輔助動(dòng)力裝置起動(dòng)加速燃油流量控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于航空動(dòng)力控制領(lǐng)域，設(shè)及一種輔助動(dòng)力裝置(APU)控制方法，適用于 APU起動(dòng)階段從成功點(diǎn)著火開始到轉(zhuǎn)速達(dá)到起動(dòng)-穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速切換點(diǎn)期間的燃油流量控制。
【背景技術(shù)】
[0002] 輔助動(dòng)力裝置(APU)是一種小型的燃?xì)鉂M輪發(fā)動(dòng)機(jī)，主要用于為飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)的 起動(dòng)及環(huán)控系統(tǒng)提供引氣，并可通過附件齒輪箱為飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)提供軸功率。當(dāng)飛機(jī)在地 面時(shí)，APU可替代笨重的氣源車和電源車;在飛機(jī)起飛過程中，主發(fā)動(dòng)機(jī)的功率可全部用于 加速爬升，W改善飛機(jī)起飛性能；飛機(jī)著陸后，主發(fā)動(dòng)機(jī)可及時(shí)關(guān)閉，W節(jié)省燃油和降低機(jī) 場(chǎng)噪音。因此，現(xiàn)代大中型飛機(jī)全都配備有APU。
[0003] APU控制中的一項(xiàng)重要功能是燃油流量控制;通過控制燃油流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)APU轉(zhuǎn)速 的控制。APU轉(zhuǎn)速控制可分為W下幾個(gè)階段：當(dāng)控制器接收到起動(dòng)指令后，首先開啟起動(dòng)機(jī) (如給起動(dòng)電機(jī)加電），由起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)APU;當(dāng)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(shí)，開始供油點(diǎn)火；點(diǎn)火成功后， 在起動(dòng)機(jī)和油氣混合物燃燒所產(chǎn)生的高溫、高壓燃?xì)獾尿?qū)動(dòng)下，APU進(jìn)一步加速；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá) 到一定口限時(shí)，關(guān)斷起動(dòng)機(jī)、讓APU維持自立運(yùn)轉(zhuǎn)，并繼續(xù)將自己加速到起動(dòng)-穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速切換 點(diǎn)(如95%);此后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)控制階段，APU可向外提供引氣或軸功率。
[0004] 其中，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段之前的起動(dòng)加速燃油流量控制是APU燃油控制中的一個(gè)重要 環(huán)節(jié)。作為一種過渡過程控制，起動(dòng)加速控制既要保證在盡可能短的時(shí)間內(nèi)將APU加速到預(yù) 定轉(zhuǎn)速，又要防止因排氣溫度過高而影響APU的使用壽命、甚至導(dǎo)致APU本體損壞。另外，APU 起動(dòng)既可能在地面，也可能在空中，使得系統(tǒng)工作環(huán)境復(fù)雜多變。因此，控制的技術(shù)難度非 常大。
