李睿超，郭迎清

（西北工業(yè)大學動力與能源學院，西安710072）

渦扇發(fā)動機性能退化緩解控制與推力設定

李睿超，郭迎清

（西北工業(yè)大學動力與能源學院，西安710072）

為了補償性能退化發(fā)動機的推力損失，減輕飛行員工作負擔，提高推進系統的自動化程度，開展了渦扇發(fā)動機性能退化緩解控制（EPD M C）研究。針對某型渦扇發(fā)動機部件級模型設計了具備穩(wěn)態(tài)控制、加/減速過渡態(tài)控制和極限保護等功能的基準控制器；在此基礎上設計了外環(huán)推力控制回路，給出1種在多參數約束下的推力設定方法，并設計了合理的切換邏輯確保內外環(huán)控制器能協調工作。M A TLA B/Simulink下的仿真結果表明：該智能改進控制系統架構可以在保證發(fā)動機安全工作的前提下，通過合理地設定期望推力，最大程度地補償推力損失，維持油門桿角度和推力的對應關系近似不變。

緩解控制；性能退化；智能改進控制；推力設定；渦扇發(fā)動機

0 引言

隨著服役時間的增加，航空發(fā)動機的性能將不可避免地發(fā)生退化，主要反映在推力的減小和耗油率的增加上。在發(fā)動機性能衰退的過程中，氣路部件的氣流流通能力和工作效率會逐漸下降，造成油門桿角度（PLA）與推力的對應關系發(fā)生變化并帶來排氣溫度升高、渦輪工作環(huán)境惡化等一系列不利影響。傳統的發(fā)動機控制系統通過控制轉速或壓比間接地控制發(fā)動機的推力和失速裕度，然而由于制造公差和使用退化等原因，控制系統通常需要犧牲部分性能以確保發(fā)動機在上千個飛行周期內具有足夠的穩(wěn)定裕度，如能對推力進行直接控制[1-2]可進一步提高發(fā)動機的整體性能，但為此需要重新設計控制系統并對控制邏輯做出復雜而嚴密的論證。

針對上述問題，國外提出1種基于傳統控制系統的智能改進控制架構（Intelligent Retrofit Control Architecture）[3-6]，即發(fā)動機性能退化緩解控制（EPDM）技術。該改進控制架構在原控制系統的基礎上添加了由推力設定邏輯、推力估值器及轉速指令修正器構成的外環(huán)推力控制回路，根據發(fā)動機的退化程度通過調整轉速基準信號，維持PLA與推力的對應關系近似不變。該架構在現有控制系統的基礎上直接進行改進，具有縮短開發(fā)周期，避免大量修改現有控制系統的優(yōu)點。李業(yè)波[7]等在雙軸混排渦扇發(fā)動機上對EPDMC的可行性進行了仿真試驗并取得了一定成果。在智能改進控制架構中，合理地設定期望推力以確保發(fā)動機安全穩(wěn)定工作是補償推力損失的必要前提，但以上文獻均未對推力設定邏輯進行詳細論述。

本文針對某型國產軍用雙軸渦扇發(fā)動機[8]設計具備穩(wěn)態(tài)控制、加/減速控制及參數極限保護功能的發(fā)動機基準控制系統；并以此為基礎搭建外環(huán)推力控制回路，對EPDMC涉及的推力設定、轉速指令修正等關鍵技術進行研究；最后對系統進行仿真驗證。

1 基準控制系統設計

1.1 發(fā)動機控制系統的控制邏輯和結構

現代航空發(fā)動機控制計劃十分復雜，渦扇發(fā)動機慢車以上狀態(tài)的控制邏輯主要包含3個方面：（1）穩(wěn)態(tài)控制：當發(fā)動機受到擾動時，保證發(fā)動機在既定的工作點工作。（2）過渡態(tài)控制：在安全可靠的前提下，保證發(fā)動機由1種工作狀態(tài)快速平穩(wěn)地切換到另1種工作狀態(tài)。（3）極限保護控制：對各項參數加以限制，避免發(fā)動機進入失速、喘振、超溫、熄火等不安全的工作狀態(tài)中。

