一种航空燃油泵控系统智能流量控制装置的制作方法

1.本发明属于航空发动机燃油控制领域，具体涉及一种航空燃油泵控系统智能流量控制装置。


背景技术：

2.近年来，多电/混电航空发动机技术在国际上掀起研究热潮，人们对其关键部件已不同程度地开展了研究。以电动燃油泵为核心架构的航空发动机燃油泵控系统为多电/混电发动机发展的关键部件之一，亦被业内视为航空发动机燃油控制系统的重大变革。
3.泵控架构下发动机燃油流量的高精度控制为泵控系统研究的核心关键技术之一。泵控架构下，燃油泵由电机直驱，通过电机转速实现发动机燃油流量调节。泵控系统中，燃油泵效率常与转速呈非线性关系，作为流量控制器的执行机构，电机转速控制亦呈现一定的非线性；电机驱动器、电机、燃油泵作为流量控制器的执行机构，被视为整体时，其控制模型难以通过解析法建立，模型参数随工况亦发生变化。
4.在航空发动机工作全包线范围内，燃油流量自1％额定流量至100％额定流量调节，要求流量调节域宽、调节精度高，使流量控制策略与方法的设计极其困难。现有流量控制器中，多采用对被控对象模型依赖性较低的pi控制器，pi控制器参数调节为一项繁琐耗时低效的任务，但在较宽的流量调节范围内，单一pi控制参数在某一流量范围内满足流量控制需求，仍难以满足全流量范围内的高精度控制需求。


技术实现要素：

5.本发明提供一种航空燃油泵控系统智能流量控制装置，在航空发动机工作的全流量范围内，满足流量高精度控制需求。
6.本发明提供一种航空燃油泵控系统智能流量控制装置，包括：流量控制区域划分模块、执行机构频率响应测试模块、执行机构频率响应估计模块、pi控制器参数自动计算模块、pi控制参数软切换模块和流量pi控制器模块；
7.流量控制区域划分模块，用于对航空燃油泵控系统全燃油流量域进行流量控制区域划分，并发送至执行机构频率响应测试模块；
8.执行机构频率响应测试模块，用于在各流量控制区域内，为执行机构施加各流量控制区域对应的激励，获取各流量控制区域对应的实际流量响应，将各流量控制区域对应的实际流量响应，输出至执行机构频率响应估计模块；
9.执行机构频率响应估计模块，用于根据各流量控制区域对应的实际流量响应，获取各流量控制区域对应的执行机构频率响应，将各流量控制区域对应的执行机构频率响应中的幅频特性与相频特性输出至pi控制器参数自动计算模块；
10.pi控制器参数自动计算模块，用于根据各流量控制区域对应的执行机构幅频特性与相频特性，获取各流量控制区域对应的pi控制器参数，并输出至pi控制参数软切换模块；
11.pi控制参数软切换模块，用于在航空燃油泵控系统实际工作时，获取流量pi控制
器模块输出的当前实际燃油流量，确定当前实际燃油流量所处的当前流量控制区域，根据当前流量控制区域和上一时刻的流量控制区域各自对应的pi控制器参数对流量pi控制器模块进行参数软切换。
12.可选的，流量控制区域划分模块用于，根据航空燃油泵控系统全燃油流量域确定起始流量指令与结束流量指令，并向流量pi控制器模块下发，根据流量pi控制器模块对于起始流量指令与结束流量指令的自动调节过程中输出的实际燃油流量的一阶导数的变化，得到流量控制区域的划分结果。
13.可选的，航空燃油泵控系统智能流量控制装置还包括：状态指示模块；
14.所述状态指示模块用于指示航空燃油泵控系统处于参数辨识状态或实际工作状态；
15.流量控制区域划分模块，具体用于在所述状态指示模块指示航空燃油泵控系统处于参数辨识状态时，对航空燃油泵控系统全燃油流量域进行流量控制区域划分。
16.可选的，执行机构频率响应测试模块具体用于，
17.在各流量控制区域内，为执行机构施加各流量控制区域对应的激励，向流量pi控制器模块下发各流量控制区域对应的流量指令，获取各流量控制区域对应的实际流量响应，将各流量控制区域对应的实际流量响应、流量pi控制器模块的稳态输出、参考信号，输出至执行机构频率响应估计模块；
18.其中，各流量控制区域对应的流量指令根据流量控制区域的上边界和下边界确定；
19.各流量控制区域对应的激励为u(t)＝a*sin(wt)，参考信号为sin(wt)和cos(wt)，a为激励信号幅值，w为航空燃油泵控系统的带宽角频率，t为时间，a根据流量控制区域的上边界和下边界确定。
20.可选的，执行机构频率响应估计模块具体用于，根据各流量控制区域对应的实际流量响应、流量pi控制器模块的稳态输出、参考信号，获取各流量控制区域对应的频率响应，将各流量控制区域对应的频率响应中的幅频特性与相频特性输出至pi控制器参数自动计算模块。
