用于配置用于衰减与涡轮发动机的动力传输线的扭转模式相关联的频率的数字滤波器的方法与流程

用于配置用于衰减与涡轮发动机的动力传输线的扭转模式相关联的频率的数字滤波器的方法


背景技术：

1.本发明属于诸如飞机或直升机之类的航空器涡轮发动机领域。更具体地，它涉及一种用于对用于衰减航空器涡轮发动机的动力传输线的扭转模式的数字滤波器模型进行参数化的方法。本发明在包括无涵道(unducted)推进装置的涡轮发动机的情况下发现了特别有利的应用，但不限于此。
2.在诸如飞机和直升机之类的民用和军用航空器的设计中，涡轮发动机的实现现在很普遍。涡轮发动机确实允许开发其质量通常达到几十吨的航空器飞行所需的功率。
3.涡轮发动机有不同的版本可用(燃气涡轮、涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机等)，它们都通过相同的操作原理来管控，即从气体生产(通常通过燃烧碳氢化合物)中导出的动能和热能的转换为机械能，机械能旨在使耦接到推进装置的至少一个轴(诸如提供有螺旋桨的转子)旋转。
4.传统上，涡轮发动机包括气体发生器和链接型或自由型涡轮，参照涡轮发动机中气体的流动方向，该涡轮位于气体发生器的下游。该涡轮由生成的气流驱动旋转，从而使传输线(也被称为“动力传输线”)旋转。传输线以已知的方式包括直接耦接到涡轮的至少一个轴，也被称为“涡轮轴”，以及耦接到推进装置的至少一个输出轴。可选地，行星式减速器将涡轮轴连接到输出轴，以降低推进装置的旋转速度。
5.涡轮发动机的操作通常由形成所谓的发动机控制的一组逻辑来引导。在这些逻辑之中，一些依靠反馈来构成闭环监测逻辑。这种环路旨在监测涡轮发动机的操作参数，诸如例如推进装置的转子的旋转速度，以便响应预先建立的引导策略。为此，环路执行所述参数的测量，并将这些测量与设定点进行比较。测量与设定点之间的可能偏差被传输到能够生成控制信号的控制设备，该控制信号被传输到涡轮发动机以便补偿所述偏差，然后沿着所述环路重复监测过程。
6.因此，由控制设备所生成的控制信号影响涡轮机的操作，涡轮机尤其包括由涡轮、传输线和推进装置形成的组件。然而，与任何机械系统一样，该组件的特征特别在于一定的刚度——在这里是旋转——对于其端部的高惯性元件而言，这对于尺寸约束可能是不够的。这个问题因传输线长度的增加或其部件数量的增加(例如经由引入减速器)而进一步复杂化。传输线然后具有扭转(torsional)模式，其频率通常位于传输线的使用带宽之外但仍然相对接近于传输线的使用带宽。因此，存在由控制设备生成的命令将激发传输线的扭转模式或者在闭环外部的激发之后放大谐振的风险。这种配置是有问题的，因为扭转振荡可能具有能够大大降低传输线的疲劳强度的幅度，因此会导致装备过早磨损并导致轴的塑化或破裂。
7.至少在概念上，并且为了限制传输线沿其扭转模式的激发，可以设想，根据第一替代方案，将涡轮发动机的机械设计和尺寸定向成使得所述扭转模式距离监测环路的带宽足够远。以这种方式，控制信号的功率将在所述扭转模式的频率处被充分衰减。
8.根据第二替代方案，可以设想，不修改涡轮发动机的机械架构，而是在设计涡轮发
动机的监测环路时考虑扭转模式的知识(频率、幅度)。换句话说，一旦涡轮发动机的设计已被停止，并且扭转模式已被识别，则监测环路就被设计为使得它不激发所述扭转模式。
9.然而，这两个替代方案与涡轮发动机的传统设计周期背道而驰。事实上，涡轮发动机的尺寸确定旨在限定整体生产约束，也就是说，当从整体上考虑涡轮发动机时(或者甚至在理想情况下，当考虑它旨在被集成的环境时)所施加的约束。这些约束与例如质量、成本、空间要求、操作和使用模式等等相关。然而，涡轮发动机是一个复杂的架构系统，因为它是通过大量零件来制造的，因此同时很难列出所述不同零件中的每一个的所有这些高级约束，并在生产它们之前难以预测最终机器的行为。
10.因此，一旦所有所述零件都已经被生产和组装，与集成效应相关的复杂动态行为经常在设计周期的后期才被发现并且仅在发动机测试期间被验证。
11.因此可以理解，如果初始尺寸确定不允许避免线路的扭转模式，则必须审查与监测环路相关联的机械设计和/或调节逻辑，这特别漫长且昂贵，并且因此要被避免。


技术实现要素：

12.本发明的目的是通过提出一种允许衰减涡轮发动机的动力传输线的扭转模式的解决方案来克服现有技术的全部或部分缺陷，特别是上述那些缺陷，以避免对所述涡轮发动机进行任何实质性的尺寸调整以及对所述涡轮发动机的预先存在的操作调节逻辑的任何改变。
13.为此，并且根据第一方面，本发明涉及一种用于对用于衰减航空器涡轮发动机的动力传输线的扭转模式的数字滤波器进行参数化的方法，所述模式与包含在置信区间ic中的频率f_t相关联，