1種典型的渦扇發(fā)動機控制邏輯[6-9]如圖1所示。主穩(wěn)態(tài)控制器與加/減速控制計劃的工作邏輯為：將主穩(wěn)態(tài)控制器的輸出與加/減速控制計劃的輸出進行比較并通過低/高選得到燃油流量指令。

圖1 典型渦扇發(fā)動機控制系統

1.2 穩(wěn)態(tài)控制器設計

為簡化設計，主穩(wěn)態(tài)控制器（MSSC，Master Steady State Controller）控制規(guī)律選取WFM→nL=const，控制器形式選取增益調度PID控制器，調度參數取為nL（WFM，nL，nH分別表示主燃油量、低壓轉子轉速、高壓轉子轉速）。

選取狀態(tài)量x=[nLnH]T，控制量u=WFM，通過線性化部件級模型得到地面狀態(tài)下低功率60%nL,d至高功率100%nL,d的41個發(fā)動機狀態(tài)變量模型（步長為1% nL,d）。針對各狀態(tài)變量模型整定PID參數并進行平滑處理，主穩(wěn)態(tài)控制器工作時根據調度參數nL插值得到PID參數。

航空發(fā)動機數控系統的開發(fā)過程中常需要處理參數極限、執(zhí)行機構位置極限和變化速率等限制問題，并解決由此產生的積分器飽和問題，避免發(fā)動機的動態(tài)性能降低[10]。當燃油流量變化率過大或燃油流量超出極限范圍時，本文采取重置積分器的抗積分飽和措施：預先記錄穩(wěn)態(tài)下nL與WFM的對應關系，重置積分器時，根據調度參數nL插值得到對應的WFM并將其作為積分器的初值。穩(wěn)態(tài)供油曲線（Uss）與加/減速供油曲線的比較如圖2所示。

圖2 加/減速控制計劃

1.3 加/減速控制計劃設計

陸軍[11]等提出使用“動態(tài)穩(wěn)定法”設計加/減速控制計劃，該方法在發(fā)動機動態(tài)特性計算模型的基礎上，通過額外提取狀態(tài)變化率使得共同工作方程偏差趨于0，并根據物理約束對控制計劃曲線進行迭代直至符合設計要求，根據“動態(tài)穩(wěn)定法”設計的加/減速控制計劃如圖2所示。

1.4 極限保護器設計

極限保護器通過附加強制性的限制對發(fā)動機加以保護。當發(fā)動機性能衰退時，使用極限保護器可以減少對于控制系統的調整工作。本文針對高壓渦輪進口總溫T41及主燃燒室油氣比go設計極限保護器，這2個參數均無法通過直接測量得到，需應用估值技術對其進行估計，得到被保護參及其極限值，見表1。

表1 被保護參數及其極限值

極限保護器采用從反饋極限控制器（SFLC）的形式。該種極限保護器根據被保護參數與極限值之間的偏差大小對低壓轉子轉速指令做相應的修正（本文采用PID控制算法），間接地實現對參數的保護作用。極限保護器的控制作用總是單向的，即其僅在被保護參數超限時才發(fā)出修正指令[12]。加入SFLC的發(fā)動機控制系統結構如圖3所示。

圖3 發(fā)動機控制系統結構

當有多個被保護參數時，需設計多重極限保護器對其進行保護。多重極限保護器的2種共同工作方式如圖4所示。即“平等表決（equal voting）”和“領導-跟蹤型表決（leader-follower）”。“平等表決”將各極限保護器的輸出疊加起來，使參數更快地遠離極限值，其共同工作方式存在易使低壓轉子轉速產生較大波動的缺點；“領導-跟蹤型表決”則僅使得修正作用最大的極限保護器生效。本文選取“領導-跟蹤型表決”作為多重極限保護器的共同工作方式。

