参数限制在紧急控制系统中的应用

薛文鹏，雷　利，马　昌，魏海涛

(中国飞行试验研究院,陕西 西安 710089)

参数限制在紧急控制系统中的应用

薛文鹏，雷利，马昌，魏海涛

(中国飞行试验研究院,陕西 西安 710089)

摘要：针对航空发动机动态过程中参数可能会超出其物理限制的问题，提出了基于调幅曲线的发动机参数限制器设计方法。在紧急状态下，通过改变控制模式，修改发动机参数保护的限制值，释放发动机的保护裕度，快速提升发动机性能。仿真结果表明，基于调幅曲线的参数限制方法可以有效地限制发动机参数，抑制发动机过渡态的超调和振荡，确保发动机动态过程的安全。应急控制系统可以短时间内使发动机推力增加11.8%，提高紧急状态下飞机安全性和机上人员的生存能力。

关键词：参数限制；紧急控制；释放限制

1引言

航空发动机在加速的过程中，由于机械强度和稳定性等原因，一些参数也应受到一定的限制。发动机动态控制过程中，转子转速按照控制需求快速地加速(减速)至期望值，但在满足发动机动态过程快速性的同时，发动机其他物理参数可能已经超过了其物理的限制，直接损坏发动机部件。在加速过程中，由于燃油流量的不断增加，使得发动机的参数容易发生超限。因此，必须加入保护控制以保障发动机动态过程的安全。

发动机作为飞行控制的执行机构，在一些紧急状况下(如飞行跑道破损导致滑行距离过短，飞机翼面破损导致飞机机翼升力不足，飞机机翼损坏需要快速降落等)，飞机需要发动机提供更大的推力，但发动机控制限制器在确保发动机安全的同时，使得发动机的性能受到一定的限制。为此，在2000年，美国航空航天局(NASA)就开展在紧急事件中，发动机性能增强的研究。Glenn试验中心的GUO等人采用增强推进系统控制对损伤的飞机(如机翼折断)进行控制，并保证飞机在紧急事件中安全降落。

本文以双转子涡扇发动机为研究对象，提出了基于调幅曲线对参数限制实现保护的实现方法。在紧急状态下，通过修改发动机参数的限制值，释放发动机的保护裕度，在短时间内提高发动机的性能。

2限制器

在发动机动态过程中，燃气涡轮转子受到高温的影响，使得转子的强度降低。为了保障发动机的安全，以转子在高温下最低强度(考虑安全系数)对应的加速率作为转子加速率的最大限制值，可用式(1)表示。

(1)

在加速的过程中，随着供油量的增加，涡轮进口温度增大，容易灼伤涡轮叶片。为了保障涡轮叶片的安全，涡轮进口温度不允许超过其限制值，如式(2)所示。

T44≤T44lim it

(2)

同样，鉴于安全性考虑，发动机转子的转速也受到限制，如式(3)所示。

(3)

在实际中，燃油流量的变化需要执行机构来执行，由于执行机构供油能力的限制，使得燃油流量的增量受到了限制，如式(4)所示。

(4)

在加速过程中，压气机的安全性主要是压气机的加速线距离喘振边界的远近，即压气机的喘振裕度。加速过程中，通常要求压气机的喘振裕度不小于15%-20%，如式(5)所示。但实际中，压气机喘振裕度无法测量。因此，喘振裕度的保护只能通过限制其他参数间接地实现。

SM≤(SM)lim it

(5)

本文通过调幅曲线来限制发动机的各参数，如图1所示。发动机在加速的过程中，燃油流量的增量与调幅曲线的输出值相关。调幅曲线的输出值范围为[0,1]，当参数大于启动保护值时，调幅曲线输出值小于1,使得燃油流量的增量减小。当参数大于最大保护值时，调幅曲线输出值为0，此时，燃油流量增量为0，燃油流量不再增加。参数最大限制值与最大保护值的差值称为保护裕度。保护裕度相当于保护参数的缓冲区，避免发动机参数超过最大限制值。

图1　调幅曲线

在发动机减速过程中，为了保障发动机的安全工作，必须设置燃油流量的最小限制。最小燃油流量限制是在各个转速下，燃烧室稳定燃烧，不会导致熄火的最小燃油流量。通常根据燃烧室熄火油气比，可得到燃烧室熄火边界。为了防止发动机熄火的最小燃油流量设置为稳态的20%-50%。

图2所示为标准状态下燃油流量与转速的关系，在不加保护限制的情况下，压气机喘振边界和涡轮进口温度限制线构成燃油流量的上边界，燃烧室熄火限制构成下边界，慢车转速和最大转速限制形成左、右边界。在考虑保护限制的情况下，由于保护裕度的存在，使得控制区域的上边界下移，下边界上移，燃油流量控制范围减小。图中白色区域为考虑保护限制以后，燃油流量的控制范围，阴影区域是因保护限制使得控制范围的变化量。控制区域被稳态供油量划分为两个区域：加速和减速区域。加速过程中的主要限制为压气机喘振裕度、涡轮进口温度和燃气涡轮加速率；减速区域的主要限制为最小燃油流量、燃气涡轮加速率和燃油流量的变化率。