14.数字滤波器是低通型的，并且：
[0015]-由z传递函数描述，它是因果的、稳定的并且等于商n(z)/d(z)，其中n和d是多项式函数，n的阶数严格大于1，
[0016]-旨在被集成到涡轮发动机的预先存在的监测环路中，以便对由所述环路的控制设备生成并以频率f_e采样的控制信号进行滤波，所述环路是闭合的并且与带宽相关联，在该带宽中环路的增益的绝对值增加了值v。
[0017]
此外，所述方法由参数化设备实现并且包括：
[0018]-作为频率f_t和f_e的函数来计算形成n(z)零点的复数的步骤，以使得滤波器衰减频率f_t，
[0019]-更新n(z)的零点的步骤，以使得滤波器的增益在置信区间ic中满足作为扭转模式的幅度的函数的第一预定增益模板，
[0020]-确定形成d(z)的极点的实数的步骤，以使得在环路的带宽中：
[0021]-滤波器的相位满足作为频率f_e的函数的预定相位模板，
[0022]-滤波器的增益满足作为值v的函数的第二预定增益模板。
[0023]
计算n(z)的零点的步骤允许通过准确地针对要被衰减的频率f_t来发起滤波器的参数化。在这个阶段，不考虑滤波器相位的频率行为。
[0024]
在计算步骤之后，更新步骤允许释放迄今为止仅针对频率f_t的衰减，以便考虑包括所述频率f_t的置信区间ic。换句话说，该步骤允许考虑与频率f_t的值相关联的不确定
性，因此使数字滤波器所寻求的最终衰减相对于该不确定性更加稳健。
[0025]
应该注意的是，在这个阶段，同样没有考虑滤波器相位的频率行为。另一方面，滤波器增益的行为就其本身而言基本停止，并且在确定d(z)的极点的后续步骤期间可能仅略有变化。更具体地，增益的模数在更新步骤期间在绝对值和区间ic中减小的事实被其在确定d(z)的极点的步骤期间再次增加的事实所阻碍。
[0026]
最后，确定d(z)的极点的步骤旨在放置d(z)的极点，以便在环路的带宽上监测滤波器的相位的演变，这最终允许在所设想的整个频谱(区域a、b和c)上监测滤波器的相位。此外，还在环路的带宽中约束滤波器增益的事实允许确保包含在控制信号中的有用信息可以继续被传送到涡轮发动机的致动器。
[0027]
因此，本发明允许在闭环的控制设备的输出处集成数字滤波器，该数字滤波器被配置为衰减与动力线相关联的扭转模式，而无需物理地对涡轮发动机进行尺寸调整并且无需修改预预先存在的调节逻辑(即根据所述预先存在的闭环进行操作的监测系统的操作)。通过参数化方法所获得的数字滤波器只是补充了预先存在的调节逻辑。
[0028]
应当注意，数字滤波器的参数化有利地通过将用于确保区间ic中的足够衰减的分子n(z)的零点的位置与用于主要监测数字滤波器的相位的分母d(z)的极点的位置进行解耦合来执行。
[0029]
这种解耦合是有利的，因为它允许获得离散的线性滤波器，而且在滤波器的预期行为和低滤波阶数之间也有良好的折衷。以这种方式获得的滤波器在来自本领域技术人员已知的基本函数库的计算机软件中也是非常容易可实现的，并且通常被用于生产经认证的航空软件。
[0030]
在特定的实现模式中，参数化方法还可以单独地或以任何技术上可能的组合包括以下特征中的一个或多个。
[0031]
在特定的实现模式中，更新n(z)的零点的步骤包括以预定间距减少零点的相应模数的子步骤，只要不满足第一幅度模板，就迭代地执行该减少子步骤。
[0032]
因此，减少在计算步骤期间确定的零点的相应模数允许将它们从单位圆移开，并因此加宽滤波器衰减区域以便将置信区间ic考虑在内。这进一步允许在参数化的效率和复杂性之间获得良好的折衷。
[0033]
在特定的实现模式中，d(z)的极点都被认为是彼此相等的，极点确定步骤包括：
[0034]-选择严格包含在-1和1之间的极点的子步骤，
[0035]-沿着实轴以预定间距平移所选择的极点以便获得平移的极点的子步骤，
[0036]
只要不满足相位模板和第二增益模板，就迭代地执行所述平移子步骤，在迭代期间选择的极点对应于在先前迭代期间获得的平移的极点。
[0037]
因此，确定d(z)的极点有利地允许在环路的带宽上监测滤波器的相位的演变，这最终允许在整个频谱上监测滤波器的相位。此外，还在环路的带宽中约束滤波器的增益并因此对其进行归一化的事实确保包含在控制信号中的有用信息可以继续被传送到涡轮发动机的致动器。
[0038]
在特定的实现模式中，第一增益模板对应于在置信区间ic中的增益值的与扭转模式的幅度相反的增加。
[0039]
在特定的实现模式中，相位模板对应于由滤波器在闭环的带宽中引入的相移的增
加。
[0040]
在特定的实现模式中，n(z)的阶数等于2，以便在计算步骤期间根据以下公式来获得零点z_1和z_2：
