輔助動(dòng)力裝置起動(dòng)加速燃油流量控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于航空動(dòng)力控制領(lǐng)域,設(shè)及一種輔助動(dòng)力裝置(APU)控制方法,適用于 APU起動(dòng)階段從成功點(diǎn)著火開始到轉(zhuǎn)速達(dá)到起動(dòng)-穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速切換點(diǎn)期間的燃油流量控制。
【背景技術(shù)】
[0002] 輔助動(dòng)力裝置(APU)是一種小型的燃?xì)鉂M輪發(fā)動(dòng)機(jī),主要用于為飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)的 起動(dòng)及環(huán)控系統(tǒng)提供引氣,并可通過附件齒輪箱為飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)提供軸功率。當(dāng)飛機(jī)在地 面時(shí),APU可替代笨重的氣源車和電源車;在飛機(jī)起飛過程中,主發(fā)動(dòng)機(jī)的功率可全部用于 加速爬升,W改善飛機(jī)起飛性能;飛機(jī)著陸后,主發(fā)動(dòng)機(jī)可及時(shí)關(guān)閉,W節(jié)省燃油和降低機(jī) 場(chǎng)噪音。因此,現(xiàn)代大中型飛機(jī)全都配備有APU。
[0003] APU控制中的一項(xiàng)重要功能是燃油流量控制;通過控制燃油流量,實(shí)現(xiàn)對(duì)APU轉(zhuǎn)速 的控制。APU轉(zhuǎn)速控制可分為W下幾個(gè)階段:當(dāng)控制器接收到起動(dòng)指令后,首先開啟起動(dòng)機(jī) (如給起動(dòng)電機(jī)加電),由起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)APU;當(dāng)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(shí),開始供油點(diǎn)火;點(diǎn)火成功后, 在起動(dòng)機(jī)和油氣混合物燃燒所產(chǎn)生的高溫、高壓燃?xì)獾尿?qū)動(dòng)下,APU進(jìn)一步加速;當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá) 到一定口限時(shí),關(guān)斷起動(dòng)機(jī)、讓APU維持自立運(yùn)轉(zhuǎn),并繼續(xù)將自己加速到起動(dòng)-穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速切換 點(diǎn)(如95%);此后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)控制階段,APU可向外提供引氣或軸功率。
[0004] 其中,進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段之前的起動(dòng)加速燃油流量控制是APU燃油控制中的一個(gè)重要 環(huán)節(jié)。作為一種過渡過程控制,起動(dòng)加速控制既要保證在盡可能短的時(shí)間內(nèi)將APU加速到預(yù) 定轉(zhuǎn)速,又要防止因排氣溫度過高而影響APU的使用壽命、甚至導(dǎo)致APU本體損壞。另外,APU 起動(dòng)既可能在地面,也可能在空中,使得系統(tǒng)工作環(huán)境復(fù)雜多變。因此,控制的技術(shù)難度非 常大。