图2　燃油流量控制范围

在发动机控制系统中增加保护限制，使发动机在各个状态均能安全工作。图3为保护限制控制系统结构图，图中虚线框为保护限制器。

图3　保护限制控制系统结构图

3应急控制系统

发动机应急智能控制系统的结构如图4所示，发动机状态评估系统通过监视发动机的运行参数，实时评估发动机的健康状态，如发动机的机械损伤状态、性能退化状态等。风险管理系统为专家智能系统，该系统可根据飞行员当前控制模式指令以及飞机、发动机的健康状态，综合评价当前发动机的状态及其可接受的最大风险，确定合适的发动机限制器参数并发送至发动机限制器，实现限制器参数的实时修正。如当飞行跑道过短时，飞行员切换控制模式为增加推力控制，风险管理系统实时修改发动机限制器参数，释放发动机的保护裕度，短时间内增大发动机的推力，可以有效缩短飞机的起飞滑跑距离。当飞机出现小范围的结构损伤必须短时间内降落时，飞行控制可以选择增加推力控制，以便飞机可以快速到达合适的机场降落。

图4　发动机应急智能控制系统的结构

4仿真实例

以双转子涡扇发动机为研究对象，选用的控制规律为：Nl=const,A8=const，期望转速Nl随控制模式而改变。针对在地面状态下，发动机推力增加控制系统的分析研究，设定飞行高度和飞行马赫数均为0。在t=2s时，飞行控制期望发动机提供更大的推力，切换控制模式为增加推力，假设期望低压轴转速Nl=110%。分别对发动机控制限制释放前后进行仿真，分析发动机主要参数的变化规律。

表1为释放限制前后发动机各主要参数值，低压轴转速在释放限制前被限制在104%，修改限制后，转速提升至108%。发动机推力由104.6%增加至111.8%。释放限制可以明显提高发动机的推力水平，但释放限制会引起涡轮后温度由103.2%升高至107.6%，涡轮温度的升高会直接影响发动机部件的寿命。

表1　推力增加控制主要参数

在紧急状态下，发动机的控制系统可以通过调节保护限制器的参数，释放发动机的保护裕度，使发动机获得更大的推力。图5为在地面状态(H=0 km,Ma=0)，增加推力控制模式发动机各参数的变化情况。

图5　发动机增加推力控制主要参数变化

从图5中可以看出，基于调幅曲线的发动机参数限制方法，可以有效地限制发动机过渡态过程中的参数超限问题，保障了发动机动态过程的安全。采用增加推力控制，修改发动机限制器参数，释放限制后，低压轴转速由104%增加至108%，发动机推力由原来的由104.6%增加至111.8%。

5结论

文中介绍了一种发动机参数超限的保护方式，该方法可以解决发动机过渡态的参数超限问题。在此基础上，对发动机应急控制系统进行了分析研究，应急控制系统可以使发动机突破原有的限制，提升发动机的性能。在应急控制系统中，发动机状态评估系统通过监视发动机的运行状态，综合评估发动机当前的健康状态。风险管理系统捕获发动机的健康状况，并根据当前的控制模式，综合评价发动机当前可接受的最大风险，并确定合适的发动机限制器参数，给出发动机所需的性能。

以现有的发动机数字模型以及控制系统为基础，对航空发动机应急控制系统进行分析研究，通过控制模式的选择间接修改发动机的限制器参数，实现紧急状态下，发动机推力的增加。虽然应急控制模式会对发动机的安全和寿命均产生不利的影响，但提高了飞机和机上人员在紧急状况下的生存能力。

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Application of Parameter-limiter to Emergency Control System of Aero-Engine

Xue Wenpeng,Lei Li,Ma Chang,Wei Haitao

(Chinese Flight Test Establishment,Xi′an 710089,Shanxi,China)

Abstract：For the problem that the parameters maybe exceed the physical limits in dynamic process of aero-engine,a design method for parameter-limiter of aero-engine based on modulating curve is proposed.The parameters of limiter are changed with control mode,and the engine performance is enhanced by constraint release in emergency situation.The simulation results show that the limitation rules can ensure the safe of the engine and inhibit overshoot and oscillation.Emergency control can provide an additional 11.8% of the engine thrust and improve the survivability of the aircraft and personnel on plane.

Keywords:parameter-limiter;emergency control;constraint release

[收稿日期]2015-12-21

[作者简介]薛文鹏(1987—)，男，硕士，工程师，主要研究方向：系统控制与仿真。

中图分类号：V233.7

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.01.012