第五章-过渡态和限制控制器设计-王曦.docx

第五章 过渡态和限制控制器设计 当发动机（或任何物理系统）部分或全部性能变量随时间变化时就进入过渡态工作，严格地说，当所有的性能变量始终保持常数时，发动机是不可能达到真正的稳态，这是因为即使在稳定的巡航状态，发动机的控制变量燃油流量要连续不断地变化，以抵抗在任何控制系统中都存在的固有的干扰特性的影响。通常，干扰包括周围环境如风速和气温的变化、测量噪声、执行机构的非线性和不协调。相比稳定的巡航状态，过渡态会在一个相对较短的时间周期内反映出很大而又明显的性能变化。 过渡态控制器设计占用了总控制律设计和开发周期的接近四分之三（或75%），为什么？因为过渡态控制本来就覆盖了若干不同的稳态工作点的转速范围，本质上又属于非线性，而且它必须在过渡态运行期间保护发动机不超出它的工作极限范围。若干工作极值限制包括：转子转速的物理极限、涡轮叶片的最大工作温度、燃烧室最大工作压力、压缩系统的喘振（或失速）极限。简而言之，过渡态控制设计关注二件事情：1）如何改变发动机工作条件使之从一个状态到达另一个状态，2）当使这些状态发生改变时如何保证发动机不超过它的工作极限范围。发动机工作状态一般由功率杆或油门杆来表示，它们直接与涡扇或涡喷发动机的推力相关。 为了说明过渡态控制原理，图5.1是在稳态控制方框图图4.1的基础上，在压气机特性图上增加了二条示意性的过渡态轨迹扩展而来，共同工作线的上部的虚线是加速控制的轨迹，共同工作线的下部的虚线是减速控制的轨迹，另外，此图上还有一条喘振线和二条工作极值限制线，即涡轮温度限制线和燃烧熄火限制线。这意味着发动机在过渡态必须工作在它的极值界限内，这些极值限制构成了过渡态控制计划的基础。开发过渡态控制计划是一项过渡态控制设计的重要任务，这一内容将在本章讨论。 图5.1 压气机特性图上的过渡态工作轨迹和工作限制 当状态工作点改变时，必须使发动机工作在它的极值范围内，因此过渡态控制器面临着另一个挑战，那就是它必须能提供按每一被控制变量（如或）的上升时间、调节时间、超调/下垂所要求的过渡态调节性能，为达到这一要求，需要切换介于稳态控制计划和过渡态控制计划之间的控制模式，从而使问题复杂化。因此，过渡态（和极值保护）控制器设计的主要问题是在每一模式切换过程中都能获得优美的过渡特性，也即在整个过渡态的任何一种控制模式切换过程中发动机性能都是平滑切换的，这种不存在性能跳跃或突变较之实现起来更容易被理解。 本章的目标有二个：1）讲述二个最常用的过渡态控制方法，称之为基于计划的控制和基于加速率（或）的控制，2）介绍常用到的工作极值限制以及如何设计控制器来避免超限。在5.1节我们将讨论基于计划的过渡态控制器的设计方法，基于计划的过渡态控制方法多数是在燃气涡轮发动机中被采用；在5.2节主要介绍一些设计中遇到的有关非线性问题，尤其是二个常用于过渡态控制设计的技术即增益调度计划和抗积分饱和技术；在5.3节我们将讨论如何设计基于加速率的过渡态控制器问题；在5.4节我们提出限制保护控制器的设计方法，习惯上称之为顶层管理；最后在5.5节将讨论涡轴发动机过渡态控制设计中应考虑的一些问题。 5.1 基于计划的过渡态控制器设计 对于涡扇发动机的稳态控制器，风扇转速或发动机压比（）是主控制回路的反馈变量。对于过渡态控制，我们仍需要有主控制回路，不过，这一控制回路是有界的，上界是加速计划，下界是加速计划，这就是说，燃油流量控制变量是不可以超过这些加减速界值的。为了更好地理解这一原理，先来考虑一下以慢车为起点以起飞功率状态为终点的这一加速过渡态问题，设在慢车点附近（图5.1中的虚线圆）是由稳态控制器进行控制的，我们让慢车点附近的稳态控制扩大由它产生作用后受到影响的圆，这由于比例控制的作用当然可以办得到，直到它碰到了加速计划线时，燃油流量就被限制在这一计划的值上，与此类似，当发动机被加速到接近起飞功率状态时，围绕起飞功率状态点的稳态点控制邻域，就从几乎快要碰到加速计划线的地方向这一邻域的中心点收缩，这时加速控制器完成了向稳态控制器交接燃油流量控制权的任务，图5.2通过把加速计划（虚线为加速）和减速计划（虚线为减速）作为围绕主控制回路的饱和非线性这一思路说明了这一原理，加速和减速计划同样也称为过渡态计划。 图5.2 过渡态计划的非线性饱和特性 那么如何开发（或推导）过渡态计划呢？这一问题将在第六章中讨论。过渡态中的控制变量应该和主控制回路中的控制变量相同，在第四章中，我们看到燃油流量比作为控制变量要比燃油流量本身更为合适，因此，大多数涡轮发动机过渡态计划都是由描述的。 5.1.1 控制计划概念 如果我们用燃油流量（或燃油流量比）对应转子转速的关系图来描述图5.1中的工作限制范围时，就可以获得如图5.3所示的控制包线。这一控制包线表述了控制变量对