CN113761719B - 在地面试验中自动控制涡轴发动机t45温度的方法及系统、设备、存储介质 - Google Patents
在地面试验中自动控制涡轴发动机t45温度的方法及系统、设备、存储介质 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种在地面试验中自动控制涡轴发动机T45温度的方法及系统、设备、存储介质，所述方法在判断出涡轴发动机的燃气发生器转速和动力涡轮转速均处于稳定状态后开启引气和发电功率双调节，并在双调节过程中将T45温度的实际值与目标值进行比对，根据实际值与目标值的差值大小同时控制双调节的调节状态，直至T45温度达到目标值。该方法结合了发电功率调节响应快、引气调节精度高的特点，采用双调节的控制方式实现了涡轴发动机在稳定转速下快速、精准地调节至目标值，相比于现有的手动调节方式，实现了自动化闭环控制，大幅提升了调节响应速度和调节精度，很好地填补国内基于多参数控制的涡轴发动机T45温度闭环控制技术的空白。
Description
技术领域
本发明涉及涡轴发动机地面试车技术领域，特别地，涉及一种在地面试验中自动控制涡轴发动机T45温度的方法及系统、设备、计算机可读取的存储介质。
背景技术
涡轴发动机在设计定型前需要做大量的整机地面试验，试验时长高达几千上万小时，耗费大量人力物力，且存在各种安全和准确性问题。目前，国内在涡轴发动机科研试车中均没有实现T45温度(即涡轮出口燃气温度)自动控制技术，均是通过手动操作控制发动机T45状态。在地面试验中，往往将发动机推到目标转速时却尚未达到目标T45温度，这时就需要操作员手动交替调节引气流量和发电功率来使T45温度达到目标值，这个过程需要反复进行，调节速度慢，一般需要花费半分钟以上的时间，而且需要操作员根据经验和现场情况进行调节，调节精度较差，重复性差，在试验时额外增加了发动机的运转时间，增加了试验的发动机损耗。基于多参数控制的涡轴发动机T45温度闭环控制技术研究尚属空白，这也成为涡轴发动机地面试车中亟待解决的关键性问题。
发明内容
本发明提供了一种在地面试验中自动控制涡轴发动机T45温度的方法及系统、设备、计算机可读取的存储介质，以解决现有技术的上述缺点。
根据本发明的一个方面，提供一种在地面试验中自动控制涡轴发动机T45温度的方法，包括以下内容：
采集涡轴发动机当前的T45温度、Ng转速和Np转速；
判断Ng转速和Np转速是否处于稳定状态，当Ng转速和Np转速处于稳定状态后，自动开启引气调节和发电功率调节；
实时采集双调节过程中T45温度的实际值，将实际值与目标值进行比对，并根据实际值与目标值之间的差值大小同时控制引气调节和发电功率调节的调节状态，直至T45温度的实际值达到目标值。
进一步地，所述根据实际值与目标值之间的差值大小同时控制引气调节和发电功率调节的调节状态的过程包括以下内容：
当实际值与目标值的差值超出预设范围时，控制引气调节和发电功率调节同时进行PID闭环调节，直至实际值与目标值的差值达到预设范围内后，暂停发电功率调节的PID闭环调节，保持引气调节的PID闭环调节，直至T45温度的实际值达到目标值。
进一步地，发电功率调节进行PID闭环调节的死区范围大于引气调节进行PID闭环调节的死区范围，且发电功率调节的死区范围与预设范围相同。
进一步地，引气调节的P参数是发电功率调节的P参数的3倍以上。
进一步地，当暂停发电功率调节的PID闭环调节后，若引气调节达到调节上限时T45温度尚未达到目标值，则强制增大发电功率，直至T45温度达到目标值，若引气调节达到调节下限时T45温度尚未达到目标值，则强制减小发电功率，直至T45温度达到目标值。
进一步地，引气调节和发电功率调节在进行PID闭环调节时还引入了前馈量，以缩短PID调节的收敛时间。
进一步地，当Ng转速每秒波动小于100转，Np转速每秒波动小于50转，则判定其处于稳定状态。
