在地面试验中自动控制涡轴发动机NG转速的方法及系统、设备、存储介质与流程

在地面试验中自动控制涡轴发动机ng转速的方法及系统、设备、存储介质
技术领域
1.本发明涉及涡轴发动机地面试车技术领域，特别地，涉及一种在地面试验中自动控制涡轴发动机ng转速的方法及系统、设备、计算机可读取的存储介质。


背景技术：

2.在涡轴发动机配装的飞机上，飞行员根据飞行任务控制飞机从发动机提取动力，获得飞机飞行的升力和速度，发动机转速只是中间参数。而在地面试验阶段，通常都是以发动机ng转速(即燃气发生器转速)来标定发动机的运行状态，试验任务一般也是以发动机ng转速作为一种主要的考核对象。涡轴发动机在设计定型前需要做大量的地面试验，试验时长高达几千上万小时，耗费大量人力物力，而且试验过程中往往需要不断变化发动机ng转速，存在安全和准确性的问题。目前，国内在涡轴发动机科研试车中均没有使用转速自动控制技术的先例，只能通过手动操作控制发动机转速状态，存在人力成本高、试验重复性差、误操作风险高等各方面缺点，而且手动操作无法满足部分发动机试验提出的快速加减速等高难度要求，基于对涡轴发动机燃气发生器转速闭环控制的涡轴发动机自动化试车技术研究尚属空白。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种在地面试验中自动控制涡轴发动机ng转速的方法及系统、设备、计算机可读取的存储介质，以解决现有技术的上述缺点。
4.根据本发明的一个方面，提供一种在地面试验中自动控制涡轴发动机ng转速的方法，包括以下内容：
5.采集涡轴发动机的np转速、ng转速和进气温度，其中，ng转速为燃气发生器转速，np转速为发动机输出轴转速；
6.输入ng转速的目标值，并根据输入的目标值改变发动机波段开关输出信号以对应切换发动机的工作状态；
7.将输入的ng转速目标值、采集到的np转速和进气温度作为ng转速控制模型的输入，计算得到扭矩目标值和油门杆角度值，并将扭矩目标值和油门杆角度值分别输出至测功器和电子控制器，控制测功器扭矩恒定在目标扭矩，对ng转速开始自动调节；
8.不断采集转速调节过程中ng转速的实际值，当ng转速的实际值与目标值的差值在预设范围内且保持稳定时，使能变调节范围的ng转速pid闭环调节功能，将pid闭环调节输出的油门杆角度值与ng转速控制模型计算得到的油门杆角度值相加后输出至电子控制器，控制涡轴发动机ng转速收敛至目标值。
9.进一步地，所述根据输入的目标值改变发动机波段开关输出信号的过程具体基于以下模型实现：
[0010][0011]
其中，pms表示发动机波段开关位置，分别对应发动机的停车、慢车、飞行三种状态，n1表示发动机的停车状态对应的转速边界，n2表示发动机的慢车状态对应的转速边界，n表示输入的ng转速目标值。
[0012]
进一步地，所述ng转速控制模型为：
[0013]
torq＝f(n，t0，np)；
[0014]
xpc＝torq*g(n)；
[0015]
其中，torq表示扭矩目标值，t0表示进气温度，np表示发动机输出轴转速，n表示ng转速的目标值，f(n，t0，np)表示根据发动机历史试验数据利用最小二乘线性回归方法得到的关于n、t0和np三个变量的函数，xpc表示油门杆角度值，g(n)表示油门杆角度与测功器接收的扭矩控制信号的匹配关系。
[0016]
进一步地，所述油门杆角度与测功器接收的扭矩控制信号的匹配关系基于以下过程得到：
[0017]
在手动状态下将发动机推到一系列状态点，记录每个状态点的测功器扭矩值，在保持该值不变的情况下，调节给电子控制器的油门杆角度值，使电子控制器的油门角度预期差参数调至0，记录下对应的油门杆角度值，然后根据一系列状态点对应的测功器扭矩值和油门杆角度值整定得到油门杆角度与测功器扭矩的匹配关系。
[0018]
进一步地，当ng转速的实际值与目标值的差值大于
‑
1000rpm时则判定两者的差值在预设范围内，当ng转速的每秒转速波动率小于500rpm时则判定ng转速保持稳定。
[0019]