21.可选的，执行机构频率响应估计模块具体用于，根据各流量控制区域对应的流量pi控制器模块的稳态输出以及参考信号，得到各流量控制区域对应的频率响应的第一实部re1(t)和第一虚部im1(t)；根据各流量控制区域对应的实际流量响应以及参考信号，得到各流量控制区域对应的频率响应的第二实部re2(t)和第二虚部im2(t)；根据第一实部re1(t)、第一虚部im1(t)、第二实部re2(t)和第二虚部im2(t)，采用公式(re2(t) j*im2(t))/(re1(t) j*im1(t))，获取各流量控制区域对应的频率响应；
22.其中，t＝2π/w。
23.可选的，所述pi控制器参数自动计算模块具体用于，
24.根据各流量控制区域对应的执行机构幅频特性与相频特性，获取执行机构增益k(acu)，根据执行机构增益k(acu)，确定流量pi控制器频率响应的幅值为1/k(acu)；
25.根据各流量控制区域对应的执行机构幅频特性与相频特性，获取执行机构相位滞后角度，根据执行机构相位滞后角度以及所述控制装置的预设相位裕度，确定pi控制器频率响应的相位滞后角度；
26.根据流量pi控制器的幅频特性与相频特性，获取各流量控制区域对应的pi控制器参数。
27.可选的，所述pi控制参数软切换模块具体用于，
28.在航空燃油泵控系统实际工作时，确定是否存在控制参数切换标记，若不存在，则获取流量pi控制器模块输出的当前实际燃油流量，确定当前实际燃油流量所处的当前流量控制区域，判断当前流量控制区域和上一时刻的流量控制区域是否一致，若否，则生成控制参数切换标记；
29.在存在控制参数切换标记时，按照预设调节次数将上一时刻的流量控制区域对应的pi控制器参数逐次调节到当前流量控制区域对应的pi控制器参数，并在调节完成后取消控制参数切换标记。
30.本发明提供一种航空燃油泵控系统智能流量控制装置，通过流量区域划分与pi控制器参数切换，实现了全流量域内航空发动机燃油流量的精准控制；通过自动流量区域划分，提升了流量控制区域划分的科学性，提升了装置的调试效率；基于对执行机构的频率响应估计计算pi控制器参数，可实现航空发动机全流量域恒增益恒相位裕度控制，更利于保障航空发动机的控制裕度。
具体实施方式
31.下面对本发明提供的航空燃油泵控系统智能流量控制装置进行具体解释说明。
32.本发明提供一种航空燃油泵控系统智能流量控制装置，所述控制装置包括：流量控制区域划分模块、状态指示模块、执行机构频率响应测试模块、执行机构频率响应估计模块、pi控制器参数自动计算模块、pi控制参数软切换模块，流量pi控制器模块；
33.其中，执行机构可以为电动燃油泵。
34.流量控制区域划分模块，用于对航空燃油泵控系统全燃油流量域进行区域划分，将划定的区域发送至执行机构频率响应测试模块；
35.状态指示模块，指示航空燃油泵控系统处于参数辨识状态或实际工作状态。
36.执行机构频率响应测试模块，用于在各流量控制区域内，为执行机构施加各流量控制区域对应的激励，获取各流量控制区域对应的实际流量响应，将各流量控制区域对应的实际流量响应，输出至执行机构频率响应估计模块；
37.执行机构频率响应估计模块，用于根据各流量控制区域对应的实际流量响应，获取各流量控制区域对应的执行机构频率响应，将各流量控制区域对应的执行机构频率响应中的幅频特性与相频特性输出至pi控制器参数自动计算模块；
38.pi控制器参数自动计算模块，用于用于根据各流量控制区域对应的执行机构幅频特性与相频特性，获取各流量控制区域对应的pi控制器参数，并输出至pi控制参数软切换模块；
39.pi控制参数软切换模块，用于在航空燃油泵控系统实际工作时，获取流量pi控制器模块输出的当前实际燃油流量，确定当前实际燃油流量所处的当前流量控制区域，根据当前流量控制区域和上一时刻的流量控制区域各自对应的pi控制器参数对流量pi控制器模块进行参数软切换。
40.流量pi控制器模块，用于控制航空燃油泵控系统对指令流量的跟踪，输出实际燃
油流量。
41.可选的，所述控制装置的闭环增益为1，航空燃油泵控系统的带宽角频率预设为w，流量pi控制器初始参数预设为kp0，ki0。其中，kp0为比例项系数，ki0为积分项系数。
42.可选的，流量控制区域划分模块，包括流量加速控制子模块、流量一阶导数计算子模块、流量区域划分子模块。
43.所述流量加速控制子模块，用于向流量pi控制器模块下发流量区域划分起始流量指令与额定流量指令。
44.所述流量加速控制子模块，还用于，确定流量区域划分的起始与结束。
45.所述流量加速控制子模块，确定流量区域划分起始的方法为：对起始指令流量y
