一种发动机进气模拟的进气控制方法、系统及存储介质与流程

本发明属于风洞试验，具体涉及一种发动机进气模拟的进气控制方法、系统及存储介质。

背景技术：

1、飞机发动机在结冰气象条件下工作时，进气部件易发生结冰，以致发动机性能恶化，轻则造成功率/推力损失，重则引起发动机损坏、停车，对飞行安全产生严重的危害。我国颁布的《航空发动机适航规定》对航空发动机进气部件的结冰条件、防冰方式及结冰和防除冰试验等方面提出了明确要求，确保飞机进入预期自然结冰环境，发动机仍能正常运转。在适航审定的背景下，开展发动机进气部件结冰及防除冰适航验证试验是飞行安全的必要前提。

2、目前，对于发动机进气部件的结冰问题研究及防除冰系统验证，主要通过结冰风洞试验来实现。结冰风洞试验需要利用发动机进气模拟系统以完成进气模拟，其中发动机进气模拟系统具有管道，管道上依次设有流量计和离心风机，管道入口连通风洞试验区域，通过离心风机抽吸气体流过管道，流量计对进气流量进行测量，以期望流量作用风机，实现发动机进气模拟。

3、在进行结冰风洞试验时，发动机进气模拟系统位于低温、云雾环境内，在抽吸气体时，构成云雾的喷雾结冰会导致管道内部表面持续结冰，其外形不断改变，改变管道内的进气流阻，使得流整个系统的控制模型呈现动态变化，变化趋势难以捕捉，且喷雾将会改变进入发动机进气模拟系统内的气体，影响流量计测量流量的准确性。

4、在传统方案中，发动机进气模拟系统采用pid闭环控制方式，通过提取在一定时间内流量计输出的动态流量数据值做均值处理，得到的均值流量作为pid控制反馈。此时传统的pid控制方案具有原理简单，程序化易实现、通用性强等特点，但pid在控制过程中仅用到流量这一输出数据作为反馈，未关注系统内部状态变化，缺乏对系统控制状态约束的能力，在pid控制过程中，对系统流量的控制会出现输出数据波动较大，响应速度不及时，流量控制精度较差的问题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中发动机进气模拟系统输出数据波动较大，响应速度不及时，流量控制精度较差的技术问题，本发明提供了一种发动机进气模拟的进气控制方法、系统及存储介质，用于减轻发动机进气模拟系统输出数据波动，提高响应速度以及流量控制精度。具体如下：

2、第一方面，本技术提供一种发动机进气模拟的进气控制方法，包括步骤：

3、设定目标流量；

4、获取测量流量；

5、基于伪偏导数，建立包含伪偏导数在内的输入/输出局部时域线性关系函数，其中输入项为风机转速差值，输出项为预估流量；

6、基于输入/输出局部时域线性关系函数和卡尔曼滤波器，获得包含滤波增益的数据更新模型，基于前一时刻的风机转速差值和后一时刻的测量流量，所述数据更新模型用于将前一时刻的预估流量、滤波增益和伪偏导数更新为后一时刻的预估流量、滤波增益和伪偏导数；