另外，本发明还提供一种在地面试验中自动控制涡轴发动机T45温度的系统，包括：
采集系统，用于采集涡轴发动机的T45温度、Ng转速和Np转速；
上位机，与采集系统相连，用于从采集系统中获取数据并存储；
PLC模块，分别与上位机、引气电磁阀、发电设备连接，用于判断Ng转速和Np转速是否处于稳定状态，在判断出Ng转速和Np转速处于稳定状态后，控制引气电磁阀和发电设备同时开启以启动引气调节和发电功率调节，并将双调节过程中采集系统采集的T45温度的实际值与目标值进行比对，根据两者的差值大小控制引气电磁阀和发电设备的工作状态，直至T45温度的实际值达到目标值。
另外，本发明还提供一种设备，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器通过调用所述存储器中存储的所述计算机程序，用于执行如上所述的方法的步骤。
另外，本发明还提供一种计算机可读取的存储介质，用于存储在地面试验中自动控制涡轴发动机T45温度的计算机程序，所述计算机程序在计算机上运行时执行如上所述的方法的步骤。
本发明具有以下效果：
本发明的在地面试验中自动控制涡轴发动机T45温度的方法，在判断出涡轴发动机的燃气发生器转速和动力涡轮转速均处于稳定状态后开启引气和发电功率双调节，并在双调节过程中将T45温度的实际值与目标值进行比对，根据实际值与目标值的差值大小同时控制引气调节和发电功率调节的调节状态，直至T45温度达到目标值。结合了发电功率调节响应快、引气调节精度高的特点，采用双调节的控制方式实现了涡轴发动机在稳定转速下快速调节至目标值，动态响应可以在5s内达成，且稳态误差可以控制在±2k内，相比于现有的手动交替调节引气流量和发电功率的方式，实现了自动化闭环控制，大幅提升了调节响应速度和调节精度，很好地填补国内基于多参数控制的涡轴发动机T45温度闭环控制技术的空白。
另外，本发明的在地面试验中自动控制涡轴发动机T45温度的系统、设备、计算机可读取的存储介质同样具有上述优点。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的在地面试验中自动控制涡轴发动机T45温度的方法的流程示意图。
图2是本发明优选实施例中在引气调节和发电功率调节进行PID闭环调节时引入提前量的示意图。
图3是本发明另一实施例的在地面试验中自动控制涡轴发动机T45温度的系统的模块连接结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
如图1所示，本发明的优选实施例提供一种在地面试验中自动控制涡轴发动机T45温度的方法，包括以下内容：
步骤S1：采集涡轴发动机当前的T45温度、Ng转速和Np转速；
步骤S2：判断Ng转速和Np转速是否处于稳定状态，当Ng转速和Np转速处于稳定状态后，自动开启引气调节和发电功率调节；
步骤S3：实时采集双调节过程中T45温度的实际值，将实际值与目标值进行比对，并根据实际值与目标值之间的差值大小同时控制引气调节和发电功率调节的调节状态，直至T45温度的实际值达到目标值。其中，Ng转速为燃气发生器转速，Np转速为动力涡轮转速。
可以理解，本实施例的在地面试验中自动控制涡轴发动机T45温度的方法，在判断出涡轴发动机的燃气发生器转速和动力涡轮转速均处于稳定状态后开启引气和发电功率双调节，并在双调节过程中将T45温度的实际值与目标值进行比对，根据实际值与目标值的差值大小同时控制引气调节和发电功率调节的调节状态，直至T45温度达到目标值。结合了发电功率调节响应快、引气调节精度高的特点，采用双调节的控制方式实现了涡轴发动机在稳定转速下快速调节至目标值，动态响应可以在5s内达成，且稳态误差可以控制在±2k(k是绝对温度单位)内，相比于现有的手动交替调节引气流量和发电功率的方式，实现了自动化闭环控制，大幅提升了调节响应速度和调节精度，很好地填补国内基于多参数控制的涡轴发动机T45温度闭环控制技术的空白。
