用控制饱和度管理控制涡轮发动机的方法和系统
阅读说明：本技术 用控制饱和度管理控制涡轮发动机的方法和系统 (Method and system for controlling a turbine engine with control saturation management ) 是由 蒂费纳·拉斯兰 克里斯托夫·马克·亚历山大·勒·布伦 西尔文·克莱蒙特 于 2020-03-18 设计创作，主要内容包括：一种用于根据涡轮发动机的第一、第二和第三控制量来控制涡轮发动机的第一、第二和第三变量的方法,所述第一、第二和第三控制量各自可以根据所述涡轮发动机的运行参数而饱和。该方法包括为三个控制量传递第一值的第一多变量校正(120)；根据最小值、最大值和由第一校正确定的值选择(130)要传递的第一控制量；为第二和第三控制量传递第二值的第二多变量校正(140)；以及在第一校正期间确定的值和在第二校正期间确定的值中选择(150)要传递的第二和第三控制量的值。(A method for controlling first, second and third variables of a turbine engine as a function of first, second and third control quantities of the turbine engine, each of which may be saturated as a function of an operating parameter of the turbine engine. The method comprises delivering a first multivariate correction of a first value for three control quantities (120); selecting (130) a first control quantity to be transferred according to the minimum value, the maximum value and the value determined by the first correction; a second multivariate correction (140) delivering second values for the second and third control quantities; and selecting (150) the values of the second and third control quantities to be transferred, among the values determined during the first correction and the values determined during the second correction.)
技术领域
本发明涉及用于涡轮发动机控制系统领域，特别是涡轮螺旋桨发动机或具有无涵道风扇(也称为无涵道单风扇或USF)的涡轮发动机。
背景技术
图1表示根据现有技术的具有无涵道风扇或无涵道风扇的涡轮发动机。如图1所示，无涵道风扇1，也称为开式转子，是一种飞机涡轮喷气发动机，其风扇2直接固定在动力涡轮机和机舱3外部，与涵道涡轮喷气发动机相比，允许增加发动机的涵道比，从而降低燃料消耗。
开式转子通常配备有气体发生器4和自由涡轮机5，该涡轮机5通过减速齿轮箱6驱动两个反向旋转的可变螺距螺旋桨7和8。
如图2所示，其示意性地表示用于控制开式转子1的系统，从命令的观点来看，开式转子1可以被认为是包括三个控制量和三个必须调节的输出量的多变量系统。开式转子1的三个控制量是燃料流量并记为WF，上游螺旋桨桨距，也称为上游设置角并记为β1，下游螺旋桨桨距，也称为下游设置角并记为β2。开式转子1的三个输出量是低压压缩机的转速并记为XNP，上游螺旋桨的转速并记为XN1，下游螺旋桨的转速并记为XN2。上游螺旋桨和下游螺旋桨的转速XN1和XN2被伺服控制越为由运行条件定义的几个速度级。
这种系统包括不同控制量和输出量之间的显著耦合。