[0041]
z_1＝exp((2
×i×
π
×
f_t)/f_e)和z_2＝exp((-2
×i×
π
×
f_t)/f_e)。
[0042]
n(z)的阶数等于2的事实允许限制滤波器的复杂性，并且特别是针对要被衰减的频率f_t。
[0043]
在特定的实现模式中，d(z)的阶数等于3。
[0044]
d(z)的阶数等于3的事实有利地允许限制滤波器的复杂性，同时允许具有严格清洁的滤波器。
[0045]
在特定的实现模式中，在动力传输线的振荡行为的测试台上的一系列测试期间预先确定频率f_t和置信区间ic。
[0046]
在特定的实现模式中，所述方法包括在确定形成d(z)的极点的实数的步骤之后，验证数字滤波器的时间行为的步骤，所述验证步骤包括证实滤波器对阶跃信号的时间响应是单调递增的。
[0047]
根据第二方面，本发明涉及一种旨在安装在包括涡轮发动机的航空器上的监测系统，所述涡轮发动机包括动力传输线，该动力传输线具有与包含在置信区间ic中的频率f_t相关联的扭转模式，所述系统包括用于接收与预定参数相关的设定点的装置、被配置为生成以频率f_e采样的控制信号的控制设备和用于测量所述参数的装置，所述监测系统形成与带宽相关联的闭合监测环路，其中增益的绝对值增加了值v。此外，监测环路包括通过根据本发明的方法来进行参数化的数字滤波器，所述数字滤波器被集成到所述环路中以便对控制信号进行滤波。
[0048]
根据第三方面，本发明涉及包括程序代码指令集的计算机程序，该程序代码指令集当它们被处理器执行时，配置所述处理器以实现根据本发明的参数化方法。
[0049]
根据第四方面，本发明涉及一种计算机可读的记录介质，在该记录介质上记录了根据本发明的计算机程序。
[0050]
根据第五方面，本发明涉及一种用于对数字滤波器进行参数化的设备，所述滤波器旨在衰减航空器涡轮发动机的动力传输线的扭转模式，所述模式与包含在置信区间ic中的频率f_t相关联，
[0051]
数字滤波器是低通型的，并且：
[0052]-由z传递函数描述，该函数是因果的、稳定的并且等于商n(z)/d(z)，其中n和d是多项式函数，n的阶数严格大于1，
[0053]-旨在被集成到涡轮发动机的预先存在的监测环路中，以便对由所述环路的控制设备所生成并以频率f_e采样的控制信号进行滤波，所述环路是闭合的并且与带宽相关联，在该带宽中环路的增益的绝对值增加了值v，
[0054]
所述设备包括：
[0055]-计算模块，被配置为作为频率f_t和f_e的函数来计算形成n(z)的零点的复数，以使得滤波器衰减频率f_t，
[0056]-更新模块，被配置为更新n(z)的零点，以使得滤波器的增益在置信区间ic中满足作为扭转模式幅度的函数的第一预定增益模板，
[0057]-确定模块，被配置为确定形成d(z)的极点的实数，以使得在环路的带宽中：
[0058]-滤波器的相位满足作为频率f_e的函数的预定相位模板，
[0059]-滤波器的增益满足作为值v的函数的第二预定增益模板。
[0060]
根据第六方面，本发明涉及一种包括涡轮发动机的航空器，所述涡轮发动机包括动力传输线，该动力传输线具有与包含在置信区间ic中的频率f_t相关联的扭转模式。此外，所述航空器包括根据本发明的监测系统。
附图说明
[0061]
本发明的其他特征和优点将参考图示了本发明的示例性实施例的非限制性附图并从下面给出的描述中显现。附图中：
[0062]
图1示意性地表示航空器涡轮发动机的被称为动力传输系统的系统的示例性实施例；
[0063]
图2示意性地表示本领域技术人员已知的涡轮发动机的监测系统在标称模式下操作的示例；
[0064]
图3示意性地表示与闭合监测环路相关联的传递函数的增益，图2的监测系统根据该环路进行配置；
[0065]
图4表示根据本发明的用于对数字滤波器进行参数化的方法的实现模式的流程图，所述方法使得衰减涡轮发动机的动力线的扭转模式成为可能；
[0066]
图5示意性地表示根据本发明的图4的参数化方法的优选实现模式，其中所述方法包括验证数字滤波器的时间行为的步骤；
[0067]
图6a表示在计算所述滤波器的零点之后在根据本发明的参数化方法期间所获得的数字滤波器的增益的演变；
[0068]
图6b表示在计算所述滤波器的零点之后在根据本发明的参数化方法期间所获得的数字滤波器的相位的演变；
[0069]
图7a表示在更新所述滤波器的零点的步骤之后在根据本发明的参数化方法期间所获得的数字滤波器的增益的演变；
[0070]
图7b表示在更新所述滤波器的零点的步骤之后在根据本发明的参数化方法期间所获得的数字滤波器的相位的演变；
[0071]
图8a表示在确定所述滤波器的极点的步骤之后在根据本发明的参数化方法期间所获得的数字滤波器的增益的演变；