可以理解，在所述步骤S1中，可以通过采集系统采集涡轴发动机当前的T45温度、Ng转速和Np转速。
可以理解，在所述步骤S2中，当Ng转速的每秒波动小于100转，Np转速的每秒波动小于50转，则判定Ng转速和Np转速处于稳定状态。只有当判定Ng转速和Np转速处于稳定状态后，才开始进行引气和发电功率的双调节。其中，引气调节是通过控制引气电磁阀的开度来实现，而发电功率调节则是通过控制发电设备的工作状态实现，发电设备包括发电负载柜和发电控制盒，发电负载柜是大功率器件，不同档位上的发电电阻通过接触器控制接通组合来实现不同发电功率的加载，因此，发电功率调节时通过控制发电负载柜内的接触器动作来实现的。
可以理解，所述步骤S3中根据实际值与目标值之间的差值大小同时控制引气调节和发电功率调节的调节状态的过程具体包括以下内容：
当实际值与目标值的差值超出预设范围时，控制引气调节和发电功率调节同时进行PID闭环调节，直至实际值与目标值的差值达到预设范围内后，暂停发电功率调节的PID闭环调节，保持引气调节的PID闭环调节，直至T45温度的实际值达到目标值。
其中，本发明考虑到发电功率调节是通过发电负载柜中的接触器控制加载档位，随着发电功率的不断调节，接触器需要频繁动作，而接触器开关寿命有限，如果频繁动作会影响设备使用寿命。因此，作为优选的，在本发明中，发电功率调节进行PID闭环调节的死区范围大于引气调节进行PID闭环调节的死区范围，且发电功率调节的死区范围与预设范围相同。例如，发电功率调节的死区范围为±5℃，引气调节的死区范围为0，实际值与目标值的差值的预设范围也为±5℃。当监测到T45温度的实际值与目标值的差值较大时，例如在±5℃之外，则同时进行引气PID调节和发电功率PID调节，以保证自动调节的快速响应。当监测到T45温度的实际值与目标值的差值较小时，在±5℃之内，即进入发电功率PID调节的死区时，而此时还未到达引气调节的死区，将暂停发电功率的PID调节，限制了接触器开关的动作频率，确保了设备的使用寿命。并且，发电功率调节的死区范围大于引气调节的死区范围，且引气调节的死区范围设为0，充分利用了引气调节精度高、发电功率调节响应快的特性，在预设范围之外，同时通过引气调节和发电功率调节实现快速响应，在预设范围之内则暂停发电功率调节，通过引气调节进行微调，保证了自动控制调节的精度。
作为进一步优选的，引气调节的P参数是发电功率调节的P参数的3倍以上。P参数越大，PID调节的调节速度就越快，而发电功率调节的调节效果就是响应速度快、调节精度略有欠缺，而引气调节的调节效果则是响应速度较慢、调节精度高，如果发电功率调节的P参数比引气调节的大或者相当，则会出现发电功率调节速度远大于引气调节速度，虽然可以实现快速响应，但是很容易出现调节过度的问题，调节精度较差。因此，本发明通过将引气调节的P参数设为发电功率调节的3倍以上，均衡了发电功率调节响应快、引气调节精度高的特性，防止出现发电功率调节效果和引气调节效果出现不均衡而导致调节过度的问题，确保了又快又准的调节控制效果。
另外，所述在地面试验中自动控制涡轴发动机T45温度的方法还包括以下内容：
当暂停发电功率调节的PID闭环调节后，若引气调节达到调节上限时T45温度尚未达到目标值，则强制增大发电功率，直至T45温度达到目标值，若引气调节达到调节下限时T45温度尚未达到目标值，则强制减小发电功率，直至T45温度达到目标值。
因为本发明采取的是双闭环控制，且发电功率调节的死区大，引气调节的死区小，存在当发电调节进入死区，而引气调节达到限定值且控制目标未收敛的情况，此时通过对发电功率进行强制调节，以保证控制目标实现收敛。
可以理解，本发明通过创造性地采用引气调节和发电功率调节的双PID闭环调节，而不是直接将引气和发电功率通过一个闭环控制来实现自动调节，两个PID闭环调节的目标均为发动机T45温度的目标值，两个闭环既相互独立工作，又相互限制，实现了T45温度调节的快速、精准控制的同时，没有增加设备的负担，不会影响设备的使用寿命。
