航空发动机控制系统建模及传感器故障影响研究

发布时间：2020-11-15 04:11

　　 航空发动机控制系统是由航空发动机、控制器、执行机构和传感器组成。传感器是故障多发部件之一,其信号的正常与否将直接影响发动机控制系统的正常工作。适航规章CCAR33.28发动机控制系统条款中也对航空发动机控制系统的安全性做出了明确规定,发动机控制系统部件的单点失效不会导致危害性后果。为了研究传感器故障对发动机性能参数的定量影响,本文以发动机部件级模型和控制器组成的控制系统为依据,提供了一种以模型为支撑的传感器故障仿真分析方法,研究成果可为发动机控制系统的初期安全评估以及控制系统的适航审定提供指导和参考。本文的主要研究内容分为以下三个部分:第一,建立PWX4056型航空发动机的部件级模型并对模型进行验证。本文在Matlab/Simulink软件中采用部件法建立航空发动机整机的模型。利用牛顿拉夫逊法求解由功率平衡和流量平衡构成的发动机稳态共同工作方程组,在发动机的设计点对稳态模型进行验证。利用流量平衡法建立发动机的动态模型,选用欧拉法求解发动机转子动力学方程,并对发动机动态模型进行验证。建立的发动机部件级模型为后续控制器的设计以及传感器故障影响的定量分析提供仿真基础。第二,对发动机稳定状态控制器参数和加速状态控制器参数进行设计。在发动机部件级模型的基础上,利用试凑法设计增量式PID控制器参数,并分别在发动机慢车状态、最大推力状态及中间的状态设计控制器参数。根据发动机加速过程中的限制值制定加速计划,将稳定状态控制器和加速计划通过传统的Min选择逻辑进行连接,实现加速状态控制。由航空发动机稳定状态控制器和加速状态控制器组成的控制系统,为传感器故障仿真分析提供依据。第三,分析传感器故障对发动机工作状态的影响。模拟压力传感器恒偏差故障,将压力传感器恒偏差故障注入到发动机的控制系统,分别在发动机稳定状态和加速状态进行传感器恒偏差故障影响的仿真分析。传感器恒偏差故障对发动机性能参数的影响结果可为发动机控制系统的初期安全评估以及适航审定工作提供支持和参考。
【学位单位】：中国民航大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V263.6
【部分图文】：

中国民航大学硕士学位论文Electronic Control）控制。1950 年以前，早期的控制系统也多为简单的机械液压式，发动机控制器计算主要利用齿轮系、联动装置和凸轮等实现，如美国 GE 公司制造出第一台喷气式发动机 GE I-A，GE I-A 的控制系统是液压式调节器，它所计量的进入发动机的燃油流量与期望的涡轮转速和实际的涡轮转速的偏差成正比。这个系统表示了一个单轴发动机控制系统最基本的功能，包括了燃油计量、超速保护、熄火保护和超温保护装置。相比之下，现代喷气发动机由 FADEC 来控制的，它能够利用无约束操作的油门杆的变化来设定发动机功率，可以控制更多的参数，比较容易实现复杂的控制算法，航空发动机因其全权限数字式电子控制的出现而获得更高的控制精度和工作效率。航空发动机控制系统的发展的阶段简图可用图 1.1 表示，总结为机械液压式控制、模拟电子控制和数字化电子控制发展阶段[29]。

采用欧拉法求解发动机动态模型并对动态模型进行验证。2.1 航空发动机建模假设及建模流程研究传感器故障对发动机工作情况影响的前提是建立合适准确的发动机模型，建立发动机模型的方法包括解析法和试验法[53]。解析法因其在建立发动机模型精度方面较高而被国内外普遍采用。本章以 PWX4056 型航空发动机为例，按照部件顺序，采用解析法建立发动机整机非线性气动热力学模型。2.1.1 航空发动机模型的假设PWX4056 型航空发动机是大涵道比涡扇发动机，其中组成的部件分别为进气道、低压压气机（风扇，增压级）、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮和尾喷管[54]。结构简图如图 2.1 所示。

由于航空发动机的部件特性数据是发动机制造商的保密数据[57]，本文针对航空发动机部件法建模所采用的部件特性数据是由荷兰 GSP 航空发动机仿真软件采用比例因子经缩放后获得，只适用于 PWX4056 型航空发动机。2.1.2 航空发动机的建模流程发动机的每个部件模型都是一个单独的模块并且包括若干的输入和输出参数，不考虑部件内部参数的变化。各个部件模型通过一组共同工作方程组成发动机模型，其中各个部件模型按照它们之间的输入或者输出关系连接起来。2.1.3.1 进气道发动机内气体流经的第一个部件就是进气道，它的功用是向发动机提供流量匹配的高质量气流，使气流以最小的流动损失顺利的进入发动机，为之后的增压部件提供气流稳定的工作环境，图 2.2 为进气道部件模型。
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本文编号：2884323