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涡轴发动机/旋翼综合建模、控制及优化研究

作　者: 姚文荣
导　师: 孙健国
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 航空宇航推进理论与工程
关键词: 直升机涡轴发动机优化算法库非线性模型预测控制填充函数方法导叶角优化变旋翼转速
分类号: V235.1
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

随着新一代直升机的各种性能不断提高,对直升机火控系统,操纵品质,生存性,敏捷性和机动性的要求越来越高,直升机各子系统的复杂程度大大增加,子系统间的耦合作用也大大加强,传统的将各子系统分割独立设计的方法已不能满足要求,只有采用综合设计和综合控制技术。发动机从功率涡轮输出经过主减速器带动旋翼,旋翼既是发动机的负载,又是使直升机产生升力、控制飞行速度以至飞行姿态的重要部件,可见发动机/旋翼系统对整个直升机性能影响至关重要。本文以直升机为对象,建立了直升机/发动机一体化综合仿真平台,并在此平台上进行涡轴发动机/旋翼控制及优化研究。本文第一章首先介绍了直升机综合飞行/发动机控制研究,模型预测控制研究及最优化问题研究现状。第二章以黑鹰直升机数据为基础建立了直升机/发动机综合仿真平台,此平台可以在飞行包线内任意点开始仿真计算,并解决了发动机/旋翼扭振问题,为后续章节的展开提供了仿真平台。第三章采用统一建模语言(UML)建立了基于C++的优化算法库,包括单纯形算法求解线性规划(LP)问题、有效集算法求解二次规划问题(QP)及序列二次规划算法(SQP)求解一般非线性优化问题,为后续章节的研究提供了实时优化算法的保证。第四章进行了基于SQP的涡轴发动机非线性模型预测控制研究,采用神经元网络进行预测模型的计算,采用SQP算法进行在线滚动优化计算,并讨论了此控制器的实时性问题。第五章针对全局优化问题进行了填充函数方法(FFM)研究,提出了一种新的单参数填充函数算法,并利用此算法进一步进行非线性模型预测控制研究,设计了基于FFM的涡轴发动机非线性模型预测控制器。第六章分别采用LP和SQP算法对涡轴发动机进行了在线导叶角优化控制研究,讨论了在发动机性能寻优过程中的LP算法和SQP算法在实时性方面的差别,论述了SQP算法在实时性方面应优于LP算法。第七章针对发动机/旋翼系统进行了变旋翼转速综合优化控制研究,打破了传统的恒定旋翼及功率涡轮转速限制。第八章进行了全文总结,并对后续工作提出了展望。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-15
第一章绪论  15-22
  1.1 直升机综合飞行/发动机控制概述  15-18
    1.1.1 对直升机综合飞行/发动机控制的需求  15-16
    1.1.2 国外研究现状  16-17
    1.1.3 国内研究现状  17-18
  1.2 模型预测控制概述  18-19
  1.3 最优化问题概述  19-20
  1.4 课题来源  20
  1.5 本文内容安排  20-22
第二章直升机/发动机一体化仿真平台研究  22-60
  2.1 概述  22
  2.2 旋翼模型  22-31
    2.2.1 引言  22-23
    2.2.2 旋翼数学模型  23-30
    2.2.3 旋翼模型稳态配平计算  30-31
    2.2.4 旋翼模型动态计算  31
  2.3 机身模型  31-33
    2.3.1 引言  31-32
    2.3.2 机身数学模型  32-33
  2.4 尾桨模型  33-35
    2.4.1 引言  33
    2.4.2 尾桨数学模型  33-35
  2.5 水平、垂直尾翼模型  35-37
    2.5.1 引言  35
    2.5.2 水平尾翼数学模型  35-36
    2.5.3 垂直尾翼数学模型  36-37
  2.6 发动机模型  37-42
    2.6.1 引言  37-38
    2.6.2 涡轴发动机部件级功率解算模型  38-42
  2.7 直升机/发动机一体化仿真平台结构  42-46
    2.7.1 引言  42-43
    2.7.2 扭振滤波器设计  43-45
    2.7.3 仿真结果  45-46
  2.8 直升机仿真平台定常飞行配平  46-51
    2.8.1 引言  46-47
    2.8.2 稳态配平原理  47-48
    2.8.3 稳态配平仿真结果  48-51
  2.9 直升机仿真平台动态计算  51-58
    2.9.1 引言  51
    2.9.2 动态计算方法  51-52
