-转速模型，该一阶lpv模型在连续域表述为:
[0094][0095]
其中，wf'(s)为连续域的主燃油流量计算值；n(s)为连续域的发动机转速反馈值；ke和te分别为发动机局部线性模型的增益和时间常数；
[0096]
将该一阶lpv模型进行离散化，即：
[0097][0098]
其中，wf'(z)为离散域的主燃油流量计算值；n(z)为离散域的发动机转速反馈值；
[0099]
进一步得到表达式为：
[0100][0101]
其中，wf'(k)为第k个采样周期的主燃油流量计算值；n(k)为第k个采样周期的发动机转速反馈值；n(k-1)为第k-1个采样周期的发动机转速反馈值；t为采样时间；
[0102]
同时对于该一阶lpv模型，根据线性系统原理有如下处理：
[0103]
n(k)＝ke
·
wf
steady
(k)
[0104]
其中，wf
steady
(k)为发动机在第k个采样周期的稳态燃油流量值；
[0105]
综合上述一系列线性模型，可以有：
[0106][0107]
结合相似原理，在包线范围内根据发动机转速反馈值n、进口压力p2及进口温度t2，获得稳态燃油流量值wf
steady
、增益ke及时间常数te，故推广到非线性时有如下函数关系：
[0108]
[wf
steaay
，ke,te]＝f(n,p2,t2)
[0109]
至此，完成发动机机载模型的构建，即根据发动机转速反馈值n、进口压力p2及进口温度t2获取稳态燃油流量值wf
steady
、增益ke、时间常数te，之后根据稳态燃油流量值wf
steady
、增益ke、时间常数te和发动机转速反馈值n计算得到主燃油流量计算值wf'。
[0110]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种基于发动机机载模型的计量活门断线故障处理方法，其特征在于，包括：步骤s1：获取当前时刻的发动机转速给定值、当前时刻的发动机转速反馈值以及上一时刻的发动机转速反馈值，以及构建发动机机载模型；步骤s2：依据所述当前时刻的发动机转速给定值和所述当前时刻的发动机转速反馈值之间的差值计算得到当前时刻的主燃油流量给定值，同时将所述当前时刻的发动机转速反馈值和上一时刻的发动机转速反馈值输入到所述发动机机载模型中以输出当前时刻的主燃油流量计算值；步骤s3：根据所述当前时刻的主燃油流量给定值与所述当前时刻的主燃油流量计算值之间的差值计算得到当前时刻的控制电流；步骤s4：根据所述当前时刻的控制电流驱动主燃油计量活门输出燃油以供给发动机燃烧，实现对发动机转速的控制。2.根据权利要求1所述的基于发动机机载模型的计量活门断线故障处理方法，其特征在于，所述将所述当前时刻的发动机转速反馈值和上一时刻的发动机转速反馈值输入到所述发动机机载模型中以输出当前时刻的主燃油流量计算值，还包括：构建以发动机转速反馈值n为调度变量的一阶lpv模型1/gs2，所述一阶lpv模型为发动机燃油-转速模型，该一阶lpv模型在连续域表述为:其中，wf'(s)为连续域的主燃油流量计算值；n(s)为连续域的发动机转速反馈值；ke和te分别为发动机局部线性模型的增益和时间常数；将该一阶lpv模型进行离散化，即：其中，wf'(z)为离散域的主燃油流量计算值；n(z)为离散域的发动机转速反馈值；进一步得到表达式为：其中，wf'(k)为第k个采样周期的主燃油流量计算值；n(k)为第k个采样周期的发动机转速反馈值；n(k-1)为第k-1个采样周期的发动机转速反馈值；t为采样时间；同时对于该一阶lpv模型，根据线性系统原理有如下处理：n(k)＝ke
·
wf
steady
(k)其中，wf
steady
(k)为发动机在第k个采样周期的稳态燃油流量值；综合上述一系列线性模型，可以有：结合相似原理，在包线范围内根据发动机转速反馈值n、进口压力p2及进口温度t2，获得稳态燃油流量值wf
