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燃气轮机使用NARMAX结构的整体非线性建模
燃气轮机使用NARMAX结构的整体非线性建模
本文探讨了燃气轮机使用NARMAX技术的整体的非线性模型。首先,研究了用小信号数据估计的线性模型,确定了整体非线性模型的条件。然后,在时间和频率范围内执行发动机非线性特征的非参数分析。线性建模和非线性分析得到的信息被用来限制非线性建模的研究空间。用大信号数据确定了非线性模型,与线性模型相比较说明了它的优越性能。本文阐述了如何结合周期性实验信号、频率范围分析和识别技术、时间域NARMAX建模来增强飞行器燃气轮机的建模。
简介
燃气涡轮最初是设计用来做飞行器动力装置的,但现在广泛应用于航空,航海和工业设备。随着工业设备的广泛和快速发展,发动机的建模是一个很重要的过程。
在发动机整个寿命过程中,发动机的发展和运转都需要对燃气轮机进行建模。设计控制系统能帮助建模,一旦确定模型和发动机的真实数据相匹配,对模型参数的物理解释也就能的得出来了。这样就能检验对发动机特性的最初设想。
这篇论文说明的是燃油流量与航空燃气涡轮动力轴转度之间的关系。轴的转速是燃气轮机的一个重要输出量,根据轴的转速,能计算出燃气轮机的内压和推力。现代燃气轮机一般有两根传动轴,一根是用来连接高压压气机和高压涡轮的,另一根是用来连接低压压气机和低压涡轮的。文章中提到的罗尔斯罗伊斯公司斯贝MK202发动机就是这样的一种双轴发动机。尽管这款发动机已不再使用,但斯贝与类似于使用于欧洲战机的EJ200发动机有相同的特性。
Evans最近研究发动机的主要工作就是通过用小振幅信号和用频域技术来确定高精度 的线性模型。对于这些小信号模型,我们认为由噪音和非线性所引起的误差非常小,并且研究结果也发现误差确实很小。此技术也被用来评估模型在不同工作点时的工作状况。在DERA中,以海平面静态为条件收集数据。在振幅达到稳定状态燃油流量的±10%时使用多重正弦和IRMLBS(±10%Wf)。
然而,所有物理系统都或多或少不是线性的,这就要求用一个更完整的非线性模型来描述燃气轮。Rodriguez使用多目标基因编程方法处理相同的数据,分配重点给不同的目标来评估在NARMAX发动机模型中的重要性。高振幅信号用来确定被估计模型,例如三角波信号和输入振幅达到±40%Wf的三级周期信号。这些引起高压压气机的轴转速在65%到85%的最大值之间变化。
本文回顾了以前评估的线性模型,讨论了他们的性能。线性模型的工作点变化清楚的显示了整体非线性模型的需求。使用发动机数据的非线性分析发现了这个非线性特性的存在。通过这个分析得到的内容作为先验的限制了考虑中的非线性模型的研究空间。讨论了高压压气机轴动态性能的NARMAX模型的评估。最后,比较线性和非线性模型的性能。
线性建模
使用频率范围技术来评估小信号线性模型,这种方法有很多明显的好处。首先,被测燃油流量是带噪和带限的,这与频率范围方法的基本假设相匹配。另外,发动机有一个未知的燃烧延迟,它作为一个频率范围估计的估测参数包括在内。最终,S平面模型在频率范围ine直接估计,并与发动机的线性热力学模型相比较。因此,物理解释可由模型的极值点、零点和被估时间延迟组成。
在频率范围内的基本的输入输出关系是:
H( jω)是频率响应函数,Y( jω)和U( jω)是傅里叶变化的输入输出信号。在频率ωk离散测试中,周期信号的使用允许作为输入输出的傅里叶系数平均值的比例的频率响应函数被直接估计。
频率(Hz)
频率(Hz)
图1 随着估计频率响应函数,在75%NH下高压轴模型的频率响应
M是被测周期数。这被叫做电压估计量,并且如果输入输出噪声是复
杂的正态分布的话,即使是相互关联的,它将是最大似然估计量。多
重正弦信号被用来启动发动机,当多重周期的信噪比平均大于40 dB
是得到输入输出。
参数识别涉及评估带时间纯延迟Td的连续S领域模型。
这些模型可以通过比较它们的频率响应与发动机频率响应函数来确
定。测试在输入振幅为±10% Wf下进行,选择涡轮机从55% NH 到
90% NH的运行范围内的几个工作点。
轴转速(%NH)
轴转速(%NH)
图2 线性频率领域模型在高低压下轴的极值和零点
极值(×)零点(O)
在每个工作点用模型选择和确认方式估计参数模型。根据图一所示的传递函数,一个这样的模型对应一个频率。
根据所有在S平面左边实轴上存在极值和零点的模型得到,这个图像在工作点范围内重复。图2显示了工作点中的变化的极值和零点,同时一些特点也可由图中推断出来。高
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