    2.9.3 动态计算仿真结果  52-58
  2.10 小结  58-60
第三章基于C++的优化算法库研究  60-85
  3.1 概述  60
  3.2 数值计算基础库  60-64
    3.2.1 相关软件知识介绍  61
    3.2.2 Array 类  61-62
    3.2.3 Matrix 类  62-63
    3.2.4 相关运算  63-64
  3.3 线性规划  64-71
    3.3.1 相关定义和定理  65-66
    3.3.2 单纯形法  66-67
    3.3.3 线性规划进一步讨论  67-69
    3.3.4 软件架构  69-71
  3.4 二次规划  71-77
    3.4.1 相关定义和定理  71-73
    3.4.2 有效集算法  73-74
    3.4.3 二次规划进一步讨论  74-75
    3.4.4 软件架构  75-77
  3.5 序列二次规划  77-84
    3.5.1 线性搜索SQP 算法  77-81
    3.5.2 软件架构  81-84
  3.6 小结  84-85
第四章基于SQP 的涡轴发动机非线性模型预测控制研究  85-106
  4.1 概述  85-86
  4.2 模型预测控制  86-89
    4.2.1 模型预测控制原理  86
    4.2.2 预测模型  86-87
    4.2.3 滚动优化  87
    4.2.4 反馈校正  87
    4.2.5 非线性模型预测控制  87-89
  4.3 涡轴发动机串级PID 控制器设计  89-92
    4.3.1 串级PID 控制原理  89-90
    4.3.2 串级PID 控制器数值仿真  90-92
  4.4 涡轴发动机非线性模型预测控制原理  92-93
  4.5 基于神经元网络的涡轴发动机在线预测模型  93-96
    4.5.1 基于神经网络的涡轴发动机动态模型  93-96
    4.5.2 涡轴发动机在线预测模型  96
  4.6 基于SQP 的在线优化模块  96-98
  4.7 反馈校正模块  98-99
  4.8 数字仿真结果  99-101
  4.9 实时性研究  101-104
  4.10 小结  104-106
第五章基于FFM 的涡轴发动机非线性模型预测控制研究  106-120
  5.1 概述  106
  5.2 新的填充函数定义  106-108
  5.3 一种单参数的填充函数的构建  108-115
    5.3.1 单参数的填充函数构建  108-111
    5.3.2 数值仿真结果  111-115
  5.4 基于FFM 的涡轴发动机非线性预测控制研究  115-119
    5.4.1 NNP 预测模型  115-116
    5.4.2 反馈校正  116
    5.4.3 FFM 优化模块  116
    5.4.4 数值仿真  116-119
  5.5 小结  119-120
第六章基于可变导叶角的涡轴发动机优化研究  120-137
  6.1 概述  120
  6.2 优化原理  120-123
    6.2.1 发动机性能寻优概念  120-121
    6.2.2 基于可变导叶角的优化原理  121-123
  6.3 最低油耗控制模式  123-136
    6.3.1 LP 优化  124-130
    6.3.2 SQP 优化  130-135
    6.3.3 LP 与SQP 算法实时性比较  135-136
  6.4 小结  136-137
第七章基于变旋翼转速的涡轴发动机/旋翼优化研究  137-148
  7.1 概述  137
  7.2 基于变旋翼转速的涡轴发动机/旋翼优化原理  137-139
  7.3 含闭环发动机的优化实现方法  139-143
    7.3.1 最小需用功率优化原理结构图  139-141
    7.3.2 最小需用功率优化仿真结果  141-143
  7.4 单独旋翼模型的优化实现方法  143-147
    7.4.1 最小需用功率优化原理结构图  143-145
    7.4.2 最小需用功率优化仿真结果  145-147
  7.5 小结  147-148
第八章结论与展望  148-150
  8.1 全文总结  148-149
  8.2 对未来工作的展望  149-150
参考文献  150-161
致谢  161-162
在学期间的研究成果及发表的学术论文  162

涡轴发动机/旋翼综合建模、控制及优化研究

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