航空发动机全程滑态变结构控制研究

一种新的滑模变结构控制方法-全程滑态变结构控制首次应用于航空发动机控制系统，该控制方法能有效地缩短系统状态到达滑动模态的时间，避免了定常滑态变结构控制系统在能达阶段对扰动的敏感性，且其控制律的设计可以改善系统的瞬态性能，克服未知参数摄动的影响，仿真结果表明，基于全程滑态变结构控制所设计的发动机控制系统，其鲁棒性要优于发动机定常滑态结构控制系统。     

航空发动机多变量模糊滑模变结构模型跟踪控制

针对现代航空发动机是一个具有不确定性的强非线性系统,结合滑模变结构控制和模糊逻辑系统的优点,提出了一种模糊滑模变结构模型跟踪控制方法。采用比例积分型切换超平面设计滑模变结构控制系统,使用模糊逻辑系统自适应调节切换增益,得到某涡扇发动机的模糊滑模变结构模型跟踪控制器。数字仿真结果表明,所设计的控制器不但能使被控对象较好地跟踪参考模型,消除抖振现象,而且对系统的不确定性具有不变性,保证了被控系统在整个控制阶段都具有较强的鲁棒性。     

基于改进NS-SOMA的变循环发动机解耦控制方法

针对XTE76变循环发动机的控制结构问题,研究了2分块之间进行解耦的控制方法。基于内模原理,设计状态反馈控制器结构,以无超调快速跟踪和耦合抑制为目标,提出了改进的非支配序自组织迁移(NS-SOMA)多目标优化算法,在每代中按照与领导者的欧式距离均匀选择粒子进行迁移,提高了算法的收敛速度和精度,以此优化控制器参数,有效抑制了分块之间的耦合。同时研究了变循环发动机不分块的3变量控制方法,直接通过多目标优化抑制回路之间的耦合效应。在某型变循环发动机部件级模型上进行仿真验证,结果表明:不分块结构优于其他2种结构,相比分块控制结构,引起的最大耦合降低了30%,说明多变量综合控制更能充分利用现代控制理论解决回路之间的耦合问题。     

基于遗传算法的涡扇发动机多变量加速寻优控制

研究了变几何涡扇发动机不等式约束下的遗传算法最优加速控制规律，在全飞行包线内进行了仿真计算。通过分析多变量变几何涡扇发动机加速过程的特点和性能要求，用离散化加速模型结合遗传算法，使得加速过程最优。仿真计算表明该控制律可以保证变几何涡扇发动机在全飞行包线内稳定工作，且加速时间最短。     

航空发动机全程滑态模型跟踪控制研究

 将全程滑态变结构模型跟踪控制首次应用于航空发动机系统,设计出了航空发动机全程滑态模型跟踪控制器。采用二次状态反馈法规划的参考模型不仅满足性能指标要求和完全跟踪的模型匹配条件,同时也实现了完全解耦。由于全程滑态变结构控制消除了能达阶段,故能克服定常滑态变结构控制系统在此阶段对扰动的敏感性,并且其控制律的设计可以改善系统的瞬态性能,克服扰动和未知参数摄动的影响。结果表明:所设计的系统能取得令人满意的控制效果,能有效地抑制干扰和参数摄动的影响, 具有强的鲁棒性。     

基于H ∞ 回路成形的变循环发动机多变量控制

为了进一步提升变循环发动机的性能，针对3输入3输出变循环发动机模型，利用相对增益矩阵（RGA）分析了发动机内 部的耦合性；采用基于目标函数的2自由度H ∞ 回路成形法设计了多变量控制器，并与传统单变量PI方法做了对比。仿真结果表 明：多变量控制系统具有良好的扰动抑制能力和跟踪性能，且能够顺利实现模态转换；与单变量方法相比，在同等的穿越频率及相 位裕度约束下，n 1 回路阶跃响应的超调量减小了95.3%、调节时间缩短了51.5%；πe回路的最大偏移量减小了89.69%、调节时间缩 短了27.4%。表明多变量方法可以对变循环发动机进行有效控制且在跟踪控制过程中的性能更优，可以显著提升变循环发动机 的性能。     

变循环发动机稳态控制规律设计的新方法

变循环发动机(VCE)具有较多的可调参数,为了进行变循环发动机的多变量稳态控制规律优化设计,提出了用于变循环发动机稳态控制规律优化设计的一种新方法-逆算法。该方法基于敏感性系数矩阵,采用可调参数替换传统部件级性能计算模型中的独立变量,在给定变循环发动机主要状态参数和部件参数的条件下,实现了可调参数的求解,进一步完成发动机稳态控制规律的优化设计。对比表明,逆算法的计算精度和收敛速度与传统算法一致,收敛性得到了改善。对带有核心机驱动风扇(CDFS)的双外涵变循环发动机亚声速巡航的节流状态控制规律优化后,使得巡航推力下的安装耗油率比定几何的双外涵和单外涵发动机分别下降7.8%和16.4%,而地面安装耗油率最大降低约3.4%。结果表明,逆算法是变循环发动机稳态控制规律优化设计的一种有效途径。     