[000引本發(fā)明針對(duì)的是從點(diǎn)火成功后到APU進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段前的加速過程燃油控制。傳統(tǒng) 的加速燃油控制方法可分為W下Ξ種。一種是根據(jù)預(yù)定的加速計(jì)劃(即加速曲線)確定燃油 流量期望值;為了防止APU超溫,又設(shè)置一條超溫保護(hù)線,當(dāng)排氣溫度超過該保護(hù)線時(shí)觸發(fā) 停車。另一種方法是根據(jù)APU可承受的溫度應(yīng)力,確定一條"理想的"排氣溫度曲線,通過控 制燃油流量,使得排氣溫度沿該曲線變化(也有超溫保護(hù))。運(yùn)兩種方法分別側(cè)重"加速計(jì) 劃"和"溫度限制"兩個(gè)目標(biāo)中的一個(gè),前者是單純的轉(zhuǎn)速閉環(huán),后者則是單純的溫度閉環(huán)。 第Ξ種方法是將二者結(jié)合,即分別根據(jù)加速曲線和溫度曲線計(jì)算兩個(gè)燃油流量期望值,再 取其中的較小者。運(yùn)些方法均難W既保證APU的安全性及使用壽命,又充分發(fā)揮APU的功能 和性能。另外,傳統(tǒng)方法大都采用基于增益調(diào)度的比例-積分-微分(PID)或比例-積分(PI) 控制算法,算法中需要整定的參數(shù)較多,當(dāng)參數(shù)整定不良時(shí)系統(tǒng)的控制品質(zhì)W及對(duì)環(huán)境的 適應(yīng)性便難W保證。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]為克服傳統(tǒng)的APU起動(dòng)加速燃油流量控制方法不能很好地兼顧"加速計(jì)劃"和"排 氣溫度限制"兩種目標(biāo)W及控制律參數(shù)多、環(huán)境適應(yīng)性差的缺點(diǎn),本發(fā)明提出一種新的APU 起動(dòng)加速燃油流量控制方法,W便在保證APU安全性和使用壽命的前提下,獲得最佳的起動(dòng) 加速性能,同時(shí)提高系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0008] 一種輔助動(dòng)力裝置起動(dòng)加速燃油流量控制方法,包括如下處理步驟:
[0009] 1.1)根據(jù)預(yù)定的加速曲線,計(jì)算燃油流量的期望值;
[0010] 1.2)根據(jù)排氣溫度是否超過預(yù)定的警戒線W及超過的程度,計(jì)算對(duì)燃油流量期望 值的修正值;
[0011] 1.3)根據(jù)燃油流量的期望值和修正值,計(jì)算燃油流量命令值;
[0012] 1.4)若排氣溫度未超過預(yù)定的禁止線,則采用計(jì)算出的燃油流量命令值,否則將 燃油流量命令值強(qiáng)置為0并觸發(fā)保護(hù)性停車;
[0013] 所述警戒線和禁止線主要由被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及使用工況確定,其中禁止線高 于警戒線。
[0014] W上步驟1.1)在利用加速計(jì)劃計(jì)算燃油流量期望值時(shí),采用一種"步步為營"式的 比例控制,即燃油流量期望值等于一個(gè)基礎(chǔ)值與轉(zhuǎn)速偏差比例控制量之和。
[001引上述"步步為營"式的比例控制中,在APU剛點(diǎn)著火、或AP切日速緩慢、或上一周期發(fā) 生過因排氣溫度超警戒修正時(shí),對(duì)所述基礎(chǔ)值進(jìn)行重置,否則保持原基礎(chǔ)值不變。
[0016] 上述基礎(chǔ)值進(jìn)行重置具體是令基礎(chǔ)值等于上一周期的未經(jīng)修正的燃油流量期望 值。
[0017] 上述"步步為營"式的比例控制中,轉(zhuǎn)速偏差比例控制量的計(jì)算具體包括W下步 驟:
[0018] 5.1)由當(dāng)前的APU轉(zhuǎn)速、進(jìn)口壓力W及預(yù)定的加速曲線,確定參考加速度,即期望 的轉(zhuǎn)速增量;
[0019 ] 5.2)通過對(duì)參考加速度進(jìn)行有選擇地積分,計(jì)算參考轉(zhuǎn)速;
[0020] 5.3)根據(jù)參考轉(zhuǎn)速和APU實(shí)際轉(zhuǎn)速,計(jì)算轉(zhuǎn)速偏差;
[0021] 5.4)根據(jù)轉(zhuǎn)速偏差,計(jì)算比例控制量。
[0022] W上步驟5.2)中計(jì)算參考轉(zhuǎn)速的具體邏輯是:
