冲压发动机连续可调喷管模糊控制研究

为了提高几何可调冲压发动机尾喷管控制性能,针对具有静差与动态不对称特性的连续可调喷管作动系统,采用模糊控制算法进行控制器设计,并利用自适应遗传算法进行控制器参数优化,最后将模糊控制系统与PID控制系统进行性能对比。结果表明,相较于常规模糊控制系统,优化后的模糊控制系统消除了稳态误差,减小了大小喉径在调节时间上的差异,鲁棒性较强。相较于优化后的PID控制系统,优化后的模糊控制系统在保证无稳态误差的基础上,具有更短的调节时间与更小的超调量,跟踪信号时具有更小的误差包络,优化后的模糊比PID控制系统性能提高2.6倍。总之,基于自适应遗传算法优化的连续可调喷管模糊控制系统比PID控制系统性能更高,能够满足高动态几何可调冲压发动机提出的响应快、调节精准、超调小的要求。     

面向对象的航空发动机控制系统仿真

在面向对象的发动机性能仿真平台基础上,建立了1个通用的航空发动机控制系统仿真平台;利用此仿真平台,构建了某涡扇发动机的高压转速阶跃控制系统,整定了全包线内PID控制器参数,并模拟发动机超温、超压、超转状态进行了仿真。仿真结果表明:高压转子阶跃响应能在保证不超温、不超压、不超转的前提下,达到了调节时间小于1 s,超调量小于5%的性能指标。     

高速柔性转子-支承系统耦合动力特性计算与试验

随着航空发动机朝着高转速、高推重比方向发展,机匣壁设计得越来越薄,导致转、静子系统间的耦合振动问题突出,增 加了发动机整机振动过大风险。针对某型高速柔性转子试验件系统,建立了柔性转子-支承系统的力学模型,采用有限元软件ANSYS对系统进行耦合动力特性分析,并开展了转子系统动力特性试验。结果表明：采用转子-支承系统耦合模型进行动力特性分析获得的峰值转速计算结果与试验结果差异为 3% 左右;由于支承系统存在共振,转子在工作转速范围内由 2 个峰值转速40%n、69%n变为3个峰值转速38%n、62%n和84%n,增加的峰值转速落在转速常用工作转速范围内,增加了系统振动过大风险。采用转子-支承系统耦合模型进行转子系统动力特性设计可以避免传统方法仅考虑转子动力特性而忽略了支承系统局部振动和耦合振动带来的振动问题,更为全面地指导发动机转子动力学设计。     

叶片丢失激励下整机力学行为及其动力特性

针对叶片丢失激励下航空发动机整机动力响应问题,分析了机匣、转子-支承系统以及安装节在内的整机结构系统的物理过程和力学行为。基于大涵道比涡扇发动机结构和力学特征,建立了转子系统动力学分析模型,并对其进行了数值仿真分析。结果表明:叶片丢失导致转子系统变为具有非对称时变参数特性的转子系统,其减速停车过程会对转子系统产生附加激振力,使转子系统的振动响应特征产生变化。为恶劣载荷激励下转子-支承结构安全性设计和结构动力学一体化设计提供理论基础。     

共用支承-转子系统耦合振动分析及试验

针对带有涡轮级间共用承力框架的高功质比涡轴发动机结构系统,建立共用支承-转子系统动力学方程,探究燃气发生器转子、动力涡轮转子与共用承力框架结构系统耦合振动产生条件及振动特性。基于ANSYS有限元仿真计算了共用支承-转子系统耦合振动特性。针对涡轴发动机涡轮级间承力框架,设计了共用支承-转子系统模拟试验器,运用激振器模拟转子不平衡激励,利用试验对模拟转子动力特性的相互影响进行了定量分析。理论计算结果表明,转子支点与支承结构通过力平衡和位移协调联系在一起,之间存在刚度耦合项,进而使共用支承-转子系统发生耦合振动。对系统振动响应仿真计算结果表明,共用支承会影响转子动力特性,不同转子不平衡激励均可激起相应转子的振动。通过试验验证了在发生耦合振动时,转子的振动响应频谱中同时包含两个转子转速频率,定义耦合影响系数,地面慢车状态两个转子相互之间的耦合影响系数分别为33%和6079%,最大连续状态分别为1278%和688%,最大起飞状态分别为1356%和581%,转子间的动力特性耦合影响大小与频率有关系。     

静偏心对挤压油膜阻尼器减振特性影响的 数值分析

由于装配误差或重力等原因,挤压油膜阻尼器在实际使用中难以避免产生静偏心。为了研究静偏心对挤压油膜阻尼器减振特性的影响,基于广义雷诺方程推导出静偏心条件下挤压油膜阻尼器雷诺方程并建立了静偏心挤压油膜阻尼器-转子系统的动力学模型,随后运用数值积分获取静偏心下转子系统的非线性响应。研究表明:转子进动半径随着静偏心增大而减小;静偏心显著影响转子轴心轨迹,静偏心时转子轴心轨迹在大多数转速下近似为椭圆而不再是圆,静偏心下突加不平衡响应瞬态振幅远高于无静偏心条件下瞬态振幅。     