如图2所示，控制系统9通常包括具有三个输入和三个输出的多变量调节器90，也表示为3×3多变量调节器，其本质上考虑了不同控制量和输出量之间的耦合。多变量调节器90允许在大多数情况下确保令人满意的去耦，以便能够彼此独立地改变开式转子1的输出量XNP、XN1和XN2。
多变量调节器90接收开式转子1的三个输出量XNP、XN1和XN2的值以及三个对应的输出量设定值XNPdmd、XN1dmd和XN2dmd作为输入。
然而，为了遵守涡轮发动机的运行约束，计算出的燃料流速指令WF在某些情况下可能是饱和的或不被考虑。确实存在实时计算的最小和最大停止值，以保护电机在瞬态阶段免受泵送。这种饱和可以由限制器95独立于其他命令来实现。
同样，上游和下游设定角也可以使用其他限制器来饱和，而与燃料流量命令无关。由于每个限制器独立于另一个命令作用于一个命令，因此应用的命令不再相互一致。
此外，针对超速、超温、超压等的不同保护回路也在燃料流量设定值的发展水平上展开竞争。
这些情况给解耦带来了问题。实际上，来自3x3多变量校正器的命令被计算为彼此一致，以抵消相互作用并确保输出的解耦。
如果更改命令值，则不再确保解耦，这通常会导致超出调节的输出。
例如，为了简化，如果假设2x2多变量调节器，即具有2个控制输入和两个要调节的输出变量，如果在第一输入饱和时第二控制输入未修改，则由两个初始控制向量形成的结果控制向量的方向，两个初始控制向量的每个与控制输入中一个相对应，会受到直接影响并出错。
已提出解决方案，以克服限制器饱和命令的失同步。一种解决方案是增加额外的状态，如温度、压力或高度，以便在制定控制律时考虑到运行约束。第一种解决方案实现起来很复杂。
另一种解决方案是重新计算不受饱和影响的命令，以使其与饱和命令兼容。第二种解决方案实施起来很复杂，其复杂性随着输入/输出的数量而增加。
文件FR3055029特别公开了一种用于通过命令饱和管理控制涡轮螺旋桨发动机的系统，该系统计算允许的最大伺服控制误差以避免命令饱和。系统实现的方法依赖于校正器的反向传输，而校正器不能用于所有涡轮发动机。
因此，现有技术中用于克服由限制器饱和的命令的去同步的解决方案并不令人满意。
发明内容
本发明的目的是提出一种控制涡轮发动机的方法和系统，使得能够以简单的方式合成一致的命令并满足涡轮螺旋桨发动机的运行约束。
根据本发明的第一方面，提出了一种用于根据涡轮发动机的第一、第二和第三控制量来控制涡轮发动机的第一、第二和第三变量的方法，所述第一、第二和第三控制量各自可以根据涡轮发动机的运行参数而饱和，所述控制方法包括：
测量涡轮发动机的三个变量的值，
对于收到的所述三个变量中的每一个，接收相应的设定值，
第一确定，其中根据三个变量的值和所述三个相应的设定值确定涡轮发动机的三个控制量的第一值，
在第一控制量的最大值、第一控制量的最小值和由所述第一确定产生的第一控制量的值中选择要传递给涡轮发动机的第一控制量的值，第一选择取决于涡轮发动机的运行参数，
第二确定，其中根据三个变量的值、第二和第三相应的设定值以及在第一选择期间选择的第一控制量的值确定涡轮发动机的第二和第三控制量的第二值，
在第一校正器确定的一对第二和第三控制量与第二校正器确定的一对第二和第三控制量之间，选择要传递给涡轮发动机的第二和第三控制量的值，要传递的第二和第三控制量的一对值的选择取决于要传递的第一选择控制量的值，以及
将选择的第一控制量的值和选择的第二和第三控制量的值传输给涡轮发动机。
因此，根据本发明的控制方法可以以简单有效的方式保证输出量的解耦，也就是涡轮发动机的三个变量的解耦，尽管其中一个控制量如燃料流量的管理很复杂。
在控制方法的第一方面，该方法可以进一步包括对所选择的第一控制量的值和所选择的第二和第三控制量的值在传输给涡轮发动机之前进行整合。
这些值的整合允许管理环路之间的平滑过渡，无论是在第一控制量的水平上，如燃料流速，还是在第二和第三控制量的水平上，如叶片的设置角度。
在控制方法的第二方面，第一变量对应于涡轮发动机的低压压缩机的转速，第二变量对应于涡轮发动机的上游螺旋桨的转速，第三变量对应于涡轮发动机的下游螺旋桨的转速，第一控制量对应于涡轮发动机的燃料流量，第二控制量对应于涡轮发动机的上游螺旋桨的螺距，第三控制量对应于涡轮发动机的下游螺旋桨的螺距。
