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航空涡轴发动机数学建模方法与控制规律研究

作　者: 冯海峰
导　师: 樊丁
学　校: 西北工业大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 涡轴发动机数学模型部件法特性线法仿真控制系统控制规律
分类号: TP391.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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引　用: 7次
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内容摘要

本论文针对目前国内航空涡轴发动机非线性实时数学模型建模技术发展相对滞后的情况，通过研究某型航空涡轴发动机部件级数学模型，提取涡轴发动机的几条重要特性线，并基于这些特性线，采用特性线法建立起涡轴发动机数学模型。仿真研究表明，涡轴发动机特性线模型建模方法简单，实时性好，动稳态精度较高。首先，论文介绍了涡轴发动机部件级数学模型的建模机理与思路，结合某型涡轴发动机，建立起该型涡轴发动机部件级数学模型，并仿真验证了数学模型的正确性和准确性。然后，根据涡轴发动机工作原理以及部件特性，结合某型涡轴发动机试验数据，提取出涡轴发动机的几条重要特性曲线，基于特性曲线，采用特性线法建立起该型涡轴发动机数学模型。仿真研究表明，该特性线数学模型动稳态特性与试验台试车数据吻合。为研究特性线模型结构的适用性，论文将部件级模型作为真实发动机，以部件级模型仿真结果作为发动机真实信号，通过分析部件级模型仿真结果，提取出该型涡轴发动机的特性曲线，依照特性线模型建模步骤，建立该型涡轴发动机的特性线数学模型。在相同输入条件下，仿真比较两种建模方法得到的数学模型输出结果。仿真表明，两种建模方法得到的方针结果一致，动稳态过程吻合程度高。在模型的实时性方面，特性线模型更胜一筹，模型结构框架灵活，适用性好，且不需精确的部件特性数据，只需要涡轴发动机试车数据即可。建模过程更为简单易行。文末针对涡轴发动机的控制规律，研究了两种涡轴发动机控制系统(分别为机械液压式燃油调节器和数字电子式控制器)的工作原理以及控制逻辑。在某软件平台上建立了某型涡轴发动机机械液压式燃油调节器的数学模型。对该燃油调节器数学模型的仿真研究表明，燃油调节器数学模型稳态特性符合该型燃油调节器试验台数据要求。并在仿真研究过程中得到了影响燃油调节器性能的关键结构参数。通过对某型涡轴发动机数字电子式控制器的分析，得到了涡轴发动机燃油控制系统中各种参数限制条件。并结合该数字电子式控制器正常控制模式，得

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-7
符号及缩写说明  7-8
目录  8-11
第一章绪论  11-15
  1.1 航空涡轴发动机建模概述  11-13
  1.2 目前国内外航空涡轴发动机建模研究现状  13-14
  1.3 本论文的主要内容  14-15
第二章部件法建模分析及实例  15-35
  2.1 涡轴发动机部件法建模的基础  16-19
    2.1.1 部件法建模假设  16-17
    2.1.2 部件法建模中的气体容积效应  17
    2.1.3 部件法建模中需要的部件特性  17-19
  2.2 基本部件的气动热力学方程  19-26
    2.2.0 大气条件  20
    2.2.1 进气道  20-21
    2.2.2 压气机及压气机间容腔效应  21-22
    2.2.3 燃烧室及其容腔效应  22-23
    2.2.4 燃气发生器涡轮  23-24
    2.2.5 涡轮间容积  24
    2.2.6 动力涡轮  24-25
    2.2.7 旋翼负载  25
    2.2.8 尾喷管  25-26
  2.3 基本部件共同工作方程  26
  2.4 发动机模型的参数归一化处理  26-28
    2.4.1 发动机模型相似参数  26-28
    2.4.2 参数归一化处理  28
  2.5 某型涡轴发动机部件级模型流程  28-29
  2.6 某型涡轴发动机部件级模型仿真及分析  29-35
    2.6.1 发动机模型稳态仿真  29-31
    2.6.2 涡轴发动机加减载过程动态仿真  31-34
    2.6.3 涡轴发动机数学模型仿真结果分析  34-35
第三章特性线法建模分析及实例  35-51
  3.1 涡轴发动机特性线分析  35-40
    3.1.1 稳态供油量与稳态转速特性曲线  35-36
    3.1.2 燃气发生器扭矩增量与供油量增量和转速特性曲线  36
    3.1.3 燃气发生器涡轮前温度与稳态转速特性曲线  36-37
    3.1.4 涡轮前温度增量与供油量增量和转速特性曲线  37
    3.1.5 压气机出口稳态压力与稳态转速特性曲线  37-38
    3.1.6 压气机出口压力增量与供油量增量和转速特性曲线  38
    3.1.7 动力涡轮稳态扭矩与稳态转速特性曲线  38
    3.1.8 动力涡轮扭矩增量与供油量增量和转速特性曲线  38-39
    3.1.9 负载扭矩特性曲线  39
    3.1.10 负载扭矩增量与动力涡轮转速增量和转速特性曲线  39-40
  3.2 基于特性线的涡轴发动机模型的建立  40-42
    3.2.1 涡轴发动机特性线基本模型的建立  40-42
  3.3 某型涡轴发动机特性线模型建模实例  42-45
    3.3.1 某型航空涡轴发动机特性线的获取  43-44
    3.3.2 涡轴发动机特性线模型实现  44-45
  3.4 某型涡轴发动机特性线模型仿真  45-49
    3.4.1 涡轴发动机特性线模型静态仿真  45-47
    3.4.2 涡轴发动机特性线模型动态仿真  47-49
  3.5 某型涡轴发动机特性线模型仿真结果分析  49-51
第四章两种建模方法映射规律研究  51-65
  4.1 从部件法模型仿真结果寻求特性线  51-54
    4.1.1 稳态特性线的求取  51-52
    4.1.2 动态特性线的求取  52-54
  4.2 某型航空涡轴发动机特性线法建模  54-55
  4.3 某型航空涡轴发动机特性线法模型仿真  55-61
    4.3.1 特性线模型静态仿真与分析  55-57
    4.3.2 特性线模型动态仿真与分析  57-60
    4.3.3 特性线模型其它输入条件仿真与分析  60-61
  4.4 某型航空涡轴发动机特性线法模型仿真结论  61-65
第五章航空涡轴发动机控制规律研究  65-79
  5.1 航空涡轴发动机控制规律概述  65-66
  5.2 某型航空涡轴发动机机械液压式燃油调节器建模  66-73
    5.2.1 某型燃油调节器工作原理分析  66-68
    5.2.2 某型燃油调节器建模与仿真  68-72
    5.2.3 该型燃油调节器模型仿真结果分析  72-73
  5.3 某型航空涡轴发动机数字式控制器分析与研究  73-78
    5.3.1 正常控制模式  74
    5.3.2 参数限制控制模式  74-77
    5.3.3 数字式控制器工作原理  77-78
  5.4 航空涡轴发动机控制器仿真结论及展望  78-79
第六章结论  79-81
参考文献  81-85
致谢  85-87
论文发表情况  87-89

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