[0072]
图8b表示在确定所述滤波器的极点的步骤之后在根据本发明的参数化方法期间所获得的数字滤波器的相位的演变。
具体实施方式
[0073]
本发明属于航空器的涡轮发动机的领域，更具体地属于形成涡轮发动机一部分的一个或多个机械元件的阻尼领域。
[0074]“阻尼”在此指的是振荡幅度的控制，只要这些可能与等于或至少接近于由所述机械元件形成的组件的本征模式特性的频率的频率相关联，该模式在其长时间维护或反复激发时可能会导致所述组件的过早磨损。换句话说，阻尼概念对应于寻求对以预定频率演变
并且可能损坏所考虑的机械元件的振荡的阻尼的事实。
[0075]
图1示意性地表示航空器涡轮发动机1的被称为动力传输系统的系统10的示例性实施例。
[0076]
在实践中，动力传输系统10还可以包括不同于图1中所表示的那些元件的其他元件，然而它们脱离了本发明的范围。
[0077]
如图1中所图示而非限制性的，动力传输系统10包括气体发生器11。该发生器11通常对应于燃烧室，在该燃烧室中碳氢化合物被点燃以在高温以及高速下生成气体。所生成的气体然后被传送到被称为动力涡轮12的涡轮，其因此被置于运动中。这种动力涡轮12在一些发动机架构中可以由本领域技术人员用表述“自由涡轮”来指明。
[0078]
涡轮轴在其相应端部处耦接到动力涡轮12以及行星式减速器13。相对于减速器13而与涡轮轴相对并被称为输出轴的另一个轴本身在减速器13和航空器的推进装置14之间延伸。
[0079]
因此，涡轮轴由动力涡轮12旋转。减速器13本身允许输出轴以与涡轮轴的速度相比较低的速度旋转。最后，推进装置14又由输出轴驱动。
[0080]
由涡轮和输出轴以及减速器13形成的组件通常被称为“动力传输线”。确实可以理解，该组件负责确保将旋转能量从动力涡轮12传输到推进装置14。
[0081]
本说明书的其余部分更具体地而非限制性地涉及用于飞机的涡轮螺旋桨式的涡轮发动机1。因此，涡轮发动机1的主推力通过包括多个叶片的至少一个螺旋桨的旋转而获得。例如并且优选地，推进装置14包括两个无涵道对转螺旋桨，这尤其允许提高推进效率。
[0082]
然而，遵循此处未详述的其他示例，不排除考虑其他类型的涡轮发动机，诸如例如涡轮喷气发动机。本发明确实适用于任何类型的涡轮发动机，其操作期望被监测以使得传输线不会根据特定于其的扭转模式而被激发。也不排除考虑气体发生器下游的诸如例如本身已知类型的链接涡轮之类的另一种类型的涡轮，以及诸如直升机之类的另一种类型的航空器。
[0083]
应注意，传输线的扭转模式不仅源于其扭转柔性，这种柔性是其制造中使用的材料及其长度和直径的函数，而且还归因于它在动力涡轮12和推进装置14之间旋转的事实，动力涡轮12和推进装置14就其本身而言，它们是惯性比传输线(以及在该示例中的减速器13)的惯性大得多的元件。换句话说，在涡轮发动机1的标称操作期间，传输线很可能受到能够根据与其扭转模式相关联的本征频率f_t激发其扭转模式的扭转力矩。
[0084]
涡轮发动机1的操作通常由航空器上的监测系统20引导。
[0085]
图2示意性地表示本领域技术人员已知的涡轮发动机1的监测系统20在标称模式下操作的示例。这样的图也由表述“伺服控制块图表”来指明。
[0086]“标称模式”在此指的是当涡轮发动机1受到可能影响其操作的约束时监测系统20作用于涡轮发动机1所根据的模式，但是这些约束在进行传输线的动态响应测试之前在涡轮发动机1的设计中已经被考虑。
[0087]
传统上并且如图2中所示，监测系统20包括作为用于接收本身已知类型的设定点的输入装置21，诸如例如计算机。根据本示例性实施例，设定点表示推进装置的转子的期望旋转速度。然而应当注意，可以考虑其他物理参数来定义设定点，诸如例如航空器的预定取向。参数的选择尤其取决于为确保航空器的推力而选择的监测策略。
[0088]
这样的监测系统20包括控制设备22，该控制设备22被配置为生成旨在被传输到航空器的致动器(图2中未示出)的控制信号。这种致动器例如是被配置为将确定量的碳氢化合物输送到气体发生器11的装置，诸如例如燃料计量阀。
[0089]
控制设备22包括例如一个或多个处理器和存储装置(磁硬盘、电子存储器、光盘等)，其中以程序代码指令集的形式存储数据和计算机程序，该程序代码指令集被执行以便实现涡轮发动机1的操作的全部或部分引导。替代地或附加地，控制设备22还包括fpga、pld类型等的一个或多个可编程逻辑电路，和/或专用集成电路(asic)，和/或一组分立电子元件等，其适于实现涡轮发动机1的操作的引导。
[0090]
换言之，控制设备22包括以软件(特定计算机程序)和/或硬件(fpga、pld、asic等)方式配置来实现对涡轮发动机1的操作的引导的一组装置。