在本发明的另一个目的中，提出了一种用于根据涡轮发动机的第一、第二和第三控制量来控制涡轮发动机的第一、第二和第三变量的系统，所述第一、第二和第三控制量各自可以根据涡轮发动机的运行参数而饱和，所述控制系统包括：
第一校正器，具有三个输出，接收涡轮发动机的三个变量的值以及，对于所接收的三个变量中的每一个，相应设定值作为输入，所述第一校正器的三个输出对应于涡轮发动机的三个控制量，
第一选择单元，其被配置为根据涡轮发动机的运行参数在第一控制量的最大值、第一控制量的最小值和由所述第一确定产生的第一控制量的值中选择要传递给涡轮发动机的第一控制量的值，
第二校正器，具有两个输出，接收涡轮发动机的三个变量的值、第二变量的设定值、第三变量的设定值以及第一饱和装置传递的第一控制量的值作为输入，第二校正器的两个输出对应于涡轮发动机的第二和第三控制量，以及
第二选择单元，其被配置为基于所述第一选择单元的选择，输出由所述第一校正器确定的一对第二和第三控制量，或由所述第二校正器确定的一对第二和第三控制量，
控制系统输出由第一饱和单元传递的第一控制量的值以及由第二饱和单元传递的第二和第三控制量的值，以控制涡轮发动机。
因此，建议的解决方案包括，除了具有三个输出的第一多变量校正器外，还实施第二多变量校正器以通过使用所选择的第一控制量的信息，例如所选择的燃料流量以计算两个控制量，例如允许保持方向性的设置角。
第二校正器允许根据另一个控制量(本例中为第一控制量)的值，通过两个控制量(第二和第三控制量)管理两个变量。换句话说，在特定情况下，第二校正器允许通过作用于设定角来管理螺旋桨的转速，同时考虑到关于燃油流速和低压体转速的信息。
两个校正器并行运行，并且选择逻辑允许基于应用到第一控制量的选择逻辑使用任一设置设定值，第一控制量可以例如通过由第一选择单元计算的指示值来指示。
这种架构可用于需要多变量监控的任何应用，具有对控制量(例如燃料流量)进行饱和管理，特别是涡轮螺旋桨发动机、具有无涵道风扇的涡轮发动机。
在控制系统的第一方面，控制系统还可以包括积分器，该积分器接收由第一饱和单元传递的第一控制量的值以及由第二饱和单元传递的第二和第三控制量的值作为输入，并将处理后的第一、第二和第三控制量的值提供给涡轮发动机。
共同且唯一的积分器设置在第一和第二选择单元的下游。第一和第二校正器因此计算控制增量，控制增量可以限制为考虑不同的约束(例如，C/P停止)。该积分器将最终保留的燃油增量值加到当前燃油指令中。
在本发明的另一目的中，提出一种飞行器，其包括至少一个涡轮发动机和至少一个如上所定义的控制所述至少一个涡轮发动机中的至少一个的控制系统。
根据飞行器的一个方面，由所述至少一个控制系统控制的所述至少一个涡轮发动机中的至少一个可以是具有无涵道风扇的涡轮发动机。
附图说明
图1，如上所述，表示根据现有技术的具有无涵道风扇的涡轮发动机。
图2，如上所述，示意性地表示了根据用于图1的无涵道风扇的现有技术的控制系统。
图3，示意性地表示根据本发明的一个实施方式的用于控制涡轮发动机的系统。
图4，表示根据本发明的一种实施方式的一个模型用于控制涡轮发动机的方法的流程图。
具体实施方式
图3示意性地表示根据本发明的一个实施方式的用于控制涡轮发动机的系统10。由根据本发明的控制系统10控制的涡轮发动机可以是具有无涵道风扇的涡轮发动机1，例如图2中所述的涡轮发动机。
控制系统10包括第一校正器11、第二校正器12、第一选择单元13、第二选择单元14和积分器15。
第一校正器11包括三个输出，为三个控制量中的每一个传递第一值。第一控制量对应于开式转子1的燃油流量WF，第二控制量对应于开式转子1的上游螺旋桨的螺距β1，第三控制量对应于开式转子1的下游螺旋桨的螺距β2。
第一校正器11接收开式转子1的三个变量的值作为输入，第一变量对应于开式转子1的低压压缩机的转速XNP，第二变量对应于开式转子1的上游螺旋桨的转速XN1，第三变量对应于开式转子1的下游螺旋桨的转速XN2。第一校正器11还接收低压压缩机的转速设定值XNPdmd、上游螺旋桨的转速设定值XN1dmd和下游螺旋桨的转速设定值XN2dmd作为输入。