start
与流量pi控制器模块输出的实际流量y的偏差e
start
＝y
start-y作微分，记上一采样时刻的偏差为e
start
(k)，本采样时刻的偏差为e
start
(k 1)，则微分结果为e
start
′
＝(e
start
(k 1)-e
start
(k))/ts，其中ts＝0.001为采样周期，若|e
start
′
|《0.03，则起始条件满足，置位加速起始标记f
acc_start
＝1，清除加速结束标记，令f
acc_stop
＝0。其中，k为采样时刻。
46.同理，结束指令流量y
stop
与流量pi控制器模块输出的实际流量y的偏差e
stop
＝y
stop-y作微分，记上一采样时刻的偏差为e
stop
(k)，本采样时刻的偏差为e
stop
(k 1)，则微分结果为e
stop
′
＝(e
start
(k 1)-e
start
(k))/ts，其中ts＝0.001为采样周期，若|e
stop
′
|《0.02，则结束条件满足，置位加速结束标记f
acc_stop
＝1，清除加速起始标记，令f
acc_start
＝0。
47.流量一阶导数计算子模块，用于在f
acc_start
＝1且f
acc_stop
＝0时，通过y
′
(k 1)＝(y(k 1)-y(k))/ts实时计算流量导数，y(k 1)为本采样周期的流量，y(k)为上一采样周期的流量，并存储y(k 1)与y
′
(k 1)。
48.流量区域划分子模块，用于依据存储的y(k 1)与y
′
(k 1)，通过微分运算y
″
(k 1)＝(y
′
(k 1)-y
′
(k))/*ts，确定y
″
(k 1)的拐点，若|y
″
(k 1)|》2.3，则y(k 1)对应一个流量分界点，记zn＝y(k 1)/y
stop
*100％，|y
″
(k 1)|》2.3条件每发生一次，对应数字n加1。当f
acc_stop
＝1时，令b
count
＝n，对应边界流量点数，令zone
count
＝n-1，对应流量控制区域数量。对应流量区域为[z1，z2,z3,
…
,zn]。
[0049]
n的取值为大于1的正整数。
[0050]
可选的，所述状态指示模块用于指示航空燃油泵控系统处于参数辨识状态或实际工作状态(也称为流量控制状态)。
[0051]
在参数辨识状态下，对于所有的流量控制区域，通过执行机构频率响应测试模块、执行机构频率响应估计模块、pi控制器参数自动计算模块，计算各流量控制区域的pi控制器参数。
[0052]
可以理解，各流量控制区域的pi控制器参数的计算依次进行，当全部计算完毕时，退出参数辨识状态，可以进入实际工作状态。
[0053]
可选的，执行机构频率响应测试模块，包括测试起始生成子模块、测试激励施加子模块、测试数据记录子模块、测试结束生成子模块。
[0054]
所述测试起始生成子模块，用于在测试起始条件满足时，生成测试起始标记，清除测试结束标记。
[0055]
所述测试起始生成子模块，还用于，在测试起始条件满足时刻t0，记录流量pi控制器模块的稳态输出u(t0)、流量稳态值y(t0)。
[0056]
所述测试起始生成子模块中，起始条件满足的确定方法为：在指定流量控制区域，如[z1，z2]，z1为下边界，z2为上边界。以(z1 z2)/2为流量指令，下发至流量pi控制器模块，监测流量y(k 1)与(z1 z2)/2之间的偏差e
rec
(k 1)＝y(k 1)-(z1 z2)/2，若，|e
rec
(k 1)|《0.001时，起始条件满足。
[0057]
所述测试激励施加子模块，用于在测试起始标记有效，测试结束标记无效时，以u(t)＝a*sin(wt)为激励，与u(t0)叠加，作为执行机构的输入。其中，a为激励信号幅值，w为航空燃油泵控系统的带宽角频率，t为时间。a确定为0.03*(z1 z2)/2。
[0058]
测试数据记录子模块，用于在测试起始标记有效，测试结束标记无效时，当流量y(t)稳定后，在t＝2π/w周期内记录u(t)-u(t0)，y(t)-y(t0)，sin(wt)，cos(wt)四组信号。y(t)稳定的确定方法类似起始条件。
[0059]
示例性的，测试起始生成子模块中，在生成激励信号时，还生成sin(wt)，cos(wt)两组信号，记录并输出，作为后续执行机构频率响应估计模块的参考信号。
[0060]
测试结束生成子模块，用于在测试数据记录结束后，生成测试结束标记，清除测试起始标记。
[0061]