涡轮盘腔内流动和传热的数值模拟

将实际涡轮盘腔简化为转子系统, 并用混合长度模型、N-S方程和能量方程模拟了该系统的流场和温度场, 采用SIMPLE法数值计算了自由转盘周围的温度场;封闭转子-静子腔内的流场和温度场;有入流和出流的转子-静子腔内的流场。计算结果与实验值符合较好, 因而为数值模拟涡轮盘腔内的流场和换热打下了基础。      

考虑陀螺效应的转子动力学相似准则

针对考虑陀螺力矩的转子系统缩尺相似模型与原型是否满足动力学相似的问题,采用量纲分析法推导了考虑陀螺力矩的转子-简单支撑系统相似准则,得到了模型与原型各物理量相似比.通过求解不同相似比下Jeffcott转子系统临界转速的解析解,和利用有限元软件ANSYS对某转子系统临界转速和振型相似性进行了数值模拟,验证了所推导的考虑陀螺力矩转子系统相似准则的正确性.研究表明:考虑陀螺力矩、简单支撑和Rayleigh比例阻尼的转子系统,在相似转速下缩尺模型与原型的固有频率具有相似性,并且临界转速相似.      

静偏心对挤压油膜阻尼器减振特性影响实验研究

为研究静偏心对挤压油膜阻尼器减振特性的影响,设计了可单独改变油膜间隙的柔性转子系统,针对不同静偏心条件下,阻尼器减振性能,转子的抗振性能和非线性振动特征进行了实验研究。结果表明:静偏心会导致转子系统临界转速增大;静偏心比εs小于0.6,转子临界峰值随静偏心比增大而减小,εs在0.6~1.0范围内增大时临界峰值随静偏心比增大而大幅增大;εs增大时阻尼器失效不平衡量大幅减小,转子不平衡裕度和抗振性能大幅下降,将εs控制在0.2以内时,静偏心不会恶化阻尼器的阻尼效果;静偏心比(εs0.2)较小时,阻尼器失效表现为典型双稳态跳跃,静偏心比(εs0.3)较大条件下,阻尼器失效时可能表现出软弹簧非线性振动与非协调振动;根据阻尼器失效转子振动特征可判断阻尼器静偏心水平。     

叶片丢失激励下航空发动机柔性转子系统的动力学响应

为揭示叶片丢失激励下转子系统动力学响应特征,考虑涡扇发动机低压转子刚度/质量分布特征、载荷传递特征、转静件耦合特征等,建立了高速柔性悬臂转子系统动力学模型。对突加不平衡激励及持续碰摩约束下转子系统动力学响应特性进行分析。结果表明:所建立转子动力学模型可以有效反映叶片丢失激励下转子冲击振动和复杂简谐振动响应特征。在突加不平衡激励下转子系统的瞬态振动响应加剧,具有显著冲击响应特征,并伴有转子横向固有振动。持续碰摩所产生的约束作用可使转子临界转速发生变化,虽然响应幅值降低,但频率成分及转子振动趋于复杂。      

五自由度磁悬浮轴承的扰动补偿控制系统设计

在比例-积分-微分(PID)控制的基础上加入扰动补偿环节,设计了五自由度磁悬浮轴承的扰动补偿控制系统.通过对转子运动模型的分析,修正并得到了更为精确的磁悬浮轴承扰动观测器模型.对离散化的扰动观测器进行了稳定性分析和参数整定方法研究,进而使扰动观测器的参数整定过程更为规范与便捷.实验结果表明:在PID控制基础上加入扰动补偿控制,转子受扰自由度的位移波动分别减小了38.7%和67%,转子在20000r/min转速下的轴心运动轨迹波动减小了21%,从而验证了扰动补偿控制相比于PID控制的优越性.      

磁悬浮柔性转子系统变学习速率单神经元自适应PID控制

为同时保证磁悬浮轴承柔性转子系统所需的低频和高频特性,在一般单神经元PID(proportion integration differentiation)控制的基础上,将转速信号引入磁悬浮轴承数字控制器,在不同转速段选择不同的学习速率以调节控制参数得到合适的磁悬浮轴承的刚度和阻尼.试验结果表明,变学习速率单神经元自适应...     