进一步地，若ng转速的实际值与目标值的差值在预设时长内仍未到达预设范围内，或者达到预设范围内但未保持稳定时，则发出报警提醒并控制油门杆下拉至空慢状态，稳定30s后下拉至地慢状态，1min后停车。
[0020]
另外，本发明还提供一种在地面试验中自动控制涡轴发动机ng转速的系统，包括：
[0021]
采集系统，用于采集涡轴发动机的np转速、ng转速和进气温度；
[0022]
rvdt模拟器，用于输出油门杆角度控制信号至电子控制器；
[0023]
上位机，用于输入ng转速的目标值；
[0024]
plc模块，用于根据输入的ng转速的目标值改变发动机波段开关输出信号以对应切换发动机的工作状态，基于输入的ng转速目标值、采集到的np转速和进气温度计算得到扭矩目标值和油门杆角度值，输出扭矩控制信号至测功器和控制rvdt模拟器输出油门杆角度控制信号至电子控制器，控制测功器扭矩恒定在目标扭矩，并在转速调节过程中将采集到的ng转速的实际值与目标值的差值进行比对，若实际值与目标值的差值在预设范围内且保持稳定时，使能变调节范围的ng转速pid闭环调节功能，将pid闭环调节输出的油门杆角度值与ng转速控制模型计算得到的油门杆角度值相加后输出至电子控制器，以控制涡轴发动机ng转速收敛至目标值。
[0025]
进一步地，还包括与plc模块连接的报警装置，所述plc模块还用于在ng转速的实际值与目标值的差值在预设时长内仍未到达预设范围内时控制所述报警装置发出报警提
醒。
[0026]
另外，本发明还提供一种设备，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器通过调用所述存储器中存储的所述计算机程序，用于执行如上所述的方法的步骤。
[0027]
另外，本发明还提供一种计算机可读取的存储介质，用于存储在地面试验中自动控制涡轴发动机ng转速的计算机程序，所述计算机程序在计算机上运行时执行如上所述的方法的步骤。
[0028]
本发明具有以下效果：
[0029]
本发明的在地面试验中自动控制涡轴发动机ng转速的方法，在输入ng转速目标值后先根据目标值的大小改变发动机波段开关输出信号以对应切换发动机的工作状态，确保ng转速调节与发动机的工作状态相匹配。然后，通过采用ng转速目标值、np转速和进气温度作为ng转速控制模型的多参数输入因子，利用转速控制模型计算得到扭矩目标值和油门杆角度值，并分别输出至测功器和电子控制器以对ng转速进行自动调节，当目标值发生变化时，可以在0.5s甚至更短时间内降油门杆信号和扭矩信号调节至模型计算值，大大提升了转速调节的响应速度。并且，在ng转速的实际值与目标值的差值达到预设范围内且保持稳定时，考虑到ng转速的稳态值主要决定于测功器的扭矩，而调节过程中的瞬态精度则与油门杆信号和测功器扭矩相关，而由于测功器扭矩恒定在目标扭矩，因此转速调节的瞬态精度只与油门杆信号有关，此时开启ng转速pid闭环调节功能，将pid闭环调节输出的油门杆角度值与ng转速控制模型计算得到的油门杆角度值相加后输出至电子控制器，控制涡轴发动机ng转速收敛至目标值，通过pid闭环调节实现小范围内的转速精调，保证了ng转速自动控制调节的精度，实现了高精度的闭环调节。
[0030]
另外，本发明的在地面试验中自动控制涡轴发动机ng转速的系统、设备、计算机可读取的存储介质同样具有上述优点。
[0031]
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
[0032]
构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0033]
图1是本发明优选实施例的在地面试验中自动控制涡轴发动机ng转速的方法的流程示意图。
[0034]
图2是本发明优选实施例中的油门杆角度与测功器负载的匹配曲线的示意图。
[0035]
图3是本发明优选实施例中的基于ng转速控制模型的计算与变调节范围的pid调节对ng转速进行自动控制的控制原理示意图。
[0036]
图4是本发明优选实施例中的调节域的示意图。
[0037]
图5是本发明另一实施例的在地面试验中自动控制涡轴发动机ng转速的系统进行ng转速自动调节的示意图。