[0091]
在特定示例性实施例中，根据本领域技术人员已知如何实现的“pid”(比例、积分、微分)类型模型来配置控制设备22。然而，这样的示例性实施例仅构成一个替代实施例，并且不排除具有根据此处未详述的不同类型的模型来配置的控制设备。
[0092]
监测系统20在输出处还包括对推进装置14的转子的旋转速度的测量，这通常归功于专用传感器23，诸如例如音轮。该测得的速度被重定向到监测系统20的输入，以使得后者根据闭环监测逻辑来操作。
[0093]
控制设备22是闭合监测环路的组成部分，并且因此被配置为基于速度设定点和速度测量结果之间的偏差来生成控制信号。因此，速度设定点是伺服控制的，并且控制设备充当用于补偿所述偏差的校正器。然后将控制信号传输到致动器，这对涡轮发动机1产生影响，并因此最终也对传输线产生影响(涡轮轴和输出轴的旋转速度的变化，以及因此的推进装置14的旋转速度的变化)。
[0094]
应当注意，响应于设定点偏差所生成的控制信号对应于数字信号。在涡轮发动机1的操作期间生成的控制信号的采样频率在说明书的剩余部分中被标示为f_e，并且例如等于50hz。然而，根据此处未详述的其他示例，不排除考虑除50hz之外的采样频率f_e。
[0095]
迄今为止已知的并在图2中图示的监测环路与传递函数相关联，该传递函数表示由致动器和涡轮发动机1形成的组件对控制信号的频率响应。就此组件对应于现实世界的物理组件而言，这里的传递函数是低通类型的。
[0096]
本领域技术人员将清楚，表述“监测环路的增益”和“与监测环路相关联的传递函数的增益”在以下描述中具有相同的含义。
[0097]
图3示意性地表示与闭合监测环路相关联的传递函数的增益，并且对应于半对数标度上的图(伯德图)。该图的横坐标轴表示以赫兹(hz)为单位的频率f，纵坐标轴表示以分贝(db)为单位的滤波器的增益gdb。
[0098]
如图3中所图示，增益作为频率的函数的演变包括三个区域，即：
[0099]-对应于传递函数的带宽的区域a(在该示例中，它在0hz和基本上1hz之间延伸)，并且其中环路的增益的绝对值增加了值v，例如等于0db，
[0100]-对应于传递函数的衰减频带的区域c(在本示例中，它延伸超过基本上10hz)，
[0101]-对应于传递函数的过渡频带的区域b，并且位于区域a和区域c之间。
[0102]
扭转模式的频率f_t位于区域b中。而且，频率f_t足够接近区域a，以便有必要设想对其进行衰减，以避免相关联的扭转模式的激发，并从而消除设备过早磨损的任何风险。本
发明提出了针对该问题的解决方案，该解决方案不需要修改涡轮发动机的机械架构或修改涡轮发动机操作的预先存在的调节逻辑。
[0103]
例如，频率f_t等于7hz并且与置信区间ic相关联，其相应的界限是6.5hz和7.5hz。根据此处未详述的其他示例，不排除考虑频率f_t以及置信区间ic的其他值。
[0104]
应当注意，频率f_t与置信区间ic相关联。这种置信区间ic的存在是因为在大规模生产期间发动机之间可能存在分散的情况下，不能绝对准确地知道频率f_t。
[0105]
因此，根据一个优选示例，在动力传输线的动态行为的测试台上的一系列测试期间确定频率f_t。应该注意的是，一旦已经完成涡轮发动机的机械尺寸确定以及调节逻辑的设计，就实施这样的一系列测试。因此，置信区间ic取决于测试期间所执行的测量的准确性，还取决于根据本领域技术人员已知的统计方法执行的测试次数，因为它脱离了本发明的范围，所以这里不再详述。
[0106]
然而，不排除考虑用于获得频率f_t及其置信区间ic的其他方法。例如，它们可以通过数字仿真获得，其因此需要对形成涡轮发动机的不同机械部分以及表示这些部分的动态行为的数学仿真模型进行精细建模。
[0107]
对于ic的选择，也不排除任何其他参数，这些参数将被标识为频率f_t的变化源，诸如例如与制造构成动力传输线的零件的方法相关的分散或者这些参数在所述零件的使用寿命期间的演变。
[0108]
图4表示用于对数字滤波器进行参数化以衰减与频率f_t相关联的扭转模式的方法的一种实现模式的流程图。
[0109]
所述参数化方法由参数化设备(图中未表示)实现，该设备包括例如一个或多个处理器和存储装置(磁性硬盘、电子存储器、光盘等)，其中以程序代码指令集的形式存储数据和计算机程序，该程序代码指令集被执行以便实现参数化方法的全部或部分步骤。替代地或附加地，参数化设备还包括fpga、pld等类型的一个或多个可编程逻辑电路，和/或专用集成电路(asic)，和/或一组分立电子元件等，其适于实现参数化方法的全部或部分步骤。
[0110]