另外，如图2所示，引气调节和发电功率调节在进行PID闭环调节时还引入了前馈量，以缩短PID调节的收敛时间。可以通过历史试验数据来设置提前量作为PID前馈量，在开启温度双PID调节时先将引起量和发电功率调到特定值以接近温度目标值，从而可以有效缩短PID调节的收敛时间，进一步提高温度调节的响应速度和精度。
另外，如图3所示，在本发明的另一实施例中，本发明还提供一种在地面试验中自动控制涡轴发动机T45温度的系统，优选采用上述的方法，所述系统包括：
采集系统，用于采集涡轴发动机的T45温度、Ng转速和Np转速；
上位机，与采集系统相连，用于从采集系统中获取数据并存储；
PLC模块，分别与上位机、引气电磁阀、发电设备连接，用于判断Ng转速和Np转速是否处于稳定状态，在判断出Ng转速和Np转速处于稳定状态后，控制引气电磁阀和发电设备同时开启以启动引气调节和发电功率调节，并将双调节过程中采集系统采集的T45温度的实际值与目标值进行比对，根据两者的差值大小控制引气电磁阀和发电设备的工作状态，直至T45温度的实际值达到目标值。
其中，所述发电设备包括发电负载柜和发电控制盒，发电负载柜是大功率器件，不同档位上的发电电阻通过接触器控制接通组合来实现不同发电功率的加载，因此，发电功率调节时通过控制发电负载柜内的接触器动作来实现的。而引气调节是通过控制引气电磁阀的开度来调节引气量。所述系统的工作过程为：采集系统采集涡轴发动机的T45温度、Ng转速和Np转速，并将其发送至上位机存储，然后，PLC模块从上位机中获取采集的数据，在判断出Ng转速和Np转速处于稳定状态后，控制引气电磁阀和发电设备同时开始工作，以开启引气调节和发电功率调节，并通过采集系统实时采集双调节过程中T45温度的实际值，PLC模块将采集到的实际值与目标值进行不断比对，并根据实际值和目标值的差值大小来控制引气电磁阀和发电设备的工作状态，即调节引气调节和发电功率调节的调节状态，直至T45温度达到目标值。
可以理解，本实施例的在地面试验中自动控制涡轴发动机T45温度的系统，在判断出涡轴发动机的燃气发生器转速和动力涡轮转速均处于稳定状态后开启引气和发电功率双调节，并在双调节过程中将T45温度的实际值与目标值进行比对，根据实际值与目标值的差值大小同时控制引气调节和发电功率调节的调节状态，直至T45温度达到目标值。结合了发电功率调节响应快、引气调节精度高的特点，采用双调节的控制方式实现了涡轴发动机在稳定转速下快速调节至目标值，动态响应可以在5s内达成，且稳态误差可以控制在±2k内，相比于现有的手动交替调节引气流量和发电功率的方式，实现了自动化闭环控制，大幅提升了调节响应速度和调节精度，很好地填补国内基于多参数控制的涡轴发动机T45温度闭环控制技术的空白。
可以理解，本实施例的系统中的各个组件的工作过程与上述方法实施例中的各个步骤相对应，故各个组件的工作过程在此不再赘述，参考上述方法实施例即可。
另外，本发明的另一实施例还提供一种设备，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器通过调用所述存储器中存储的所述计算机程序，用于执行如上所述的方法的步骤。
另外，本发明的另一实施例还提供一种计算机可读取的存储介质，用于存储在地面试验中自动控制涡轴发动机T45温度的计算机程序，所述计算机程序在计算机上运行时执行如上所述的方法的步骤。