具体实施方式
[0038]
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
[0039]
如图1所示，本发明的优选实施例提供一种在地面试验中自动控制涡轴发动机ng转速的方法，包括以下内容：
[0040]
步骤s1：采集涡轴发动机的np转速、ng转速和进气温度，其中，ng转速为燃气发生器转速，np转速为发动机输出轴转速；
[0041]
步骤s2：输入ng转速的目标值，并根据输入的目标值改变发动机波段开关输出信号以对应切换发动机的工作状态；
[0042]
步骤s3：将输入的ng转速目标值、采集到的np转速和进气温度作为ng转速控制模型的输入，计算得到扭矩目标值和油门杆角度值，并将扭矩目标值和油门杆角度值分别输出至测功器和电子控制器，控制测功器扭矩恒定在目标扭矩，对ng转速开始自动调节；
[0043]
步骤s4：不断采集转速调节过程中ng转速的实际值，当ng转速的实际值与目标值的差值在预设范围内且保持稳定时，使能变调节范围的ng转速pid闭环调节功能，将pid闭环调节输出的油门杆角度值与ng转速控制模型计算得到的油门杆角度值相加后输出至电子控制器，控制涡轴发动机ng转速收敛至目标值。
[0044]
可以理解，本实施例的在地面试验中自动控制涡轴发动机ng转速的方法，在输入ng转速目标值后先根据目标值的大小改变发动机波段开关输出信号以对应切换发动机的工作状态，确保ng转速调节与发动机的工作状态相匹配。然后，通过采用ng转速目标值、np转速和进气温度作为ng转速控制模型的多参数输入因子，利用转速控制模型计算得到扭矩目标值和油门杆角度值，并分别输出至测功器和电子控制器以对ng转速进行自动调节，当目标值发生变化时，可以在0.5s甚至更短时间内降油门杆信号和扭矩信号调节至模型计算值，大大提升了转速调节的响应速度。并且，在ng转速的实际值与目标值的差值达到预设范围内且保持稳定时，考虑到ng转速的稳态值主要决定于测功器的扭矩，而调节过程中的瞬态精度则与油门杆信号和测功器扭矩相关，而由于测功器扭矩恒定在目标扭矩，因此转速调节的瞬态精度只与油门杆信号有关，此时开启ng转速pid闭环调节功能，将pid闭环调节输出的油门杆角度值与ng转速控制模型计算得到的油门杆角度值相加后输出至电子控制器，控制涡轴发动机ng转速收敛至目标值，通过pid闭环调节实现小范围内的转速精调，保证了ng转速自动控制调节的精度，实现了高精度的闭环调节。
[0045]
可以理解，在所述步骤s1中，具体通过发动机的采集系统来采集涡轴发送机的np转速、ng转速和进气温度。
[0046]
可以理解，在所述步骤s2中，在输入ng转速的目标值后，具体基于以下模型改变发动机波段开关输出信号：
[0047][0048]
其中，pms表示发动机波段开关位置，分别对应发动机的停车、慢车、飞行三种状态，n1表示发动机的停车状态对应的转速边界，n2表示发动机的慢车状态对应的转速边界，n
表示输入的ng转速目标值。在输入ng转速目标值后，根据目标值所属区间范围，将发动机波段开关位置进行切换，以将发动机的工作状态切换至对应状态，以确保ng转速调节与发动机的工作状态相匹配，保证了地面试车的可靠性。
[0049]
可以理解，在所述步骤s3中，所述ng转速控制模型为：
[0050]
torq＝f(n，t0，np)；
[0051]
xpc＝torq*g(n)；
[0052]
其中，torq表示扭矩目标值，t0表示进气温度，np表示发动机输出轴转速，n表示ng转速的目标值，f(n，t0，np)表示根据发动机历史试验数据利用最小二乘线性回归方法得到的关于n、t0和np三个变量的函数，通常是n的3至4次方函数，是t0和np的1次方函数，xpc表示油门杆角度值，g(n)表示油门杆角度与测功器接收的扭矩控制信号的匹配关系。
[0053]
其中，所述油门杆角度与测功器接收的扭矩控制信号的匹配关系基于以下过程得到：
[0054]