steady
、增益ke及时间常数te，故推广到非线性时有如下函数关系：
[wf
stedy
,ke,te]＝f(n,p2,t2)至此，完成发动机机载模型的构建，即根据发动机转速反馈值n、进口压力p2及进口温度t2获取稳态燃油流量值wf
stady
、增益ke、时间常数te，之后根据稳态燃油流量值wf
steady
、增益ke、时间常数te和发动机转速反馈值n计算得到主燃油流量计算值wf'。3.一种基于发动机机载模型的计量活门断线故障处理系统，其特征在于，包括：外环控制器，用于获取当前时刻的发动机转速给定值和当前时刻的发动机转速反馈值，依据所述当前时刻的发动机转速给定值和所述当前时刻的发动机转速反馈值之间的差值计算得到当前时刻的主燃油流量给定值；内环控制器，用于获取所述当前时刻的主燃油流量给定值、当前时刻的发动机转速反馈值以及上一时刻的发动机转速反馈值，同时构建发动机机载模型；及将所述当前时刻的发动机转速反馈值和上一时刻的发动机转速反馈值输入到所述发动机机载模型中以输出当前时刻的主燃油流量计算值；以及根据所述当前时刻的主燃油流量给定值与所述当前时刻的主燃油流量计算值之间的差值计算得到当前时刻的控制电流；以及根据所述当前时刻的控制电流驱动主燃油计量活门输出燃油以供给发动机燃烧，实现对发动机转速的控制。4.根据权利要求3所述的基于发动机机载模型的计量活门断线故障处理系统，其特征在于，所述内环控制器具体用于：构建以发动机转速反馈值n为调度变量的一阶lpv模型1/gs2，所述一阶lpv模型为发动机燃油-转速模型，该一阶lpv模型在连续域表述为:其中，wf'(s)为连续域的主燃油流量计算值；n(s)为连续域的发动机转速反馈值；ke和te分别为发动机局部线性模型的增益和时间常数；将该一阶lpv模型进行离散化，即：其中，wf'(z)为离散域的主燃油流量计算值；n(z)为离散域的发动机转速反馈值；进一步得到表达式为：其中，wf'(k)为第k个采样周期的主燃油流量计算值；n(k)为第k个采样周期的发动机转速反馈值；n(k-1)为第k-1个采样周期的发动机转速反馈值；t为采样时间；同时对于该一阶lpv模型，根据线性系统原理有如下处理：n(k)＝ke
·
wf
steady
(k)其中，wf
steady
(k)为发动机在第k个采样周期的稳态燃油流量值；综合上述一系列线性模型，可以有：
结合相似原理，在包线范围内根据发动机转速反馈值n、进口压力p2及进口温度t2，获得稳态燃油流量值wf
steady
、增益ke及时间常数te，故推广到非线性时有如下函数关系：[wf
steady
,ke,te]＝f(n,p2,t2)至此，完成发动机机载模型的构建，即根据发动机转速反馈值n、进口压力p2及进口温度t2获取稳态燃油流量值wf
steady
、增益ke、时间常数te，之后根据稳态燃油流量值wf
steady
、增益ke、时间常数te和发动机转速反馈值n计算得到主燃油流量计算值wf'。

技术总结
本发明涉及航空发动机控制技术领域，具体公开了基于发动机机载模型的计量活门断线故障处理方法，包括：获取当前时刻的发动机转速给定值和当前时刻的发动机转速反馈值，并依据两者差值计算得到当前时刻的主燃油流量给定值，同时将当前时刻的发动机转速反馈值输入到发动机机载模型中以输出当前时刻的主燃油流量计算值；根据当前时刻的主燃油流量给定值与主燃油流量计算值之间的差值计算得到当前时刻的控制电流；根据控制电流驱动主燃油计量活门输出燃油以供给发动机燃烧，实现对发动机转速的控制。本发明还公开了基于发动机机载模型的计量活门断线故障处理系统。本发明能够在发生主燃油计量活门传感器断线故障时，实现发动机转速可控。机转速可控。机转速可控。


技术研发人员：杨艳婷 丁红帅 王欢
受保护的技术使用者：中国航发控制系统研究所
技术研发日：2023.03.24
技术公布日：2023/5/16