可选的，执行机构频率响应估计模块包括：第一实部计算子模块，第一虚部计算子模块，第二实部计算子模块，第二虚部计算子模块，执行机构频率响应实部虚部计算子模块。
[0062]
所述第一实部计算子模块，用于依据执行机构频率响应测试模块记录的数据u(t)-u(t0)、sin(wt)，通过t周期内对[u(t)-u(t0)]*sin(wt)信号的积分与平均，确定第一实部re1(t)。
[0063]
所述第一虚部计算子模块，用于依据执行机构频率响应测试模块记录的数据u(t)-u(t0)、cos(wt)，通过t周期内对[u(t)-u(t0)]*cos(wt)信号的积分与平均，确定第一虚部im1(t)。
[0064]
所述第二实部计算子模块，用于依据执行机构频率响应测试模块记录的数据y(t)-y(t0)、sin(wt)，通过t周期内对[y(t)-y(t0)]*sin(wt)信号的积分与平均，确定第二实部re2(t)。
[0065]
所述第二虚部计算子模块，用于依据执行机构频率响应测试模块记录的数据y(t)-y(t0)、cos(wt)，通过t周期内对[y(t)-y(t0)]*cos(wt)信号的积分与平均，确定第二虚部im2(t)。
[0066]
执行机构频率响应实部虚部计算子模块，用于依据复数除法(re2(t) j*im2(t))/(re1(t) j*im1(t))，以计算结果中的实部为执行机构频率响应的实部re(acu)，虚部为执行机构频率响应的虚部j*im(acu)。其中j为复数虚部标记，acu代表执行机构。
[0067]
可选的，所述pi控制器参数自动计算模块包括：pi控制器频率响应幅值计算子模块，pi控制器频率响应相位计算子模块，pi控制器参数计算子模块；其中，
[0068]
pi控制器幅频特性计算子模块用于，依据控制装置的闭环增益为1，以及由执行机构频率响应实部和虚部计算得出的执行机构增益k(acu)，确定pi控制器频率响应的幅值为1/k(acu)；
[0069]
pi控制器频率响应相位子模块计算用于，依据控制装置的预设相位裕度∠1，以及由执行机构频率响应实部和虚部计算得出的相位滞后∠2，通过∠3＝180-∠1-∠2，确定pi
控制器频率响应的相位滞后∠3；
[0070]
pi控制器参数计算子模块，用于确定pi控制器的参数kp与ki。具体方法为：
[0071]
首先依据pi控制器的模型c(s)＝kp ki/(s)，代s＝j*w入c(s)的表达式，得出c(j*w)的实部与虚部；
[0072]
依据k(acu)＝sqrt(kp2 (ki/(j*w))2),以及tan(∠3)＝(ki/w)/kp两个方程联合，求解kp和ki参数。将参数存储至参数缓存中，与指定的流量控制区域对应，指定区域对应的kp参数记为kp-z
spec
，ki参数为ki-z
spec
。
[0073]
可选的，pi控制参数软切换模块，包括切换标记生成子模块，切换参数获取子模块，软切换控制子模块，切换标记取消子模块；
[0074]
切换标记生成子模块，用于本次流量与上次流量位于不同流量控制区域时，(即流量跨区域)，生成控制参数切换标记；
[0075]
切换标记生成子模块，还用于，记录流量跨越流量区域前的pi控制器参数kp
old
，ki
old
；
[0076]
切换参数获取子模块，用于根据本次流量所在的流量区域，查询本区域对应的pi控制器参数kp
current
，ki
current
；
[0077]
软切换控制子模块，用于实现pi控制器参数由kp
old
，ki
old
至kp
current
，ki
current
的软切换。方法为：
[0078]
首先，计算kp
current-kp
old
与ki
current-ki
old
；
[0079]
然后，计算δkp＝(kp
current-kp
old
)/100，δki＝(ki
current-ki
old
)/100；
[0080]
最后，在每个控制周期kp ＝δkp、ki ＝δki。
[0081]
切换标记取消子模块，用于当软切换完成后取消切换标记，切换标记有效期间，不再重新开始切换，防止实际流量在边界处波动来回切换。
[0082]
软切换完成的判断方法为：pi控制器中的kp参数与ki参数均等于目标流量控制区域对应的pi参数。
[0083]
本发明主要用于航空发动机燃油泵控系统的智能控制。主要功能是基于所提四核架构高智能航空发动机燃油泵控系统，提升航空发动机泵控系统在所有工况下的稳态与动态控制性能，缩减产品个体之间的差异，提升产品鲁棒性与一致性，提升调试生产效率。文中所提策略与方法可通过嵌入式控制系统实施实现。