在手动状态下将发动机推到一系列状态点，记录每个状态点的测功器扭矩值，在保持该值不变的情况下，调节给电子控制器的油门杆角度值，使电子控制器的油门角度预期差参数调至0，记录下对应的油门杆角度值，然后根据一系列状态点对应的测功器扭矩值和油门杆角度值整定得到油门杆角度与测功器扭矩的匹配关系。
[0055]
为了实现更好的发动机加减速效果，通过上述过程对油门杆角度与测功器接收的扭矩控制信号的匹配关系进行校准匹配，可以根据稳态时对应油门杆角度下电子控制器产生的燃油流量差值，将测功器扭矩信号(即测功器负载)和油门杆角度重新整定为一条分段线性曲线，曲线如图2所示。使得测功器提取的功率与电子控制器的期望燃油流量进行最大化匹配，可以使电子控制器在加减速过程中的燃油调节量与测功器的扭矩调节特性相匹配，在瞬态变化中获取更加的响应特性，以达到更快的瞬态响应速度和更高的瞬态控制精度。
[0056]
可以理解，在所述步骤s4中，在自动调节过程中不断采集ng转速的实际值，并将实际值与目标值进行比对，当ng转速的实际值与目标值的差值大于
‑
1000rpm时则判定两者的差值在预设范围内，当ng转速的每秒转速波动率小于500rpm时则判定ng转速保持稳定。此时可以判定ng转速的实际值已经趋近于目标值并且处于稳定状态，实现了速度调节的快速响应，而且由于测功器的扭矩恒定在目标扭矩，转速调节的瞬态精度只与油门杆信号有关，则使能变调节范围的ng转速pid闭环调节功能，执行基于油门角度的ng转速pid闭环调节，将pid闭环调节输出的油门杆角度值与ng转速控制模型计算得到的油门杆角度值相加后输出至电子控制器，控制涡轴发动机ng转速收敛至目标值，通过pid闭环调节实现小范围内的转速精调，保证了ng转速自动控制调节的精度，实现了高精度的闭环调节。其中，使能是指满足上述的转速条件时才启动变调节范围的pid闭环调节，避免出现过渡态pid超调现象。基于ng转速控制模型的计算与变调节范围的pid调节对ng转速进行自动控制的原理图如图3所示。
[0057]
如图4所示，根据涡轴发动机转速控制中扭矩越大ng转速变化越快的特点，以及发动机运行过程中的特性变化过程，设置了上窄下宽的调节域，调节域的大小具体是根据发动机性能特性设置的，例如油门角度越大ng转速变化率越大，发动机冷机热机性能差别等特性，调节域的设置可以更好地贴合ng转速与油门角度关系包线，在调节域内可通过pid闭
环使ng转速快速、精准地收敛至目标值。可变调节域是指设置有一个pid调节幅值关于ng转速目标值的函数，ng转速高时幅值小，ng转速低时幅值大，以适应发动机的性能特点。
[0058]
可以理解，在所述步骤s4中，若ng转速的实际值与目标值的差值在预设时长内仍未到达预设范围内，或者达到预设范围内但未保持稳定时，则发出报警提醒并控制油门杆下拉至空慢状态，稳定30s后下拉至地慢状态，1min后停车。例如，若ng转速的实际值与目标值的差值在1min内仍然相差超过1000rpm，或者，两者的差值虽然未超过1000rpm，但是ng转速的每秒转速波动率超过了500rpm，则意味着ng转速自动控制调节过程出现了故障，此时发出报警提醒并逐步进入停车状态，以确保涡轴发动机的安全性。
[0059]
可以理解，本发明的在地面试验中自动控制涡轴发动机ng转速的方法，可实现发动机ng转速状态的快速阶跃式变化或者连续斜率变化，并具有良好的动态响应和稳态精度，在实际应用中，发动机ng转速可以在5s内达到目标值，且稳态误差保持在
±
30rpm(＜0.1％)左右，同时在长达数月的长试试验中也无需频繁地更改相关参数和设置，试验重复性好。
[0060]
另外，如图5所示，本发明的另一实施例还提供一种在地面试验中自动控制涡轴发动机ng转速的系统，优选采用上述实施例的方法，所述系统包括：
[0061]
采集系统，用于采集涡轴发动机的np转速、ng转速和进气温度；
[0062]
rvdt(rotary variable differential transformer，旋转可变差动变压器)模拟器，用于输出油门杆角度控制信号至电子控制器；
[0063]
上位机，用于输入ng转速的目标值；
[0064]
