[发明专利]一种直升机/发动机综合仿真模型及涡轴发动机控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种能够精确模拟直升机自旋训练过程的直升机动态变化的直升机/发动机综合仿真模型，以及基于该直升机/发动机综合仿真模型的涡轴发动机控制方法、控制系统，属于航空宇航推进理论与工程中的系统控制与仿真技术领域。

背景技术

为提高直升机的生存能力，在直升机失去动力后，直升机旋翼利用动能和势能，保持自身转速恒定，驾驶员利用其产生的拉力，操纵直升机以安全的速度降落，即自旋下滑过程，成为保证直升机安全的重要措施，在飞行员训练中，自旋下滑操作也成为重要科目。自旋训练过程中，为保证安全，直升机在安全飞行区域内首先将旋翼轴和自由涡轮输出轴离合器脱开，以模拟直升机动力失效过程，发动机同时至慢车状态。飞行员通过快速降低总距维持旋翼转速不变，以产生足够的拉力使直升机以安全的速度滑翔，该过程称为自旋进入。若飞行员退出训练过程，则需做降低总距操作，旋翼转速下降，当下降至与自由涡轮转速接近时离合器闭合，自由涡轮迅速提供扭矩给旋翼轴，直升机恢复正常飞行，该过程称为自旋恢复。因而在自旋训练过程中，尤其是自旋恢复阶段，涡轴发动机伴随着极大的负载变化，若其不能迅速提供直升机需求扭矩，自由涡轮转速将出现很大的瞬态下垂。

国内外针对直升机自旋训练过程的研究只局限于直升机或者涡轴发动机单个对象，无法正确反映出自旋训练过程中发动机负载的真实变化情况。由于自旋过程的强非线性以及相关实验数据的缺乏，建立能够模拟自旋下滑过程的直升机非线性模型难度极大。对于针对自旋恢复等机动过程设计的涡轴发动机控制器，为了增强燃油回路对负载变化的“敏感程度”，通常采用单变量控制器加操纵量前馈或者扭矩前馈的方式，但不可避免的会出现瞬态燃油量过大的情况。

在气路调节方面，国内外研究甚广。如，英国在直/发综合研究计划“先进动力系统发动机控制(APSEC)”计划中，通过导叶开环调节加快发动机系统对直升机负载变化的响应速度，进而抑制自由涡轮转速下垂。21世纪初美国军方针对黑鹰直升机综合控制研究中，亦采用通过压气机导叶开环调节来实现发动机快速响应。上述基于的研究平台均是涡轴发动机本身，而未从直升机/发动机综合模型的角度出发，其耦合因素难以完全反映。国内针对直升机不同工作状态利用导叶进行稳态优化的研究工作较多，但极少研究基于导叶的发动机闭环瞬态控制方法，适用于负载变化剧烈的自旋过程的基于导叶闭环控制方法则未见报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种能够精确模拟直升机自旋训练过程的直升机动态变化的直升机/发动机综合仿真模型，以及基于该模型的涡轴发动机控制方法、控制系统，从而使在直升机自旋训练过程中涡轴发动机能快速满足直升机负载需求，降低自由涡轮转速下垂量，并提升涡轴发动机燃油特性。

本发明具体采用以下技术方案：

一种直升机/发动机综合仿真模型，其动态工作方程组中包含以下自旋状态旋翼转子动力学微分方程：

lRΩΩ·=PS-(Pi+PP),]]>

式中，P_S表示发动机输出功率，P_P=TV为驱动功率，P_i=-Tν为诱导功率，T表示旋翼拉力，V表示直升机爬升速度，ν表示诱导速度，I_R表示旋翼轴转动惯量，Ω、分别表示旋翼转速、旋翼转加速度。

基于上述直升机/发动机综合仿真模型的涡轴发动机控制方法，在直升机的正常飞行阶段、自旋进入阶段、稳定自旋阶段以及自旋恢复阶段中离合器闭合之前，采用以燃油流量为控制变量的单变量控制器对涡轴发动机进行控制；在自旋恢复阶段中离合器闭合之后，采用以燃油流量和导叶角度作为控制变量的双变量控制器对涡轴发动机进行控制。