[0023] 當(dāng)APU剛點(diǎn)著火、或APU加速緩慢、或上一周期發(fā)生過因排氣溫度超警戒修正時(shí),令 參考轉(zhuǎn)速等于APU實(shí)際轉(zhuǎn)速;否則,當(dāng)上一周期計(jì)算出的燃油流量期望值不超過預(yù)定的最大 加速燃油流量時(shí),將參考加速度累加到上一周期的參考轉(zhuǎn)速上,得到本周期的參考轉(zhuǎn)速,否 則保持上一周期的參考轉(zhuǎn)速。
[0024] W上步驟1.1)在計(jì)算出燃油流量期望值之后,還要進(jìn)行限幅處理,使其處于最大 加速燃油流量和最小加速燃油流量之間。
[0025] W上步驟1.2)中,燃油流量修正值的計(jì)算步驟包括:
[0026] 8.1)根據(jù)預(yù)定的警戒線、當(dāng)前的APU轉(zhuǎn)速及環(huán)境條件,確定對(duì)應(yīng)的排氣溫度警戒 值;
[0027] 8.2)計(jì)算實(shí)際排氣溫度與排氣溫度警戒值之差,得到排氣溫度超警戒的幅度;
[0028] 8.3)利用一個(gè)超前校正環(huán)節(jié),對(duì)排氣溫度超警戒幅度進(jìn)行校正;
[0029] 8.4)對(duì)校正之后的排氣溫度超警戒的幅度進(jìn)行比例-積分運(yùn)算;
[0030] 8.5)對(duì)比例-積分運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行下限幅,當(dāng)結(jié)果小于加寸強(qiáng)置為0;
[0031 ]所述步驟1.3)根據(jù)燃油流量的期望值及修正值計(jì)算燃油流量命令值的方法是,用 燃油流量期望值減去修正值。
[0032] W上步驟1.3)在計(jì)算出燃油流量命令值之后,還要再利用一個(gè)最小燃油流量對(duì)其 進(jìn)行下限幅。
[0033] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比,具有W下技術(shù)效果:
[0034] 傳統(tǒng)的輔助動(dòng)力裝置起動(dòng)加速燃油流量控制方法,要么基于加速曲線,要么基于 排氣溫度曲線,要么利用"取小邏輯"將二者簡(jiǎn)單地結(jié)合,難W獲得理想的控制效果。另外, 傳統(tǒng)方法一般采用常規(guī)PID或PI調(diào)節(jié),增益參數(shù)本來就較多,而為了適應(yīng)轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)范圍寬W 及能在各種環(huán)境條件下起動(dòng),通常還采用增益調(diào)度(即不同情況下用不同的增益參數(shù)),進(jìn) 一步增加了控制律的復(fù)雜性和參數(shù)整定的難度,很容易因參數(shù)整定不良而導(dǎo)致系統(tǒng)的環(huán)境 適應(yīng)性差。
[0035] 本發(fā)明通過將"加速計(jì)劃"和"排氣溫度限制"有機(jī)結(jié)合,W加速計(jì)劃為基本目標(biāo), 只要排氣溫度不超限,就嚴(yán)格跟蹤加速曲線。對(duì)于排氣溫度,設(shè)置兩條限制線,僅當(dāng)超過禁 止線(紅線)時(shí)才觸發(fā)保護(hù)性停車,超越警戒線(黃線)時(shí)只通過負(fù)向修正減小燃油流量,而 不必停車。其優(yōu)點(diǎn)是兼顧了起動(dòng)的快速性和安全性,既能保證最佳的起動(dòng)加速性能,又可保 證APU的安全性和使用壽命,大大提高了 APU的可用性和派遣率。同時(shí),本發(fā)明通過一種步步 為營式的比例控制(即一個(gè)可重置的基礎(chǔ)值外加比例調(diào)節(jié)),將原本動(dòng)態(tài)范圍很寬的起動(dòng)加 速過程(對(duì)應(yīng)的APU轉(zhuǎn)速范圍大約從10%到95%)轉(zhuǎn)化為在一個(gè)個(gè)"基礎(chǔ)值"附近做微小調(diào)節(jié) 的"小偏差"控制過程,從而使控制更容易、系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)。
