[发明专利]基于混合序列的航空发动机系统辨识建模方法

说明书

本发明公开一种基于混合序列的航空发动机系统辨识建模方法，首先建立航空发动机的部件级模型，根据每个工作状态点的输入输出和状态量数据，将单个工作状态的线性时不变建模问题，转化成解决最小二乘的系统辨识问题；其次，选取合适的模型类、估计方法以及信号源求解最小二乘问题，建立单个工作状态的线性时不变模型；最后通过线性回归的方式建立地面条件下的多项式非线性系统。本发明可以有效地解决航空发动机在多变量控制领域的状态空间建模问题。

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，具体涉及一种基于混合序列的航空发动机系统辨识建模方法。

背景技术

由于航空发动机是集空气动力学、燃烧学、结构强度、自动控制和材料等多学科于一身的复杂流体机械，其动态系统具有强非线性和复杂多变的特点，因此航空发动机系统的建模和控制都具有一定的难度，而要得到一个利于多变量控制系统设计的状态变量模型则是一项具有挑战性且非常重要的工作。

目前，国内关于航空发动机建模的研究，基本上停留在基于部件法的航空发动机气动热力学非线性模型。这种模型的基本原理是根据航空发动机遵循的布雷顿循环原理，按照各个部件的工作特性，采用迭代算法求解流量连续方程、压力平衡方程、功率平衡方程三类非线性平衡方程建立航空发动机的共同工作模型。

状态变量模型在解决航空发动机的多变量控制规律设计以及状态估计问题时至关重要，但由于国内受限于实验条件，采用试验数据进行状态变量建模的研究很少，因此状态变量模型的研究主要是针对部件法建立的模型，在此基础上线性化。有些学者采用阶跃扰动信号得到发动机非线性模型的阶跃响应，然后采用偏导数法和拟合法计算状态空间模型。但是这种建模方式得到的是小扰动状态变量模型，此模型对于全包线多变量控制具有一定的局限性。

鉴于航空发动机模型具有强非线性，但现有的研究成果局限于线性参变系统，所以亟需建立一个符合航空发动机特性的非线性模型。

发明内容

本发明针对多变量控制的航空发动机建模的问题，提供一种基于混合序列的航空发动机系统辨识建模方法，其利用混合序列和最小二乘理论的系统辨识方法建立航空发动机多项式非线性状态空间模型。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

基于混合序列的航空发动机系统辨识建模方法，其具体包括步骤如下：

步骤1、基于部件法求解航空发动机关于流量连续和功率平衡的共同工作方程，以建立航空发动机的部件级模型；

步骤2、对部件级模型的输入输出数据采用系统辨识的方法，并根据已有经验确定系统辨识所需的模型类；

步骤3、将航空发动机的建模问题转化成系统辨识的最小二乘问题，通过L-M最小二乘估计方法辨识出每一个稳态点实际转速线性时不变模型；

步骤4、先针对航空发动机的每一个工作状态点分别生成相应的混合序列，该混合序列分为三段，第一段是伪随机信号，第二段是阶跃信号，第三段是正弦信号；再将所生成的混合序列作为部件级模型的激励，以得到系统辨识所需的数据源；

步骤5、基于步骤2-4所确定的系统辨识所需的模型类、基于L-M最小二乘估计的系统辨识准则、以及系统辨识所需的数据源，在地面条件下，建立每个工作状态点的线性时不变模型，该线性时不变模型以航空发动机的实际高压转子转速和低压转子转速为状态变量；

步骤6、利用步骤5在多个工作状态点建立的线性时不变模型，以航空发动机的高压转子转速为调度参数，基于增益调度的思想，采用回归分析的方式建立航空发动机地面条件下的多项式非线性模型。