换言之，参数化设备包括以软件(特定计算机程序)和/或硬件(fpga、pld、asic等)方式配置来实现参数化方法的各个步骤的一组装置。
[0111]
通过参数化方法参数化的数字滤波器旨在被集成到预先存在的监测环路中，以便对由控制设备22所生成的控制信号进行滤波。换言之，数字滤波器旨在例如以软件方式被集成在控制设备22的输出处。
[0112]
以低通滤波器的形式寻求本发明的数字滤波器，特别是以便不干扰与监测环路相关联的传递函数的行为。
[0113]
进一步寻求数字滤波器以使得与其相关联的传递函数是因果的、稳定的并且等于商n(z)/d(z)，其中n和d是多项式函数，n的阶数严格大于1。因此传递函数是有理分式。由于是因果关系，这意味着分母的阶数严格大于分子的阶数。稳定性标准本身意味着d(z)的极点都包含在复平面的单位圆中。本领域技术人员也将清楚，函数n(z)和d(z)的自变量z对应于复变量的符号，其通常被用于操纵离散信号，其与连续表示的链接是通过z变换来完成的。然后我们有以下公式：
[0114]
z＝exp(2iπ
×
p/f_e)
[0115]
其中p是拉普拉斯变量。
[0116]
分子n(z)和分母d(z)的根分别被称为零点和极点。
[0117]
参数化方法包括几个步骤。在其一般原理中，该方法首先包括放置分子的零点以便针对频率f_t的衰减。然后更新这些零点以便考虑频率f_t值的不确定性。只有在分子的参数化完成之后，分母继而才会通过其极点的位置进行参数化，主要是为了调整数字滤波器的相位。
[0118]
参数化方法首先包括作为频率f_t和f_e的函数来计算形成n(z)的零点的复数的步骤100，以使得滤波器衰减频率f_t。
[0119]
步骤100的目的是针对n(z)的零点的第一放置以便确保频率f_t的衰减。
[0120]
在一种优选的实现模式中，n(z)的阶数等于2。这意味着n(z)包括分别被标示为z_1和z_2的两个零点。这些零点z_1和z_2在计算步骤100期间根据以下公式计算：
[0121]
z_1＝exp((2
×i×
π
×
f_t)/f_e)和z_2＝exp((-2
×i×
π
×
f_t)/f_e)。
[0122]
以这种方式计算零点z_1和z_2相当于确定专门将频率f_t作为要被衰减的频率的数字滤波器。首先在单位圆上确定这种零点的事实代表动力传输线对频率f_t的阻尼较差。
[0123]
然而，不排除在步骤100期间以不同的方式计算零点z_1和z_2，因为它们允许排除基本上以与扭转模式相关联的频率f_t为中心的频率区域。优选地，在步骤100期间靠近单位圆(因此模数基本上等于1)、理想地在单位圆上确定零点，以便以简单的方式启动参数化方法。
[0124]
选择n(z)的阶数等于2的事实允许限制滤波器的复杂性。然而，应当注意，该选择仅构成本发明的一种替代实现模式。例如，n可以被参数化以使阶数严格大于2，例如等于4，只要满足滤波器是因果关系所依据的约束即可。
[0125]
然后，参数化方法包括更新n(z)的零点的步骤200，以使得滤波器的增益在置信区间ic中满足作为扭转模式的幅度的函数而预先确定的第一幅度模板。
[0126]
更新零点的这个步骤200允许考虑与频率f_t的值相关联的不确定性，并且因此使得针对该数字滤波器所寻求的最终衰减相对于该不确定性更加稳健。
[0127]
在特定的实现模式中，更新n(z)的零点的步骤200包括以预定间距减少零点的相应模数的子步骤。减少在计算步骤100期间确定的零点的相应模数的事实允许将零点移离单位圆(单位圆的内部)，并因此加宽滤波器的衰减区域以便考虑置信区间ic。
[0128]
然后，只要不满足第一增益模板，就迭代模数减少子步骤。
[0129]
例如，模数减少间距被设置为等于0.01。以这种方式，并且在减少子步骤的第一次迭代期间，更新的零点具有等于0.99的模数。还应理解，如果减少子步骤被迭代例如五次，则在更新步骤200结束时获得的零点将具有等于0.95的模数。
[0130]
然而，遵循此处未详述的其他示例，不排除考虑大于或小于0.01的间距。也不排除考虑减少不是加法类型而是例如乘法类型的模数。
[0131]
迭代地逐渐减少模数的事实允许在参数化的计算时间和复杂性之间获得良好的折衷。
[0132]
然而，应当注意，这种进行方式仅构成本发明的一种备选实现模式。例如，步骤100的零点的更新可以通过优化算法(例如形状优化算法)来执行，旨在优化作为扭转模式的幅度的函数的预定成本函数。然而，这种优化算法增加了更新n(z)的零点的步骤200的复杂性。
[0133]
作为非限制性示例，第一增益模板在置信区间ic中对应于增益值的优选严格增加，该增加与扭转模式的共振的幅度相反。例如，如果扭转模式在频率f_t处在系统的伯德图上导致3db峰值，则针对这种放大，滤波器被设计成使得增益补偿到最小。就模板而言，这导致频率f_t处的最大约束为-3db。