[000引本發(fā)明針對(duì)的是從點(diǎn)火成功后到APU進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段前的加速過程燃油控制。傳統(tǒng) 的加速燃油控制方法可分為W下Ξ種。一種是根據(jù)預(yù)定的加速計(jì)劃（即加速曲線)確定燃油 流量期望值;為了防止APU超溫，又設(shè)置一條超溫保護(hù)線，當(dāng)排氣溫度超過該保護(hù)線時(shí)觸發(fā) 停車。另一種方法是根據(jù)APU可承受的溫度應(yīng)力，確定一條"理想的"排氣溫度曲線，通過控 制燃油流量，使得排氣溫度沿該曲線變化(也有超溫保護(hù)）。運(yùn)兩種方法分別側(cè)重"加速計(jì) 劃"和"溫度限制"兩個(gè)目標(biāo)中的一個(gè)，前者是單純的轉(zhuǎn)速閉環(huán)，后者則是單純的溫度閉環(huán)。 第Ξ種方法是將二者結(jié)合，即分別根據(jù)加速曲線和溫度曲線計(jì)算兩個(gè)燃油流量期望值，再 取其中的較小者。運(yùn)些方法均難W既保證APU的安全性及使用壽命，又充分發(fā)揮APU的功能 和性能。另外，傳統(tǒng)方法大都采用基于增益調(diào)度的比例-積分-微分(PID)或比例-積分(PI) 控制算法，算法中需要整定的參數(shù)較多，當(dāng)參數(shù)整定不良時(shí)系統(tǒng)的控制品質(zhì)W及對(duì)環(huán)境的 適應(yīng)性便難W保證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為克服傳統(tǒng)的APU起動(dòng)加速燃油流量控制方法不能很好地兼顧"加速計(jì)劃"和"排 氣溫度限制"兩種目標(biāo)W及控制律參數(shù)多、環(huán)境適應(yīng)性差的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種新的APU 起動(dòng)加速燃油流量控制方法，W便在保證APU安全性和使用壽命的前提下，獲得最佳的起動(dòng) 加速性能，同時(shí)提高系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0008] 一種輔助動(dòng)力裝置起動(dòng)加速燃油流量控制方法，包括如下處理步驟：
[0009] 1.1)根據(jù)預(yù)定的加速曲線，計(jì)算燃油流量的期望值；
[0010] 1.2)根據(jù)排氣溫度是否超過預(yù)定的警戒線W及超過的程度，計(jì)算對(duì)燃油流量期望 值的修正值；
[0011] 1.3)根據(jù)燃油流量的期望值和修正值，計(jì)算燃油流量命令值；
[0012] 1.4)若排氣溫度未超過預(yù)定的禁止線，則采用計(jì)算出的燃油流量命令值，否則將 燃油流量命令值強(qiáng)置為0并觸發(fā)保護(hù)性停車；
[0013] 所述警戒線和禁止線主要由被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及使用工況確定，其中禁止線高 于警戒線。
[0014] W上步驟1.1)在利用加速計(jì)劃計(jì)算燃油流量期望值時(shí)，采用一種"步步為營"式的 比例控制，即燃油流量期望值等于一個(gè)基礎(chǔ)值與轉(zhuǎn)速偏差比例控制量之和。
[001引上述"步步為營"式的比例控制中，在APU剛點(diǎn)著火、或AP切日速緩慢、或上一周期發(fā) 生過因排氣溫度超警戒修正時(shí)，對(duì)所述基礎(chǔ)值進(jìn)行重置，否則保持原基礎(chǔ)值不變。
[0016] 上述基礎(chǔ)值進(jìn)行重置具體是令基礎(chǔ)值等于上一周期的未經(jīng)修正的燃油流量期望 值。
[0017] 上述"步步為營"式的比例控制中，轉(zhuǎn)速偏差比例控制量的計(jì)算具體包括W下步 驟：
[0018] 5.1)由當(dāng)前的APU轉(zhuǎn)速、進(jìn)口壓力W及預(yù)定的加速曲線，確定參考加速度，即期望 的轉(zhuǎn)速增量；
[0019 ] 5.2)通過對(duì)參考加速度進(jìn)行有選擇地積分，計(jì)算參考轉(zhuǎn)速；
[0020] 5.3)根據(jù)參考轉(zhuǎn)速和APU實(shí)際轉(zhuǎn)速，計(jì)算轉(zhuǎn)速偏差；
[0021] 5.4)根據(jù)轉(zhuǎn)速偏差，計(jì)算比例控制量。