圖4 多重極限保護器的共同工作方式

2 性能退化緩解控制

2.1 智能改進控制架構

應用性能退化緩解控制技術后的智能改進控制架構如圖5所示。圖中綠色部分為在原控制系統基礎上添加的外環(huán)推力控制回路。該控制回路由推力設定邏輯、推力估值器及轉速指令修正器3部分構成：其中推力設定邏輯根據發(fā)動機的工作條件及退化程度設定期望推力，在補償推力損失的同時避免發(fā)動機進入到不安全的工作狀態(tài)中；推力估值器通過卡爾曼濾波技術[13-15]實現對推力的精準估計；轉速指令修正器根據推力誤差產生合適的轉速修正指令，使發(fā)動機推力趨向于設定推力。

圖5 渦扇發(fā)動機智能改進控制架構

2.2 推力設定邏輯

外環(huán)控制回路的目的在于通過調節(jié)轉速指令使退化推力恢復至標稱值，這意味著設定推力不應超過未退化時的標稱推力，此外設定推力應在發(fā)動機安全可達的范圍內，故應選取標稱推力和最大安全推力中的較小者作為設定推力。

根據上述思想，需先求得不同退化程度下的最大安全推力。以地面最大轉速為例，當發(fā)動機退化時，極限保護器會通過降低低壓轉子轉速避免參數超限，發(fā)動機工作穩(wěn)定時的推力即是該退化程度下的最大安全推力。

為了不失一般性，假設在退化過程中壓氣機和渦輪的流量和效率因子均發(fā)生同等程度的退化，此時發(fā)動機退化程度可用單參數進行描述。在地面條件下退化程度與最大安全推力的對應關系如圖6所示。

圖6 在地面狀態(tài)下的最大安全推力

進一步將推力設定邏輯向全包線拓展，易知最大安全推力由退化程度、飛行高度和馬赫數共同決定。飛行包線內的最大安全推力如圖7所示。

圖7 飛行包線內的最大安全推力

2.3 轉速修正器的設計

轉速修正器根據設定推力與實際推力間的偏差對低壓轉子轉速指令進行修正，使發(fā)動機推力趨向于設定推力，維持PLA與推力的對應關系近似不變。本文參考多級串行控制器設計原理，選用PID作為轉速指令修正器的修正算法。

在智能改進控制架構中，轉速修正器與內環(huán)的極限保護器均通過調節(jié)低壓轉子轉速指令實現相應的控制功能：隨著退化程度的加深，渦輪前總溫及主燃燒室油氣比等參數將逐漸增大直至超出發(fā)動機所允許的物理限制，此時SFLC通過減小低壓轉子轉速指令使得參數重新回到安全的范圍內；在發(fā)動機參數不超限的前提下，轉速修正器通過增大低壓轉子轉速指令補償推力損失。當二者的修正作用沖突時應優(yōu)先確保發(fā)動機安全穩(wěn)定工作，故需設計合理的切換邏輯保證內外環(huán)控制器協調工作。當SFLC工作時，本文采取凍結轉速修正器輸出的方法實現內外環(huán)控制器的無擾切換。此外采用凍結而非重置的切換方式具有防止轉速指令突變，避免控制系統振蕩的好處。

3 控制系統仿真驗證

在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境下對EPDMC的可行性和有效性進行了驗證。為實現對發(fā)動機退化過程的準確模擬和快速仿真，需對退化的快慢程度進行合理地設定：退化的速率不宜設定過快，以避免發(fā)動機處于明顯的非穩(wěn)態(tài)狀態(tài)中；退化速率也不宜設定過慢，在滿足仿真精度的前提下，可以適當增加退化速率以縮短仿真時間，以便于觀察控制系統應對退化的補償效果。