【附圖說明】
[0036] 圖1為傳統(tǒng)的基于加速曲線的APU起動(dòng)加速燃油流量控制方法示意圖;
[0037] 圖2為傳統(tǒng)的基于排氣溫度曲線的APU起動(dòng)加速燃油流量控制方法示意圖;
[0038] 圖3為傳統(tǒng)的用取小邏輯將加速曲線和排氣溫度曲線結(jié)合的APU起動(dòng)加速燃油流 量控制方法示意圖;
[0039] 圖4為本發(fā)明的APU起動(dòng)加速燃油流量控制方法示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 本發(fā)明的APU起動(dòng)加速燃油流量控制方法,主要有W下特點(diǎn):
[0041] 1根據(jù)APU的使用需求和設(shè)計(jì)指標(biāo),確定一條滿足APU起動(dòng)時(shí)限要求的加速曲線;再 根據(jù)APU的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用工況,確定兩條排氣溫度限制線,一條為警戒線(黃線),一條為 禁止線(紅線),其中紅線位置高于黃線。
[0042] 2W加速曲線為基本控制目標(biāo),計(jì)算燃油流量期望值。排氣溫度限制線作為約束條 件,只要排氣溫度未超越任一條限制線,就直接W加速曲線計(jì)算出的燃油流量期望值作為 燃油流量命令值。如果排氣溫度超過紅線,則將燃油流量命令值強(qiáng)置為0并觸發(fā)保護(hù)性停 車。若排氣溫度只超過黃線,則不必停車,但根據(jù)超過的程度計(jì)算一個(gè)修正值,W此對(duì)燃油 流量期望值進(jìn)行"負(fù)向"修正,W減小燃油流量。
[0043] 討良據(jù)加速曲線計(jì)算燃油流量時(shí),采用一種步步為營式的比例控制,其燃油流量期 望值由一個(gè)"基礎(chǔ)值"和一個(gè)轉(zhuǎn)速偏差的"比例控制量"兩部分組成。比例控制W基礎(chǔ)值為基 點(diǎn)(或偏置),實(shí)施小范圍調(diào)節(jié)?;A(chǔ)值通常固定不變,在特定條件下可w被重置。
[0044] 4確定燃油流量"基礎(chǔ)值"的邏輯是:當(dāng)"APU剛點(diǎn)著火(即,起動(dòng)方式發(fā)生變化,由起 動(dòng)機(jī)單獨(dú)帶轉(zhuǎn)變?yōu)橛善饎?dòng)機(jī)和APU共同帶轉(zhuǎn)?;?APU加速緩慢(即,有起動(dòng)懸掛跡象?;?"上一周期發(fā)生過因排氣溫度超警戒修正(即,有起動(dòng)過熱跡象Γ時(shí),對(duì)燃油流量基礎(chǔ)值進(jìn) 行"重置",否則保持舊值。
[004引5"重置"燃油流量基礎(chǔ)值的方法是:令其等于上一周期的未經(jīng)修正的燃油流量期 望值(即,將舊的燃油流量期望值凍結(jié),作為新的基礎(chǔ)值)。
[0046] 6轉(zhuǎn)速偏差的"比例控制量",按照如下方法計(jì)算:
[0047] 6.1)根據(jù)當(dāng)前的APU轉(zhuǎn)速、進(jìn)口壓力和預(yù)定的加速曲線,確定參考加速度;
[0048] 6.2)對(duì)參考加速度進(jìn)行"有選擇性的積分",得到參考轉(zhuǎn)速;
[0049] 6.3)根據(jù)參考轉(zhuǎn)速和APU實(shí)際轉(zhuǎn)速,計(jì)算轉(zhuǎn)速偏差;
[0050] 6.4)根據(jù)轉(zhuǎn)速偏差,計(jì)算比例控制量。
[0051] 7通過"選擇性積分"計(jì)算參考轉(zhuǎn)速的方法是:若(APU剛點(diǎn)著火)或(APU加速緩慢) 或(上一周期發(fā)生過因排氣溫度超警戒修正),則令參考轉(zhuǎn)速等于APU實(shí)際轉(zhuǎn)速(目的使轉(zhuǎn)速 偏差為0,從而本周期的比例控制量為0,因?yàn)榛A(chǔ)值已被重置),否則,當(dāng)上一周期計(jì)算出的 燃油流量期望值不超過由當(dāng)前APU轉(zhuǎn)速、進(jìn)口壓力和進(jìn)口溫度確定的"最大燃油流量(也可 稱最大加速燃油流量Γ