变循环发动机模态转换建模及控制规律设计方法研究

为了实现变循环发动机快速可靠的模态转换,本文发展了变循环发动机模态转换过渡态模型及控制规律设计方法。在变循环发动机动态数值仿真程序的基础上,针对模态选择阀与涵道引射器这两个模态转换过程中的关键变几何部件,建立了高精度的气流突扩局部损失模型。首次提出了可考虑模态选择阀堵塞对发动机性能影响的模态选择阀堵塞模型,消除了由于模型不精确造成的模态转换参数波动。在建立的变循环发动机数学模型的基础上,提出了基于直接推力控制技术的模态转换控制规律设计方法,考虑了变循环发动机的8个可调参数,采用差分进化算法对模态转换过程进行了优化。结果表明,本文提出的模态转换控制规律设计方法可以实现变循环发动机快速平稳的模态转换,双外涵转单外涵的参数变化规律与单外涵转双外涵的参数变化规律基本类似,推力在0.6秒就稳定在目标推力值,其余参数大多在1.4秒之后才趋于稳定。本文提出的变循环发动机模态转换控制规律设计方法还可应用于常规航空发动机的加/减速过渡态控制规律设计中。     

基于无级变速的直升机变旋翼转速控制模拟方法研究

为了扩大直升机变旋翼转速变化范围,开展了基于无级变速机构的直升机/传动系统/发动机连续变旋翼转速控制模拟方法研究。基于叶素法和容积动力学方法,建立了主旋翼/发动机综合数学模型用于直升机推进系统仿真,该模型由主旋翼简化模型和涡轴发动机部件级模型组成。在主旋翼/发动机综合模型的基础上,加入了基于能量法建立的无级变速传动装置动力学模型,通过变传动比实现变旋翼转速控制模拟,通过定常来流状态下的数字仿真,分析变旋翼转速控制过程对主旋翼和发动机状态的影响。结果表明,提出的变旋翼转速控制模拟方法在保证涡轴发动机动力涡轮转速变化小于1.5%的前提下使旋翼转速连续变化25%,建立的直升机/传动系统/发动机综合模型为变旋翼转速技术的设计与验证提供了较可靠的数字仿真平台。     

基于蜂群算法的变循环发动机最小耗油率优化

性能寻优控制是使变循环发动机满足长寿命、低油耗和大推力需求的主要途径,也是实现飞机推进系统综合控制的关键技术.基于双外涵变循环发动机非线性数学模型,在满足发动机各部件物理约束条件和推力条件下,采用人工蜂群算法对变循环发动机典型亚声速巡航点(H=11 km,Ma=0.8)耗油率进行了寻优分析,找到了耗油率最小条件下发动机6个几何可调参数、5个发动机循环参数最优值.结果表明:亚声速巡航点的耗油率在优化后比优化前降低了4.5％,从而证实人工蜂群算法能够完成变循环发动机多维优化问题.     

基于航迹优化的变几何冲压发动机控制规律设计方法

宽速域的高超声速飞行需求对冲压发动机的变几何控制提出了更高的要求。基于高斯伪谱航迹优化方法,通过耦合变几何冲压发动机的控制变量及飞行器攻角变化率,将宽速域变几何冲压发动机的控制规律设计问题转换为特定飞行器的多变量最优航迹求解问题,建立了变几何亚燃冲压发动机的飞行器/推进系统匹配分析方法,实现了典型变几何冲压发动机的控制规律优化设计。研究结果表明：进排气无级可调冲压发动机最经济爬升轨迹相比最快爬升增加16.3%时间,节省7.8%燃油消耗,两种航迹状态下进气道均接近于临界状态,差异主要来自于油气比控制规律不同;喷管喉道面积两级可调冲压发动机通过动态调整进气道出口正激波位置及燃烧室油气比,亦可实现宽速域内的快速爬升,此时最经济航迹下燃油消耗较无极可调方案多20.8%,时间增加5.6%。     

双外涵变循环发动机可变几何特性研究

建立了双外涵变循环发动机(VCE)总体性能数学模型,实现了变循环发动机与进气道进口流量匹配、双参数控制规律、可变几何部件性能模拟。依据单/双涵道模式、最大推力/最小耗油率模式、是/否开加力选取了起飞、亚声速巡航、超声速巡航、加速爬升4个典型航段,分析了变循环发动机10个几何可调节变量在不同飞行条件下的控制规律及其对发动机安装性能和稳定性的影响。结果表明,相比于几何不可调节变循环发动机,几何可调节的变循环发动机在亚声速和超声速巡航阶段的安装耗油率可分别降低3%和30%,加速爬升阶段的安装推力可增加42%,并且保证发动机均能具有足够的喘振裕度。     

一种新的变结构自适应控制方法及其应用研究

本文提出一种新的变结构自适应控制方法,并将其应用于航空发动机控制。这种方法只利用系统输入输出信号,与传统的自适应控制方法相比,具有收敛特性好,对对象的参数变化及未建模动态有很好的鲁棒性,同时其算法简单,易于实现。仿真表明该方法适用于航空发动机控制。      