[0022] W上步驟5.2)中計(jì)算參考轉(zhuǎn)速的具體邏輯是：
[0023] 當(dāng)APU剛點(diǎn)著火、或APU加速緩慢、或上一周期發(fā)生過因排氣溫度超警戒修正時(shí)，令 參考轉(zhuǎn)速等于APU實(shí)際轉(zhuǎn)速;否則，當(dāng)上一周期計(jì)算出的燃油流量期望值不超過預(yù)定的最大 加速燃油流量時(shí)，將參考加速度累加到上一周期的參考轉(zhuǎn)速上，得到本周期的參考轉(zhuǎn)速，否 則保持上一周期的參考轉(zhuǎn)速。
[0024] W上步驟1.1)在計(jì)算出燃油流量期望值之后，還要進(jìn)行限幅處理，使其處于最大 加速燃油流量和最小加速燃油流量之間。
[0025] W上步驟1.2)中，燃油流量修正值的計(jì)算步驟包括：
[0026] 8.1)根據(jù)預(yù)定的警戒線、當(dāng)前的APU轉(zhuǎn)速及環(huán)境條件，確定對(duì)應(yīng)的排氣溫度警戒 值；
[0027] 8.2)計(jì)算實(shí)際排氣溫度與排氣溫度警戒值之差，得到排氣溫度超警戒的幅度；
[0028] 8.3)利用一個(gè)超前校正環(huán)節(jié)，對(duì)排氣溫度超警戒幅度進(jìn)行校正；
[0029] 8.4)對(duì)校正之后的排氣溫度超警戒的幅度進(jìn)行比例-積分運(yùn)算；
[0030] 8.5)對(duì)比例-積分運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行下限幅，當(dāng)結(jié)果小于加寸強(qiáng)置為0;
[0031 ]所述步驟1.3)根據(jù)燃油流量的期望值及修正值計(jì)算燃油流量命令值的方法是，用 燃油流量期望值減去修正值。
[0032] W上步驟1.3)在計(jì)算出燃油流量命令值之后，還要再利用一個(gè)最小燃油流量對(duì)其 進(jìn)行下限幅。
[0033] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有W下技術(shù)效果：
[0034] 傳統(tǒng)的輔助動(dòng)力裝置起動(dòng)加速燃油流量控制方法，要么基于加速曲線，要么基于 排氣溫度曲線，要么利用"取小邏輯"將二者簡(jiǎn)單地結(jié)合，難W獲得理想的控制效果。另外， 傳統(tǒng)方法一般采用常規(guī)PID或PI調(diào)節(jié)，增益參數(shù)本來就較多，而為了適應(yīng)轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)范圍寬W 及能在各種環(huán)境條件下起動(dòng)，通常還采用增益調(diào)度（即不同情況下用不同的增益參數(shù)），進(jìn) 一步增加了控制律的復(fù)雜性和參數(shù)整定的難度，很容易因參數(shù)整定不良而導(dǎo)致系統(tǒng)的環(huán)境 適應(yīng)性差。
[0035] 本發(fā)明通過將"加速計(jì)劃"和"排氣溫度限制"有機(jī)結(jié)合，W加速計(jì)劃為基本目標(biāo)， 只要排氣溫度不超限，就嚴(yán)格跟蹤加速曲線。對(duì)于排氣溫度，設(shè)置兩條限制線，僅當(dāng)超過禁 止線(紅線）時(shí)才觸發(fā)保護(hù)性停車，超越警戒線(黃線）時(shí)只通過負(fù)向修正減小燃油流量，而 不必停車。其優(yōu)點(diǎn)是兼顧了起動(dòng)的快速性和安全性，既能保證最佳的起動(dòng)加速性能，又可保 證APU的安全性和使用壽命，大大提高了 APU的可用性和派遣率。同時(shí)，本發(fā)明通過一種步步 為營式的比例控制（即一個(gè)可重置的基礎(chǔ)值外加比例調(diào)節(jié)），將原本動(dòng)態(tài)范圍很寬的起動(dòng)加 速過程(對(duì)應(yīng)的APU轉(zhuǎn)速范圍大約從10%到95%)轉(zhuǎn)化為在一個(gè)個(gè)"基礎(chǔ)值"附近做微小調(diào)節(jié) 的"小偏差"控制過程，從而使控制更容易、系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)。
