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变几何涡轴发动机综合控制技术研究

作　者: 周剑波
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: 实时算法快速原型综合控制跟踪滤波器直升机涡轴发动机
分类号: V235
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

论文主要包括两部分工作：涡轴发动机综合控制技术和涡轴发动机/直升机的综合控制技术研究。即通过研究涡轴发动机的综合控制规律设计的基本原理和在线优化技术，同时探索研究涡轴发动机与直升机综合控制的基本原理和基本方法，为新一代涡轴发动机控制系统设计提供可用的技术储备。利用航空发动机的部件法建模技术，建立压气机几何可调的航空涡轮轴发动机的稳态数学模型；结合转子动力学方程和容积动力学方程，建立涡轴发动机的动态实时数学模型。同时采用健康因子的方法，建立反映涡轴发动机健康状态的稳态和动态数学模型。利用该模型，研究变几何涡轴发动机的稳态工作过程和动态工作过程特点，研究健康状态变化对涡轴发动机的影响，提出了一种基于灰色关联度的涡轴发动机健康状态的估计技术方法；然后利用非线性的多变量优化算法，提出了健康状态变化的变几何涡轴发动机的综合控制规律优化方法；利用控制系统的快速原型设计技术，分别设计发动机、旋翼、控制器、跟踪滤波器等快速原型，开展综合控制规律的在线优化技术研究。研究表明，建立的部件级涡轴发动机模型符合航空发动机原理，动态数学模型满足实时性要求。提出的涡轴发动机综合控制规律合理有效；最大功率模式，明显提高了涡轴发动机输出功率；最低油耗控制模式，能够有效降低燃油消耗；最低涡轮前温度模式能够显著降低自由涡轮进口温度。在线优化技术实现了涡轴发动机的单次优化控制的实时化；经过有限次实时优化后，在线优化技术使得发动机状态按照设定的约束条件逼近了最佳工作状态。在原有直升机/发动机综合数学模型的基础上，在计算坐标系转换、重心选取、旋翼建模等关键环节上，对其进行了进一步的修正和完善，建立了具有更高置信度的六自由度的非定常直升机/涡轴发动机综合数学模型。利用建立的综合模型，开展了涡轴发动机/直升机的综合控制规律设计研究。仿真结果表明,建立的直升机与涡轴发动机综合模型能够满足工程需要。提出的直升机/涡轴发动机的综合控制规律相对于传统的PID控制，更为有效的改善了直升机的抗干扰能力和动态响应品质。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-17
第一章绪论  17-25
  1.1 引言  17-20
  1.2 飞行/推进系统综合控制国内外发展状况  20-24
  1.3 本文的主要研究工作  24
  1.4 本文的内容安排  24-25
第二章变几何涡轴发动机实时建模技术  25-55
  2.1 涡轴发动机构型  25-26
  2.2 涡轴发动机部件法建模流程  26
  2.3 涡轴发动机部件级建模算法  26-54
    2.3.1 简化假设  27
    2.3.2 变比热基本原理  27-28
    2.3.3 主要部件模型  28-38
    2.3.4 涡轴发动机健康状态变化  38-41
    2.3.5 容积动力学原理  41
    2.3.6 数学模型的求解  41-46
    2.3.7 数字仿真验证  46-54
  2.4 小结  54-55
第三章涡轴发动机综合控制规律研究  55-71
  3.1 发动机性能寻优控制  55-59
    3.1.1 引言  55
    3.1.2 航空发动机 PSC 问题  55-56
    3.1.3 航空发动机 PSC 系统结构  56-57
    3.1.4 航空涡扇发动机 PSC 模式原理  57-59
  3.2 航空涡轴发动机综合控制技术  59-63
    3.2.1 涡轴综合控制原理  59-60
    3.2.2 涡轴综合控制模式  60-63
  3.3 涡轴发动机综合控制规律数值仿真  63-70
    3.3.1 综合优化算法  64
    3.3.2 仿真结果及分析  64-70
  3.4 小结  70-71
第四章涡轴发动机综合控制规律在线实时化研究  71-94
  4.1 涡轴发动机实时优化算法  71-74