7、通过数据更新模型获取当前时刻的预估流量；

8、基于输入/输出局部时域线性关系函数，以当前时刻的预估流量作为起始点，建立预测输出轨迹，并基于预测输出轨迹获得当前时刻的风机转速差值；

9、基于当前时刻的风机转速差值，调节风机转速并使后一时刻的预估流量向目标流量逼近。

10、其中，需说明的是，所述的当前时刻的风机转速差值，指的是当前时刻的风机转速减去上一时刻的风机转速的差值，基于此，其他时刻的风机转速差值可以此类推。

11、可选的，基于伪偏导数，建立包含伪偏导数在内的输入/输出局部时域线性关系函数包括步骤：

12、建立一般离散时间非线性系统的输入/输出非线性关系式：

13、，

14、式中，k为当前时刻，f(…)是未知非线性函数、是k时刻的预估流量，是k时刻的风机转速、和为两个未知阶数；

15、输入/输出非线性关系式满足lipschitz条件，则判断其具有一个有界的参数，将该参数作为伪偏导数，并形成输入/输出局部时域线性关系函数：

16、，

17、式中，k为当前时刻，k+1为k的后一时刻，为k时刻对k+1时刻的预估流量、为k时刻的预估流量、 为k时刻的风机转速差值、为k时刻的伪偏导数。

18、可选的，所述数据更新模型的更新过程包括步骤：

19、获取k-1时刻对k时刻的预估流量：

20、，

21、其中，k为当前时刻，k-1为k的前一时刻，k+1为k的后一时刻，为时刻的预估流量， 为时刻的风机转速差值，为时刻的伪偏导数；

22、基于卡尔曼滤波器，对滤波增益进行更新，获取k时刻的滤波增益；

23、获取k时刻的预估流量：

24、，

25、获取k时刻的伪偏导数：

26、，

27、其中，为步长因子，取值为（0,1]；=；为惩罚因子，取值为＞0。

28、可选的，在获取k时刻的伪偏导数后，还包括步骤：

29、当或或sign时，对伪偏导数进行重置，使。

30、可选的，基于卡尔曼滤波器，对滤波增益进行更新，包括步骤：

31、获取k-1时刻对k时刻的估计误差方差：

32、，

33、其中，为k-1时刻的最优误差方差，w是流量测量噪声方差；

34、获取k时刻的滤波增益：

35、，

36、其中，是流量过程噪声方差；

37、获取k时刻的最优误差方差：

38、。

39、可选的，基于预测输出轨迹，获得当前时刻的风机转速差值包括步骤：

40、采用mpc模型预测控制方法对预测输出轨迹进行计算，以获得当前时刻的风机转速差值。

41、可选的，采用mpc模型预测控制方法对预测输出轨迹进行计算，以获得当前时刻的风机转速差值，包括步骤：

42、以k时刻的预估流量作为起始点，已知过去时刻的输出项和输入项，对k时刻到k+np时刻内的输出项做预测规划，形成预测输出轨迹，并使预测输出轨迹逼近带有目标流量的参考输出轨迹；

43、将预测输出轨迹转换为状态空间方程：

44、，

45、其中x为输出项，u为输入项；

46、与输入/输出局部时域线性关系函数进行比对：

47、，

48、此时，x等同于为，等于1，b等于，等同于为；

49、基于mpc模型预测控制方法对预测输出轨迹进行计算，获取包含起始点在内的系统最优输入控制序列，此时即为k时刻的风机转速差值。

50、可选的，在基于当前时刻的风机转速差值，调节风机转速并使后一时刻的预估流量向目标流量逼近后，还包括步骤：

51、在未来各个时刻重复上述步骤，以获取未来各个时刻的风机转速差值，并基于未来各个时刻的风机转速差值实时调节风机转速，使预估流量真值向目标流量逼近。

52、第二方面，本技术提供一种发动机进气模拟的进气控制系统，包括管道、流量计、离心风机和控制模块，所述流量计、离心风机沿管道进风方向依次连接在管道上，所述控制模块与所述流量计和所述离心风机连接，所述控制模块用于获取所述流量计的流量以及所述离心风机的风机转速，执行如上述任一方案所述的一种发动机进气模拟的进气控制方法。

53、第三方面，本技术提供一种存储介质，存储有执行如上述任一方案所述进气控制方法的计算机程序。

54、采用本技术的一种发动机进气模拟的进气控制方法、系统及存储介质，相对于现有技术，至少具有以下有益效果：

55、1. 本技术基于伪偏导数构建出了系统输入/输出的局部时域线性关系函数，并结合卡尔曼滤波器，构建出了数据更新模型，由此能够基于前一时刻的风机转速差值和后一时刻的测量流量，获得当前时刻的流量预估流量。在此基础上，以当前时刻的预估流量作为起始点，并基于系统输入/输出的局部时域线性关系函数，通过对输入项的规划，能够对未来时刻的输出项进行预测规划，使输出项构成的输出轨迹逼近理论模型规划控制所需的参考输出轨迹，进而获得所需的预测输出轨迹，根据该预测输出轨迹中各个时刻的输出项的值，能够定量的获取与之对应的各个时刻的输入项的值，由此获得当前时刻的输入项的值，即当前时刻下的风机转速差值。以当前时刻下的风机转速差值调节风机转速，后一时刻的预估流量随之改变，并自然而然的向目标流量逼近。

56、同时，随着风机转速的调节，后一时刻的测量流量也随之改变。此时可以继续基于当前时刻的风机转速差值和后一时刻的测量流量，通过数据更新模型继续获取后一时刻的预估流量，并继续建立后一时刻的预测输出轨迹，以获得后一时刻的风机转速差值，由此形成对风机完整的控制回路。通过该控制回路的不断迭代，能够实现对不同时刻风机转速差值的获取，使系统的离心风机能够自动调整转速，同时，在迭代过程中实现对风机转速差值的优化，使输出项不断接近目标流量，达到对流量控制的目的。

57、综上所述，本技术通过输入/输出局部时域线性关系函数和数据更新模型的构建，能够基于目标流量对离心风机的风机转速差值进行迭代优化，在不同时刻定量的获取离心风机的风机转速差值，使系统能够自动调节离心风机的转速，同时促使管道中的流量不断接近目标流量，进而达到对系统进气流量进行控制的目的。

58、在该过程中，由于风机转速差值是系统在各个时刻以促使流量向目标流量逼近为目的定量获取的参数，因此每个时刻均在对离心风机的转速进行调整，以使流量逼近目标流量，具备对输出数据的约束能力，且响应速度及时，由于预估流量始终具有朝目标流量逼近的趋势，因此输出数据的波动较小，进气流量较为稳定。

59、2.本技术通过利用卡尔曼滤波原理，能够对测量流量进行处理，改善其干扰问题，以对流量的实际输出值进行预估，获得较为精准的预估流量；同时，在数据更新模型中，能够基于前一时刻的风机转速差值和后一时刻的测量流量这两项试验过程中客观存在的参数来对预估流量、滤波增益和伪偏导数进行实时的更新，以确保不同时刻的各个参数能够适配所在时刻的系统状况，以此确保在控制方法中各项参数的精度，进而能够确保最终获得的输入项和输出项的精度，解决流量控制精度较差的问题。