第一选择单元13接收由第一校正器11确定的燃料流量WF的值、第一控制量的最大值WFmax和第一控制量的最小值WFmin作为输入。
第一选择单元13被配置为根据开式转子1的运行参数输出三个前面的值WF、WFmax或WFmin中的一个。从第一选择单元13输出的值对应于要传递到开式转子1的第一控制量WF的值。
第二校正器12包括两个输出，为第二和第三控制量β1和β2传递第二值。与第一校正器11一样，第二校正器12接收由相应传感器测量的开式转子1的三个输出变量的值作为输入，即低压压缩机的转速XNP，上游螺旋桨的转速XN1和下游螺旋桨的转速XN2。第二校正器12还接收上游螺旋桨的转速设定值XN1dmd和下游螺旋桨的转速设定值XN2dmd作为输入，但不接收低压压缩机的转速设定值XNPdmd。第二校正器12还接收从第一选择单元13输出的燃油流速的值作为输入。
第二校正器12被配置为根据特别是为第一控制量选择的值(即这里的燃料流速WF)确定开式转子1的第二和第三控制量β1和β2中的每一个的第二值。
第二选择单元14接收两对值和指示值作为输入。接收到的第一对值对应于包括第二控制量β1的第一值和第三控制量β2的第一值的一对值，并且接收到的第二对值包括第二控制量β1的第二值和第三控制量β2的第二值。由选择单元14接收的指示值对应于由第一选择单元13传递，并且指示已经选择了第一控制量WF的三个值中的那一个的指示值。
第二选择单元14被配置为根据由第一选择单元传递的指示值输出所选择的第二和第三控制量的一对值。因此，第二选择单元14输出由第一校正器11确定的第二和第三控制量的一对第一值，或由第二校正器12确定的第二和第三控制量的一对第二值，该选择取决于由第一选择单元13选择的第一控制量的值。从第二选择单元14输出的值对应于要传递到开式转子1的第二和第三控制量β1和β2的值。
在被传递给开式转子1之前，由第一选择单元13选择的第一控制量WF的值以及由第二选择单元14选择的第二和第三控制量β1和β2的值被传递给积分器15以避免开式转子1的指令中的抖动。积分器15随后将如此处理的第一、第二和第三控制量的值传递给开式转子1。
图4示出了由控制系统10实施的控制方法的流程图。
根据图4所示的实施方式的模型，控制方法包括第一步骤100，在该步骤中，开式转子1的三个变量XNP、XN1和XN2的值由不同的专用传感器测量并传递给第一校正器11和第二校正器12。
在接下来的步骤110中，接收开放式转子1的三个变量中每个变量的设定值。更具体地说，在该步骤110中，第一校正器11接收低压压缩机的转速设定值XNPdmd、上游螺旋桨的转速设定值XN1dmd和下游螺旋桨的转速设定值XN2dmd，而第二校正器12接收上游螺旋桨的转速设定值XN1dmd和下游螺旋桨的转速设定值XN2dmd。
在下一步骤120中，根据三个变量XNP、XN1和XN2的值以及三个相应的设定点XNPdmd、XN1dmd和XN2dmd确定开式转子1的三个控制量的第一值。
在接下来的步骤130中，在第一控制量的最大值、第一控制量的最小值和由前一步骤120中确定产生的第一控制量的值中选择要传递给开式转子1的第一控制量的值，该选择取决于开式转子1的运行参数。
在接下来的步骤140中，根据三个变量XNP、XN1和XN2的值，根据第二和第三对应设定值XN1dmd和XN2dmd，以及根据在先前步骤130中的第一选择期间选择的第一控制量WF的值，确定开式转子1的第二和第三控制量的第二值。
在接下来的步骤150中，在步骤120中确定的一对第二和第三控制量与步骤140中确定的一对第二和第三控制量之间，选择要传递给开式转子1的第二和第三控制量的一对值，要传递的第二和第三控制量的一对值的选择取决于在步骤130中选择的要传递的第一控制量的值。
在接下来的步骤160中，在步骤130和步骤150中使用积分器对所选择的每个值进行积分，然后在接下来的步骤170中，将第一、第二和第三控制量的积分值传输给开式转子1。
因此，根据本发明的控制方法可以以简单有效的方式保证输出量的解耦，也就是涡轮发动机的三个变量的解耦，尽管其中一个控制量如燃料流量的管理很复杂。
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