基于系统辨识法的航空发动机建模与应用

来源:用户上传      作者:吴星星

　　摘 要：为评估飞机小油门响应特性，需建立发动机模型，结合飞机纵向运动模型进行仿真计算。根据系统辨识法原理，假定发动机等效传递函数模型，通过各低压转速下阶跃油门发动机响应试验数据，采用极大似然法辨识模型参数，利用模型评价准则确定发动机模型结构及参数的准确性，并根据建立的发动机模型在Matlab/Simulink仿真环境中开展飞机小油门响应仿真。结果表明，该型发动机可等效为一阶系统，模型输出值与试验数据最优适配度高，最终预测误差小;在低压转速NL3状态推油门和收油门，飞机小油门响应均满足规范要求，转速NL4状态推油门、转速NL2状态收油门和转速NL1状态收油门，飞机小油门响应不满足规范要求。
　　关键词：系统辨识法;极大似然法;航空发动机;小油门响应;舰载机
　　中图分类号：V233.7 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2022）23-0018-04
　　Abstract： In order to estimate the low power reaction performance of aircraft， the engine model needed to be built combined with the longitudinal motion model of aircraft for simulation calculation. The equivalent transfer function model of engine was assumed from engine reaction test data at different low pressure rotor speed（LPRS） based on system identification theory through maximum likelihood method to identify model parameters， the model evaluation criteria was used to assess the accuracy of engine model structure and parameters， then this engine model was applied to simulate aircraft low power reaction in Matlab/Simulink simulation environment. The results show that this engine can be equivalent to a first-order system， and the optimal fit between the output value of the model and the test data is high， and the final prediction error is small; the aircraft low power reaction satisfies the standard request when throttle up and down at LPRS NL3， but cannot meet the standard request when throttle up at LPRS NL4， throttle down at LPRS NL2 and LPRS NL1.
　　Keywords： system identification; maximum likelihood; aero-engine; small throttle response; aircraft
　　在M场下滑过程中，使用反区操纵技术的飞机需要使用油门来控制飞机下滑轨迹[1-2]，《舰载机着舰规范》[2]明确规定了飞机对油门指令响应能力，即小油门特性的具体要求。为检验飞机小油门响应是否满足规范要求，需要建立发动机数学模型来进行飞机小油门响应特性仿真计算。
　　航空发动机建模方法通常分为部件法和系统辨识法两大类。部件法根据发动机工作原理基于结构力学、空气动力学、热力学等关系式建立各部件的非线性方程组，采用迭代法求解方程组从而得到发动机模型[3-5]。系统辨识法将发动机系统作为一个整体，根据油门杆输入和推力、转速等输出的变化关系将发动机系统用传递函数模型代替，利用地面试车试验数据或空中飞行试验数据辨识模型结构和参数。系统辨识法重点在于模型的选择、辨识方法的改进等方面。目前，航空发动机建模常采用部件法[6-7]，特别是在发动机研制过程中，部件法建模仿真可对发动机各部件动态特性进行设计验证，缩短研制周期，减少研制成本。但部件法原理复杂，存在部件级模型精度受部件特性数据少的限制，模型非线性方程组复杂程度高、迭代计算时间长、计算量过大和迭代收敛慢甚至发散等问题。在飞机运动建模仿真或飞控系统控制律设计中只需考虑发动机转速、推力等对油门杆输入的动态响应特性即可，不必关心发动机各部件运行状况，可采用更高效的系统辨识法建立发动机等效传递函数模型。本文根据系统辨识法原理，选取一阶系统和二阶系统传递函数模型，使用某型发动机地面台架试验数据，采用动态系统辨识中常用的极大似然参数估计法辨识模型参数，通过最终预测误差（FPE）、最优适配度（Best Fit）等判断模型准确性，确定发动机模型后建立飞机纵向运动仿真模型对飞机小油门特性进行仿真分析。
　　1 系统辨识法
　　1.1 系统辨识过程
　　系统辨识是研究如何利用系统含有噪声的输入和输出数据建立系统数学模型的学科[8]，所获得的模型与系统的近似程度取决于对系统先验知识的了解，以及对数据、模型和准则函数的掌握和运用。系统辨识过程主要包括系统试验、试验数据处理、模型结构辨识、参数估计和模型检验等，其基本流程如图1所示。

nlc202209061544

转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15439191.htm