[0134]
实际上，与在单个计算步骤100结束时获得的增益相比，根据本发明的零点的更新减小了滤波器增益的幅度的绝对值。因此，设置这样的第一增益模板允许提供约束来停止零点的更新，以使得滤波器将完全衰减置信区间ic中的频率f_t。
[0135]
这样的第一增益模板的选择仅构成本发明的一个备选实现模式。因此可以设想其他替代方案，诸如例如具有与区间ic中的增益值相对应的第一增益模板，该增益值大于或等于扭转模式的幅度的相反值。例如，第一增益模板可以对应于扭振模式的幅度的90％和95％之间的增益值。实际上，零点更新步骤200之后的步骤(稍后描述)具有进一步降低数字滤波器在频率f_t处的增益的效果，从而可以实现扭转模式的幅度、步骤200结束时滤波器的增益和区间ic的长度之间的折衷。
[0136]
因此可以理解，步骤100和200主要旨在对数字滤波器进行参数化，以便在频率f_t附近校准其增益，随后进行其余频谱上的相位和增益的校准，特别是在闭环的带宽上。
[0137]
为此，参数化方法包括确定形成d(z)的极点的实数的步骤300。找到实数形式的d(z)的极点的事实允许保证滤波器的阻尼行为。
[0138]
在约束下执行所述步骤300，即确定d(z)的极点，以使得在环路的带宽中：
[0139]-滤波器的相位满足作为频率f_e的函数的预定相位模板，
[0140]-滤波器的增益满足作为值v的函数的第二预定增益模板。
[0141]
因此，该步骤300旨在放置d(z)的极点以便在监测环路的带宽上监测滤波器的相位的演变，这最终允许在所设想的整个频谱(区域a、b和c)上监测滤波器的相位。此外，以这种方式在环路的带宽中约束滤波器增益的事实确保了包含在控制信号中的有用信息可以继续被传送到涡轮发动机1的致动器而不会衰减。
[0142]
在一种优选的实现模式中，d(z)的极点全都被认为是相等的。考虑所有的极点彼此相等允许在参数化的复杂性(以及因此计算时间和必要的计算手段)和滤波器行为的准确性之间获得有利的折衷。然而应该注意的是，选择全都彼此相等的极点仅构成本发明的一种备选实现模式。例如，可以确定实极点，以便彼此完全不同，或者只有一些极点彼此相等。
[0143]
在一种特定的实现模式中，确定d(z)的极点的步骤300包括：
[0144]-选择严格包含在-1和1之间的极点的子步骤，
[0145]-沿着实轴以预定间距平移所选定的极点的子步骤，以便获得平移的极点。
[0146]
然后，只要不满足相位模板和第二增益模板，就迭代平移子步骤。为了执行这样的迭代，在迭代期间选择的极点对应于在先前迭代期间获得的平移的极点。
[0147]
例如，沿着实轴的所述平移间距在实数减少的方向上被设置为等于0.01。以这种方式，并且在平移子步骤的第一次迭代期间，如果最初选择的极点等于0.9，则极点等于0.89。还可以理解，如果平移子步骤被迭代例如五次，如果选择的第一个极点等于0.9，则在步骤300结束时获得的极点将等于0.85。
[0148]
然而，遵循此处未详述的其他示例，不排除考虑大于或小于0.01的间距，以及在增
加实数的方向上的平移。通常，平移的方向取决于初始选择的极点相对于边界-1和1的位置。不排除沿着实轴的平移方向在至少两次迭代之间发生变化，例如在平移的方向通过优化算法来确定的情况下，该算法旨在优化作为频率f_e和值v的函数的预定成本函数。
[0149]
通过平移迭代来确定d(z)的极点的事实允许在参数化的计算时间和复杂性之间获得良好的折衷。
[0150]
然而，应当注意，这种进行方式仅构成本发明的一种备选实现模式。因此，根据与上述步骤200的情况类似的考虑，d(z)的极点的确定可以通过优化算法来执行，诸如例如形状优化算法。然而，这样的优化算法增加了步骤300的复杂性。
[0151]
作为非限制性示例，相位模板对应于由滤波器在区域a上引入的相移的增加，其对应于闭环的带宽。例如，这种增加对应于周期1/f_e与界定区域a的最大脉冲的乘积的预定倍数。
[0152]
增加环路带宽中的相移的事实允许在监测涡轮发动机1的操作期间避免相位的过度失真。换言之，以这种方式进行有利地通过限制引入的相移效应而不会破坏现有的检测环路，可以理解，任何数字处理都必然会对相位产生影响。
[0153]
此外，对滤波器的增益进行归一化的事实不影响低频下的闭环的增益。
[0154]
在一种优选的实现模式中，分子d(z)被参数化以使其阶数等于3。该选择有利地允许在限制滤波器的复杂性的同时满足需要。然而，应当注意，该选择仅构成本发明的一种备选实现模式。例如，d(z)可以被参数化以使其阶数严格大于3，例如等于5，只要满足滤波器是因果关系所依据的约束即可。