军用航空发动机特征分析

简述了军用航空发动机的发展历程,介绍了变循环发动机的相关概念,总结了第三、第四代战斗机发动机的结构/性能特点和技术特征,重点分析了第五代战斗机推重比12~15发动机的技术特征。结合自适应发动机技术发展(AETD)项目,预估了三外涵变循环发动机的结构和性能特点,得出了第五代军用航空发动机的性能优势。根据归纳出的军用航空发动机总体性能发展趋势,对未来战斗机发动机的发展进行了展望。     

某发动机排气混合器掺混漏斗面积与耗油率关系的研究

以某发动机排气混合器掺混漏斗面积歧变（增大）导致发动机耗油率指标偏高的实际情况为基础，从国产排气混合器和英产排气混合器串装性能对比试车入手，介绍了国产、英产混合器掺混漏斗面积特征尺寸的对比检测结果、流场计算结果及其定性分析、控制混合器面积歧变的技术措施等。     

基于多入多出平衡流形展开模型的涡扇发动机反馈线性化滑模控制

针对涡扇发动机内部状态大范围变化条件下,单点线性控制器控制效果不佳而线性变参数控制器求解困难的问题,提出了一种基于多入多出平衡流形展开模型的涡扇发动机反馈线性化滑模变结构控制。首先,采用多入多出平衡流形展开模型辨识技术,获得仿射型的涡扇发动机数学模型。随后,利用反馈线性化将平衡流形展开模型解耦,经过坐标变换获得可用于控制系统设计的线性结果,考虑了具有误差项和饱和函数的指数趋近滑模控制律来提高控制系统的鲁棒性,完成了基于平衡流形展开模型的多变量涡扇发动机反馈线性化滑模控制器设计。最后,在非线性部件级模型上开展了控制器验证。在平衡流形展开模型设计工况,增益控制和滑模控制的控制效果表明,基于平衡流形展开模型的反馈线性化方法能够获得涡扇发动机良好的控制效果。同时,在平衡流形展开模型稳定但精度无法保证的非设计飞行工况,反馈线性化滑模控制器能够进一步抑制不确定性的影响,保证转子转速和发动机压比的跟踪控制效果。     

变结构控制的研究现状及展望

关于变结构控制的研究，近年来在国内外受到极大重视，变结构控制的突出优点是对系统的摄动及干扰具有完全鲁棒性。本文系统地综述了变结构控制的研究进展。并就其存在的一些问题，应用及发展趋势进行了探讨。     

变控制流供应角度涡流阀固体变推力火箭发动机调节方案

针对涡流阀变推力发动机变控制流供应角度方案，开展了发动机工作特性的数值模拟及实验研究。数值研究结果表明:采用变控制流供应角度可以很好地实现涡流阀变推力发动机的推力调节；涡流阀最大推力调节比超出加质发动机调节比26%；调节比随着控制流供应角度的减小而增大。实验结果表明:变控制流供应角度方案可行，验证了“气 气”调节的优越性。变控制流供应角度涡流阀固体变推力发动机为实现固体发动机推力调节提供了一种技术途径。      

航空发动机推力衰退缓解的神经网络控制

针对航空发动机气路部件性能退化导致的推力下降问题,提出一种基于变增量线性规划(LP)优化 神经网络控制方法用于航空发动机推力衰退缓解控制。该方法通过内环控制转速和发动机压比,外环修正发动机指令信号以缓解发动机推力衰退。其中内环非线性自回归滑动平均(NARMA-L2)转速控制器由神经网络训练得到;外环指令修正回路利用变增量LP优化方法调整发动机指令信号。以某型小涵道比涡扇发动机为对象进行仿真验证,结果表明,在4组仿真条件下,设计的控制方法在保证性能退化的发动机不超限的条件下使推力衰退至少缓解了46.5%,验证了该方法的有效性。     

建模不确定性下变循环发动机自适应控制器设计

针对变循环航空发动机存在建模不确定情况下的多变量控制器设计问题,给出了一种最优律下的增广模型参考自适应跟踪补偿设计方法,阐明变循环发动机建模不确定性并引出LQR(Linear Quadratic Regulator)基准控制器动态跟踪不足的问题,进而在基准控制器反馈控制结构框架下,分别实现以下技术突破:确定期望闭环动态的参考模型、基于李亚普诺夫函数严格稳定证明下建立存在建模不确定性的自适应律等,最终以达到系统跟踪误差渐进为零的目标,改善系统不确定性的动态跟踪问题。对变循环航空发动机的控制器仿真结果表明:增广模型参考自适应控制方法改善了原LQR基准控制器对存在建模不确定性时的控制问题,有效地实现了控制指令跟踪,达到了所期望的动态响应,且自适应参数一致渐进稳定。同时,各标称点的稳态控制误差均小于0.3%,系统超调量小于0.8%,调节时间小于1s,符合航空发动机控制系统技术要求。