plc模块，用于根据输入的ng转速的目标值改变发动机波段开关输出信号以对应切换发动机的工作状态，基于输入的ng转速目标值、采集到的np转速和进气温度计算得到扭矩目标值和油门杆角度值，输出扭矩控制信号至测功器和控制rvdt模拟器输出油门杆角度控制信号至电子控制器，控制测功器扭矩恒定在目标扭矩，并在转速调节过程中将采集到的ng转速的实际值与目标值的差值进行比对，若实际值与目标值的差值在预设范围内且保持稳定时，使能变调节范围的ng转速pid闭环调节功能，将pid闭环调节输出的油门杆角度值与ng转速控制模型计算得到的油门杆角度值相加后输出至电子控制器，以控制涡轴发动机ng转速收敛至目标值。其中，所述采集系统分别与plc模块、涡轴发动机连接，所述plc模块还分别与上位机、rvdt模拟器、测功器连接，所述rvdt模拟器与电子控制器(ecu)连接，测功器和电子控制器则均与涡轴发动机连接。
[0065]
可以理解，本实施例的在地面试验中自动控制涡轴发动机ng转速的系统，在输入ng转速目标值后先根据目标值的大小改变发动机波段开关输出信号以对应切换发动机的工作状态，确保ng转速调节与发动机的工作状态相匹配。然后，通过采用ng转速目标值、np转速和进气温度作为ng转速控制模型的多参数输入因子，利用转速控制模型计算得到扭矩目标值和油门杆角度值，并分别输出至测功器和电子控制器以对ng转速进行自动调节，当目标值发生变化时，可以在0.5s甚至更短时间内降油门杆信号和扭矩信号调节至模型计算值，大大提升了转速调节的响应速度。并且，在ng转速的实际值与目标值的差值达到预设范围内且保持稳定时，考虑到ng转速的稳态值主要决定于测功器的扭矩，而调节过程中的瞬态精度则与油门杆信号和测功器扭矩相关，而由于测功器扭矩恒定在目标扭矩，因此转速调节的瞬态精度只与油门杆信号有关，此时开启ng转速pid闭环调节功能，将pid闭环调节
输出的油门杆角度值与ng转速控制模型计算得到的油门杆角度值相加后输出至电子控制器，控制涡轴发动机ng转速收敛至目标值，通过pid闭环调节实现小范围内的转速精调，保证了ng转速自动控制调节的精度，实现了高精度的闭环调节。
[0066]
另外，所述系统还包括与plc模块连接的报警装置，所述plc模块还用于在ng转速的实际值与目标值的差值在预设时长内仍未到达预设范围内，或者达到预设范围内但未保持稳定时，控制所述报警装置发出报警提醒。
[0067]
可以理解，本实施例的系统中的各个组件的工作过程与上述方法实施例的各个步骤相对应，故各个组件的具体工作原理在此不再赘述，参考上述方法实施例即可。
[0068]
另外，本发明的另一实施例还提供一种设备，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器通过调用所述存储器中存储的所述计算机程序，用于执行如上所述的方法的步骤。
[0069]
另外，本发明的另一实施例还提供一种计算机可读取的存储介质，用于存储在地面试验中自动控制涡轴发动机ng转速的计算机程序，所述计算机程序在计算机上运行时执行如上所述的方法的步骤。
[0070]
一般计算机可读取存储介质的形式包括：软盘(floppy disk)、可挠性盘片(flexible disk)、硬盘、磁带、任何其与的磁性介质、cd
‑
rom、任何其余的光学介质、打孔卡片(punch cards)、纸带(paper tape)、任何其余的带有洞的图案的物理介质、随机存取存储器(ram)、可编程只读存储器(prom)、可抹除可编程只读存储器(eprom)、快闪可抹除可编程只读存储器(flash
‑
eprom)、其余任何存储器芯片或卡匣、或任何其余可让计算机读取的介质。指令可进一步被一传输介质所传送或接收。传输介质这一术语可包含任何有形或无形的介质，其可用来存储、编码或承载用来给机器执行的指令，并且包含数字或模拟通信信号或其与促进上述指令的通信的无形介质。传输介质包含同轴电缆、铜线以及光纤，其包含了用来传输一计算机数据信号的总线的导线。
[0071]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。