[0155]
图5示意性地表示参数化方法的一种优选实现模式，其中所述方法包括，在确定形成d(z)的极点的实数的步骤300之后，验证数字滤波器的时间行为的步骤400。通过“时间行为的验证”，在这里进行参考以证实数字滤波器的输出响应于已知输入信号而随时间遵循预期行为。
[0156]
换言之，验证步骤400允许确保根据本发明的数字参数化滤波器不具有不合适的行为。
[0157]
在所述优选实现模式中，所述验证步骤400包括：证实滤波器对阶跃信号的时间响应(亥维赛德函数)是单调递增的。这种证实步骤对应于对数字滤波器的单位阶跃响应的研究。因此在此不再详述。仅指定当所述时间响应单调递增时滤波器的时间行为被有效验证。
[0158]
一旦验证步骤400完成，并且当参数化滤波器的时间行为最终不令人满意时，只要数字滤波器的行为未被验证，就重复极点d(z)确定步骤300和验证步骤400。换句话说，重新调整d(z)的极点。为了重新调整d(z)的极点，步骤300可以例如通过选择所有相同的实极点来执行，但是在任何平移之前选择的第一个极点与在该方法的第一次实现期间选择的极点不同，这导致了行为不令人满意的滤波器。
[0159]
图6a、图6b、图7a、图7b、图8a、图8b表示在实现所述参数化方法的一个示例期间逐步获得的数字滤波器的增益(图6a、图7a、图8a)和相位(图6b、图7b、图8b)的相应演变。
[0160]
在该实施例中，频率f_e和f_t分别等于50hz和7hz。这里的区间ic对应于[6.5hz,7.5hz]，并且取值v等于0db。此外，以商n(z)/d(z)的形式寻求滤波器传递函数，其中n的阶数为2，并且d的阶数为3，极点都彼此相等。
[0161]
图6a示意性地表示在计算参数化方法的步骤100结束时数字滤波器的增益的频率
演变。如图6a中所图示，增益的绝对值在频率f_t处显著地增加，这确实对应于目标衰减的预期行为。
[0162]
图6b本身示意性地表示在计算参数化方法的步骤100结束时数字滤波器的相位的频率演变。如图6b中所图示，滤波器的相位在这个阶段尚未得到控制，因为对于频率f_t以上的频率，它会增加超过180
°
。
[0163]
注意，在步骤100结束时确定的n(z)的零点分别等于0.637+i*0.771和0.637-i*0.771。
[0164]
还应注意，由于参数化设备，图6a和图6b是通过模拟数字滤波器的行为而获得的。
[0165]
一旦更新零点的步骤200已被执行，图7a和图7b就对应于图6a和图6b的相应更新。
[0166]
如在图7a中可以观察到的，数字滤波器的增益的绝对值在频率f_t附近、更具体地在区间ic中减小。尽管如此，该增益的绝对值仍然大于扭转模式的幅度。
[0167]
就其本身而言，如图7b中所图示，该相位几乎没有演变。
[0168]
此外，与图7a和图7b的情况相关联的更新后的零点分别是0.606+i*0.732和0.606-i*0.732。因此，确实观察到相对于在步骤100结束时获得并与图6a和图6b相关联的零点的模数的减小。
[0169]
一旦确定极点的步骤300已被执行，图8a和图8b对应于图7a和图7b的相应更新。需要注意的是，在步骤300结束时，极点全都被确定为等于0.5。
[0170]
如在图8a中可以观察到的，数字滤波器的增益的绝对值在频率f_t附近、更具体地在区间ic中增加。因此，对动力传输线的扭振模式有很强的针对性衰减。此外，带宽中的增益保持低于0db，这意味着数字滤波器对低频控制信号的修改非常小。
[0171]
就其本身而言并且如图8b中所图示，相位的绝对值在所设想的整个频谱(区域a、b和c)上保持在0
°
和180
°
之间，这允许在监测环路的执行期间避免任何副作用，诸如例如可能导致控制信号反转的太大相移。
[0172]
一般而言，本发明当然仍然适用于不位于区域b中但也位于区域a或区域c中的扭转模式。
[0173]
因此，本发明允许有利地对数字滤波器进行参数化，以便在所述扭转模式的频率附近有效地衰减动力传输线的扭转模式，通过限制所引入的相移效应而不会降低在该频谱的剩余部分上的预先存在的监测环路的增益，并且不会将任何不期望的时间行为引入到预先存在的调节逻辑中。此外，参数化方法允许获得合理阶的非常有效的数字滤波器，通常小于5，例如等于3，这与预先存在的调节逻辑中的实时实现相兼容。
[0174]
最后，应当注意，与根据本发明参数化的数字滤波器相关联的传递函数可以容易地在预先存在的调节软件中被实现。为此，本领域技术人员可以访问函数库，允许其在监测环路的控制设备22的输出处生成这样的数字滤波器。