一般计算机可读取存储介质的形式包括：软盘(floppy disk)、可挠性盘片(flexible disk)、硬盘、磁带、任何其与的磁性介质、CD-ROM、任何其余的光学介质、打孔卡片(punch cards)、纸带(paper tape)、任何其余的带有洞的图案的物理介质、随机存取存储器(RAM)、可编程只读存储器(PROM)、可抹除可编程只读存储器(EPROM)、快闪可抹除可编程只读存储器(FLASH-EPROM)、其余任何存储器芯片或卡匣、或任何其余可让计算机读取的介质。指令可进一步被一传输介质所传送或接收。传输介质这一术语可包含任何有形或无形的介质，其可用来存储、编码或承载用来给机器执行的指令，并且包含数字或模拟通信信号或其与促进上述指令的通信的无形介质。传输介质包含同轴电缆、铜线以及光纤，其包含了用来传输一计算机数据信号的总线的导线。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种在地面试验中自动控制涡轴发动机T45温度的方法，其特征在于，包括以下内容：
采集涡轴发动机当前的T45温度、Ng转速和Np转速，Ng转速为燃气发生器转速，Np转速为动力涡轮转速；
判断Ng转速和Np转速是否处于稳定状态，当Ng转速和Np转速处于稳定状态后，自动开启引气调节和发电功率调节；
实时采集双调节过程中T45温度的实际值，将实际值与目标值进行比对，并根据实际值与目标值之间的差值大小同时控制引气调节和发电功率调节的调节状态，直至T45温度的实际值达到目标值；
所述根据实际值与目标值之间的差值大小同时控制引气调节和发电功率调节的调节状态的过程包括以下内容：
当实际值与目标值的差值超出预设范围时，控制引气调节和发电功率调节同时进行PID闭环调节，直至实际值与目标值的差值达到预设范围内后，暂停发电功率调节的PID闭环调节，保持引气调节的PID闭环调节，直至T45温度的实际值达到目标值；
发电功率调节进行PID闭环调节的死区范围大于引气调节进行PID闭环调节的死区范围，且发电功率调节的死区范围与预设范围相同；
当暂停发电功率调节的PID闭环调节后，若引气调节达到调节上限时T45温度尚未达到目标值，则强制增大发电功率，直至T45温度达到目标值，若引气调节达到调节下限时T45温度尚未达到目标值，则强制减小发电功率，直至T45温度达到目标值。
2.如权利要求1所述的在地面试验中自动控制涡轴发动机T45温度的方法，其特征在于，引气调节的P参数是发电功率调节的P参数的3倍以上。
3.如权利要求1所述的在地面试验中自动控制涡轴发动机T45温度的方法，其特征在于，引气调节和发电功率调节在进行PID闭环调节时还引入了前馈量，以缩短PID调节的收敛时间。
4.如权利要求1所述的在地面试验中自动控制涡轴发动机T45温度的方法，其特征在于，当Ng转速每秒波动小于100转，Np转速每秒波动小于50转，则判定其处于稳定状态。
5.一种在地面试验中自动控制涡轴发动机T45温度的系统，采用如权利要求1~4任一项所述的方法，其特征在于，包括：
采集系统，用于采集涡轴发动机的T45温度、Ng转速和Np转速；
上位机，与采集系统相连，用于从采集系统中获取数据并存储；
PLC模块，分别与上位机、引气电磁阀、发电设备连接，用于判断Ng转速和Np转速是否处于稳定状态，在判断出Ng转速和Np转速处于稳定状态后，控制引气电磁阀和发电设备同时开启以启动引气调节和发电功率调节，并将双调节过程中采集系统采集的T45温度的实际值与目标值进行比对，根据两者的差值大小控制引气电磁阀和发电设备的工作状态，直至T45温度的实际值达到目标值。
6.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器通过调用所述存储器中存储的所述计算机程序，用于执行如权利要求1~4任一项所述的方法的步骤。
7.一种计算机可读取的存储介质，用于存储在地面试验中自动控制涡轴发动机T45温度的计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在计算机上运行时执行如权利要求1~4任一项所述的方法的步骤。
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