径向磁气组合轴承系统的动态性能

为探究磁轴承失效时能否减轻转子跌落带来的损害,将人字槽径向动压气体轴承引入磁轴承转子系统,研究磁气组合轴承对系统动态性能的影响和动压气体轴承的支承特性。采用有限差分法和小扰动法求解气膜厚度方程和雷诺方程,研究动压气体轴承的静动态特性。对磁轴承电磁力进行了分析,采用磁轴承不完全微分PID（比例-积分-微分）控制策略,对系统进行了理论模态分析和试验模态分析,完成了系统高速旋转试验,测试了动压气体轴承在不同偏心率和转速下的承载力。结果表明,引入动压气体轴承可提高系统的动态性能,在磁轴承失效造成高速转子跌落瞬间,偏心率趋近于1,两个径向动压气体轴承能够产生较大承载力,减轻转子跌落造成的损害。      

基于磁极电流分配的电磁轴承控制器设计

 电磁轴承是机、电、磁一体化的复杂系统, 针对不对称、强耦合电磁轴承结构, 提出基于磁极电流分配的电磁轴承控制器设计。该方法将原来控制器分为反馈控制器和电流分配器两部分, 以简化控制器设计。主要讨论了轴承磁极电流分配器设计, 并应用于圆锥电磁轴承系统中, 设计它的磁极电流分配器。     

改进型SVM在轴向磁轴承转子位移自检测中的应用

磁轴承采用位移自检测技术能够减少磁轴承体积、降低成本和提高可靠性。提出了一种基于混合核函数最小二乘支持向量机(LSSVM)预测模型的磁轴承自检测技术。介绍了轴向主动磁轴承的工作原理并推导了其悬浮力的数学模型;在混合核函数LSSVM回归原理的基础上,建立了控制线圈电流与转子位移之间的非线性预测模型,并优化了LSSVM参数,实现了无位移传感器控制。构建了轴向主动磁轴承系统自检测仿真模型,针对所提自检测方法进行了仿真研究,仿真结果表明该模型能够准确预测转子轴向位移。进一步的试验结果表明,该方法具有良好的轴向位移自检测性能,实现了轴向主动磁轴承无位移传感器下稳定悬浮运行。     

基于漏磁与磁阻系数迭代的三自由度混合型磁悬浮轴承的设计

提出一种基于漏磁与磁阻系数迭代计算的参数设计方法,将软磁材料内部磁场的磁通密度非饱和作为约束条件,以满足最大悬浮力条件下的体积最小化为优化设计目标,通过循环迭代的方式计算各部分漏磁系数与磁阻系数,最后得到该三自由度混合型磁悬浮轴承各部分的结构参数.利用有限元电磁场分析软件对其进行三维电磁场建模与仿真分析,仿真结果验证了该参数设计方法及其结果的合理性与正确性.给出了静态起浮、悬浮、冲击、转速为30000r/min时转轴位移与控制电流的波形.实验结果表明:基于该方法设计出的三自由度混合型磁悬浮轴承具有良好的悬浮特性.      

磁悬浮柔性转子系统变学习速率单神经元PID控制

磁悬浮轴承柔性转子系统的转速范围较大,固定的控制参数很难同时保证系统所需的低频和高频特性。本文在一般单神经元PID控制的基础上,将转速信号引入磁悬浮轴承数字控制器,在不同转速段选择不同的学习速率以调节控制参数得到合适的磁悬浮轴承的刚度和阻尼。试验结果表明,变学习速率单神经元自适应PID控制能够明显减小转子在各阶临界转速时的振幅,有助于磁悬浮轴承柔性转子系统的安全稳定运行。     

基于智能神经元PID的异步电机直接转矩控制

针对异步电机直接转矩控制系统PID转速调节器的适应性、鲁棒性及抗干扰性较差的问题,提出了基于智能神经元PID转速调节器的异步电机直接转矩控制方法。智能神经元PID转速调节器采用2个神经元控制器进行设计,同时实现了控制器参数的在线调整,磁链调节器和转矩调节器分别采用滞环调节器进行设计。仿真结果表明,基于智能神经元PID的异步电机直接转矩控制系统能快速跟踪参考转速变化,具有很强的抗干扰能力、自适应能力和较强的鲁棒性。     

磁悬浮轴承系统的时滞动力学建模与控制研究

针对磁悬浮轴承转子系统的时滞动力学与控制技术进行研究。基于原有磁悬浮轴承数学模型基础,将反馈回路上各环节时滞考虑在内,建立了5自由度系统机电耦合的动力学模型,并针对不确定有界时滞采用Lyapunov直接法给出了时滞相关镇定控制律的设计方法,以未考虑时滞所设计的PD控制器作为参照进行了仿真试验研究。结果表明:机电系统中的微小时滞会对高速转子系统的稳定性和动态性能产生较大影响,而所设计的控制器能有效地抑制时滞的负面效应,保证系统稳定运行。     

磁悬浮球系统的一种非线性控制方法研究

介绍了磁悬浮球系统的数学模型,并构造了一种非线性状态观测器;其次,设计了一种非线性PID控制器对误差进行控制;最后,应用MATLAB工具对闭环系统进行了仿真。仿真结果表明,该非线性PID控制器可以改善系统响应的品质,实现快速无超调调节效果,并且控制器的参数可以在较大范围变化,具有较强的鲁棒性。