應用EPDMC技術前、后的地面退化仿真曲線分別如圖8、9所示，仿真條件為：設定低壓轉子轉速指令nL=90%nL,d，初始時刻發(fā)動機為全健康狀態(tài)，5～15 s間壓氣機與渦輪的流量和效率因子發(fā)生線性退化，最終退化程度如圖8所示（0%、1%、3%、5%）。

圖8 地面不同退化程度下的發(fā)動機參數

圖9 應用EPDMC技術后的地面發(fā)動機退化參數

從圖8中可見，發(fā)動機退化導致推力大幅減小。隨著發(fā)動機退化程度的加深，油氣比逐漸超出極限值，極限保護器通過調整轉速指令降低供油量，避免發(fā)動機富油熄火，確保發(fā)動機安全穩(wěn)定工作。

從圖9中可見，在外環(huán)推力控制回路通過增大低壓轉子轉速補償性能衰退導致的推力損失。當退化程度較低時，推力可以迅速恢復至標稱推力，此時燃油流量和油氣比均高于圖8中的相應參數，但仍在限制范圍之內；但隨著退化程度的進一步加深，被保護參數逐漸超出極限值，推力無法在安全范圍內恢復至標稱值，此時系統凍結轉速指令修正器的輸出，SFLC通過降低低壓轉子轉速指令優(yōu)先確保發(fā)動機安全穩(wěn)定工作。

4 結論

對不同退化程度下的智能改進控制系統進行地面仿真測試，其仿真結果表明，采用EPDMC技術的智能改進控制架構能夠在保證發(fā)動機安全工作的前提下，通過合理地設定期望推力，有效地彌補因性能退化導致的推力損失，保證PLA與推力間的對應關系與全健康狀況下一致。

可從以下方面開展進一步研究：

（1）假設退化過程中旋轉部件的流量和效率因子均發(fā)生同等程度的退化，實際應用時應基于統計原理或性能衰退機理建立發(fā)動機旋轉部件的退化數學模型，以更好地模擬真實的退化過程。

（2）健康參數和推力需通過估值技術進行在線估計，但現有的估值方法在估值精度、工程實現性、計算量等方面有著不同的要求和限制，如何快速而準確地對參數進行估計仍是亟待解決的問題。

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（編輯：張寶玲）

Research on Performance Deterioration Mitigating Control of Turbofan Engine and Thrust Setting

LI Rui-chao，GUO Ying-qing
（School of Power and Energy,Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072,China）

In order to compensate thrust loss of a deterioration turbofan engine,reduce pilot workload and increase the level of autonomy of the propulsion system,an investigation of the turbofan engine performance deterioration mitigating control(EPDMC)was conducted. An engine control system was designed firstly based on an unnamed low-bypass mixed exhaust turbofan engine with steady state control, acceleration/deceleration schedules and limit logic.Then an outer thrust loop based on the control system was investigated,with thrust setting method under multi-parameter constraints and controller switching logic ensuring coordination between inner and outer loop.The simulation results of MATLAB/Simulink tools indicate that the feasibility of the intelligent retrofit control architecture compensate the thrust loss and remain the throttle-to-thrust relationship unchanged approximately.

EPDMC；performance deterioration；intelligent retrofit control；thrust setting；turbofan engine

V 233.7

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2015.02.003

2014-03-04 基金項目：航空科學基金（2011ZB53）資助

李睿超（1993），男，在讀博士研究生，研究方向為航空發(fā)動機控制與仿真；E-mail：herohere@mail.nwpu.edu.cn。

李睿超，郭迎清.渦扇發(fā)動機性能退化緩解控制與推力設定研究[J].航空發(fā)動機，2015，41（2）：12-16.LI Ruichao，GUOYingqing.Research on turbofan engine performance deterioration mitigatingcontrol and thrust setting[J].Aeroengine，2015，41（2）：12-16.