【附圖說明】
[0036] 圖1為傳統(tǒng)的基于加速曲線的APU起動(dòng)加速燃油流量控制方法示意圖；
[0037] 圖2為傳統(tǒng)的基于排氣溫度曲線的APU起動(dòng)加速燃油流量控制方法示意圖；
[0038] 圖3為傳統(tǒng)的用取小邏輯將加速曲線和排氣溫度曲線結(jié)合的APU起動(dòng)加速燃油流 量控制方法示意圖；
[0039] 圖4為本發(fā)明的APU起動(dòng)加速燃油流量控制方法示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 本發(fā)明的APU起動(dòng)加速燃油流量控制方法，主要有W下特點(diǎn)：
[0041] 1根據(jù)APU的使用需求和設(shè)計(jì)指標(biāo)，確定一條滿足APU起動(dòng)時(shí)限要求的加速曲線;再 根據(jù)APU的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用工況，確定兩條排氣溫度限制線，一條為警戒線(黃線），一條為 禁止線(紅線），其中紅線位置高于黃線。
[0042] 2W加速曲線為基本控制目標(biāo)，計(jì)算燃油流量期望值。排氣溫度限制線作為約束條 件，只要排氣溫度未超越任一條限制線，就直接W加速曲線計(jì)算出的燃油流量期望值作為 燃油流量命令值。如果排氣溫度超過紅線，則將燃油流量命令值強(qiáng)置為0并觸發(fā)保護(hù)性停 車。若排氣溫度只超過黃線，則不必停車，但根據(jù)超過的程度計(jì)算一個(gè)修正值，W此對(duì)燃油 流量期望值進(jìn)行"負(fù)向"修正，W減小燃油流量。
[0043] 討良據(jù)加速曲線計(jì)算燃油流量時(shí)，采用一種步步為營式的比例控制，其燃油流量期 望值由一個(gè)"基礎(chǔ)值"和一個(gè)轉(zhuǎn)速偏差的"比例控制量"兩部分組成。比例控制W基礎(chǔ)值為基 點(diǎn)(或偏置），實(shí)施小范圍調(diào)節(jié)?；A(chǔ)值通常固定不變，在特定條件下可w被重置。
[0044] 4確定燃油流量"基礎(chǔ)值"的邏輯是：當(dāng)"APU剛點(diǎn)著火（即，起動(dòng)方式發(fā)生變化，由起 動(dòng)機(jī)單獨(dú)帶轉(zhuǎn)變?yōu)橛善饎?dòng)機(jī)和APU共同帶轉(zhuǎn)?；?APU加速緩慢（即，有起動(dòng)懸掛跡象?；?"上一周期發(fā)生過因排氣溫度超警戒修正（即，有起動(dòng)過熱跡象Γ時(shí)，對(duì)燃油流量基礎(chǔ)值進(jìn) 行"重置"，否則保持舊值。
[004引5"重置"燃油流量基礎(chǔ)值的方法是:令其等于上一周期的未經(jīng)修正的燃油流量期 望值(即，將舊的燃油流量期望值凍結(jié)，作為新的基礎(chǔ)值）。
[0046] 6轉(zhuǎn)速偏差的"比例控制量"，按照如下方法計(jì)算：
[0047] 6.1)根據(jù)當(dāng)前的APU轉(zhuǎn)速、進(jìn)口壓力和預(yù)定的加速曲線，確定參考加速度；
[0048] 6.2)對(duì)參考加速度進(jìn)行"有選擇性的積分"，得到參考轉(zhuǎn)速；
[0049] 6.3)根據(jù)參考轉(zhuǎn)速和APU實(shí)際轉(zhuǎn)速，計(jì)算轉(zhuǎn)速偏差；
[0050] 6.4)根據(jù)轉(zhuǎn)速偏差，計(jì)算比例控制量。
[0051] 7通過"選擇性積分"計(jì)算參考轉(zhuǎn)速的方法是:若(APU剛點(diǎn)著火)或(APU加速緩慢） 或(上一周期發(fā)生過因排氣溫度超警戒修正），則令參考轉(zhuǎn)速等于APU實(shí)際轉(zhuǎn)速（目的使轉(zhuǎn)速 偏差為0,從而本周期的比例控制量為0,因?yàn)榛A(chǔ)值已被重置），否則，當(dāng)上一周期計(jì)算出的 燃油流量期望值不超過由當(dāng)前APU轉(zhuǎn)速、進(jìn)口壓力和進(jìn)口溫度確定的"最大燃油流量(也可 稱最大加速燃油流量Γ