    4.1.1 最大输出功率实时算法  71-72
    4.1.2 最小油耗控制实时算法  72-74
  4.2 PSM 求取方法  74-77
    4.2.1 最大功率控制 PSM 阵  74-75
    4.2.2 最低油耗模式 PSM 阵  75-77
  4.3 基于灰色关联度的自适应模型  77-83
    4.3.1 改进的基于灰色关联度的估计  78-80
    4.3.2 仿真分析  80-83
  4.4 综合控制快速原型设计  83-88
    4.4.1 涡轴发动机快速原型  84-85
    4.4.2 起动机快速原型  85
    4.4.3 旋翼快速原型  85-86
    4.4.4 FADEC 及优化器快速原型  86-87
    4.4.5 自适应模型快速原型  87-88
  4.5 涡轴发动机综合控制在线实时仿真  88-92
    4.5.1 最大功率控制模式  88-90
    4.5.2 最小油耗控制模式  90-92
  4.6 小结  92-94
第五章直升机/涡轴发动机综合仿真技术研究  94-118
  5.1 引言  94
  5.2 飞行参数由地轴系转换到体轴系  94-96
    5.2.1 相关坐标系  94
    5.2.2 惯性系向体轴系的转换  94-96
  5.3 直升机建模的重心基准点选择问题  96-97
  5.4 旋翼模型  97-100
    5.4.1 大速度时桨叶气动扭转问题  98
    5.4.2 旋翼挥舞特性修正  98-100
    5.4.3 旋翼模型的稳态、动态计算  100
  5.5 机身模型  100-101
    5.5.1 机身处的气流速度  100-101
    5.5.2 相关角定义  101
    5.5.3 机身产生的力和力矩  101
  5.6 尾桨模型  101-103
    5.6.1 尾桨处的速度  102
    5.6.2. Bailey 系数求取  102-103
    5.6.3 尾桨产生的力和力矩  103
  5.7 水平、垂直尾翼模型  103-107
    5.7.1 水平尾翼处的速度  104-105
    5.7.2 水平尾翼处的力和力矩  105
    5.7.3 直升机平尾特性研究  105-106
    5.7.4 垂直尾翼处的速度  106-107
    5.7.5 垂直尾翼处的力和力矩  107
  5.8 发动机模型  107
  5.9 直升机/发动机一体化仿真平台结构  107-111
    5.9.1 稳态配平原理  108-110
    5.9.2 直升机稳态配平仿真结果  110-111
  5.10 直升机仿真平台动态计算  111-117
    5.10.1 动态计算原理  111-112
    5.10.2 直升机动态操纵响应仿真结果  112-117
  5.11 小结  117-118
第六章直升机/涡轴发动机综合控制技术研究  118-159
  6.1 引言  118-119
  6.2 直升机状态变量模型建立  119-127
    6.2.1 直升机状态变量模型(SVM)的形式  119-121
    6.2.2 小扰动法求取直升机状态变量模型 SVM  121-127
  6.3 复杂系统多模型融合鲁棒抗扰控制律设计  127-136
    6.3.1 多模型多变量融合鲁棒控制算法  129-133
    6.3.2 自抗扰解耦控制设计  133-136
  6.4 直升机/发动机综合抗扰控制律设计  136-140
    6.4.1 直升机多模型融合鲁棒控制律设计  136-139
    6.4.2 涡轴发动机自由涡轮转速自抗扰解耦控制律设计  139-140
  6.5 数字仿真验证  140-158
    6.5.1 平飞加速任务仿真  141-151
    6.5.2 急速爬升-下降飞行任务仿真  151-158
  6.6 小结  158-159
第七章论文工作总结  159-161
参考文献  161-167
致谢  167-168
在学期间的研究成果及发表的学术论文  168

变几何涡轴发动机综合控制技术研究

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