涡轴发动机双回路PI控制器多发功率匹配

为了应对多个发动机共同驱动同一直升机时,单个发动机性能衰退所引发的输出功率不平衡问题,以控制2个转子转速的双回路结构PI控制器为基础,将外回路改为直接功率控制回路,搭配能够计算旋翼在一定转速下需求功率的机载模型,构建了1种涡轴发动机多发功率平衡匹配控制系统.内回路分别采用燃气发生器转子转速控制回路和动力涡轮转子转速控制回路,得到参数不同的控制器并进行了仿真验证和对比.结果表明:所设计的双回路PI控制器能够在保证涡轴发动机动力涡轮转速恒定的同时,使性能衰退程度不同的2台发动机输出相同的功率.     

Fractional order modeling and control of dissimilar redundant actuating system used in large passenger aircraft

In this paper, a methodology has been developed to address the issue of force fighting and to achieve precise position tracking of control surface driven by two dissimilar actuators. The nonlinear dynamics of both actuators are first approximated as fractional order models. Based on the identified models, three fractional order controllers are proposed for the whole system. Two Fractional Order PID (FOPID) controllers are dedicated to improving transient response and are designed in a position feedback configuration. In order to synchronize the actuator dynamics, a third fractional order PI controller is designed, which feeds the force compensation signal in position feedback loop of both actuators. Nelder-Mead (N-M) optimization technique is employed in order to optimally tune controller parameters based on the proposed performance criteria. To test the proposed controllers according to real flight condition, an external disturbance of higher amplitude that acts as airload is applied directly on the control surface. In addition, a disturbance signal function of system states is applied to check the robustness of proposed controller. Simulation results on nonlinear system model validated the performance of the proposed scheme as compared to optimal PID and high gain PID controllers.     

Design of passive fault-tolerant flight controller against actuator failures

The problem of designing passive fault-tolerant flight controller is addressed when the normal and faulty cases are prescribed. First of all, the considered fault and fault-free cases are formed by polytopes. As considering that the safety of a post-fault system is directly related to the maximum values of physical variables in the system, peak-to-peak gain is selected to represent the relationships among the amplitudes of actuator outputs, system outputs, and reference commands. Based on the parameter dependent Lyapunov and slack methods, the passive fault-tolerant flight controllers in the absence/presence of system uncertainty for actuator failure cases are designed, respectively. Case studies of an airplane under actuator failures are carried out to validate the effectiveness of the proposed approach     

一种变旋翼转速直升机/涡轴发动机非线性模型预测控制方法研究

为了实现变旋翼转速直升机/涡轴发动机快速响应控制,提出了一种基于神经网络的直升机旋翼预测模型与基于状态变量模型的涡轴发动机预测模型的新型非线性模型预测控制方法。所建目标函数除了包含转速控制指标外,还考虑了经两级变速双离合器传动机构传扭后发动机输出轴的转子动力学特性。不同飞行任务下的数值仿真结果表明:相对于PID控制器而言,非线性模型预测控制器可在满足压气机转速、发动机静强度等限制条件下使动力涡轮转速在变旋翼转速过程中的超调量减小50%,下垂量降至0.2%以内,实现了涡轴发动机的快速响应控制的同时,有利于改善发动机使用寿命。     

基于非奇异快速终端滑模的永磁同步电机转速和电流控制

针对永磁同步电机在矢量控制中存在转速和电流频繁超调、稳态精度低、鲁棒性弱等问题,运用非奇异快速终端滑模控制器替代传统PI控制下的转速环控制器和电流环控制器,并采用李雅普诺夫函数证明了3个控制器的稳定性。借助MATLAB/Simulink仿真软件分析了采用非奇异快速终端滑模控制器和PI控制器的转速、电流响应波形。仿真结果表明:采用非奇异快速终端滑模控制器有更小的超调量、更高的稳态精度和更强的鲁棒性。     

Output Power Controller for a Wind-Driven Induction Generator

A constant stator power output controller for a wind-driven grid-connected induction generator is described. The load torque of the generator is controlled by varying the rotor resistance electronically. A dynamic model for the wind energy conversion system is proposed for both controlled and uncontrolled operation.The model is then used to predict the changes in shaft speed,turbine torque, and stator power output in response to change in wind speed. Data pertaining to a 60 kW commercial wind turbine generator is used in this investigation. Results based on analog computer simulation demonstrate the feasibility of the controller for scheduling a desired power output from the induction generator.Results of the tests on a laboratory induction generator driven by amicrocomputer-controlled dc motor drive simulating the characteristics of the wind turbine are included.     

平流层螺旋桨多工况等离子体增效控制方案研究

基于S1223翼型建立了平流层螺旋桨3维模型,在螺旋桨上下表面设置等离子体激励器,设计了5种螺旋桨工况下的等离子体控制方案,采用唯象学等离子体体积力模型进行数值仿真,研究了5种工况下不同等离子体控制方案对螺旋桨拉力和效率的影响。结果表明,设计工况下不宜开启等离子体激励器,采用交流激励时等离子体对高转速前进工况下的螺旋桨控制效果不明显,低速重载工况和滑翔工况下螺旋桨拉力和效率增加,低转速抗风工况下螺旋桨拉力大。采用等离子体流动控制技术提高平流层螺旋桨性能是可行的,需要进一步开展大量研究以优化等离子体激励器的布置方案和控制方案,提高等离子体控制效果,以满足低速临近空间飞行器对推进系统的需求。     

航空发动机主供油计量活门故障主动容错控制器设计

针对航空发动机主供油计量活门执行机构发生故障时,系统的输出将会发生跳变,不能很好地跟踪系统期望输出的现象,采用模型参考自适应方法设计了主动容错控制器来解决这一问题.首先针对执行机构故障问题进行了数学描述.其次,选取系统的标称模型为参考模型,以输出误差最小化为优化目标,基于李雅普诺夫稳定性原理,寻找合适的自适应调节律,设计了自适应容错控制器.最后,针对发动机某一工况点进行了不同故障情况下的数值仿真.仿真结果表明:在主供油计量活门发生跳变故障和卡死故障时,自适应容错控制器可以通过参数自动调节,使得系统的输出能够很好地跟踪模型的输出,跟踪误差最终逼近于零.      

基于多指标非线性控制的永磁同步电动机转速控制

应用精确线性化方法研究了永磁同步电动机的非线性控制问题.根据精确线性化理论,设计了永磁同步电动机状态反馈线性化控制器和相对阶为1的多指标输入输出反馈线性化控制器.多指标非线性控制器选择全状态量线性组合形式为输出函数,根据系统特征根配置方法,整定了输出函数中各状态量的反馈系数.比较2种控制器仿真结果发现,多指标非线性控制器可以实现对电动机转速的有效控制,且控制器结构简单,设计方便,动静态性能良好.     

变旋翼转速飞行控制对涡轴发动机输出响应的影响

为探明变旋翼转速条件下飞行控制对涡轴发动机输出响应的影响,在变旋翼转速直升机/传动机构/发动机综合仿真平台的基础上,考虑系统不确定因素的存在,提出并设计了增量式非线性动态逆飞行控制器,提高对系统的控制效果,控制器主要包括角速率控制器、姿态角控制器和航迹控制器;由于执行机构的物理限制,引入伪控制模块,以提高系统的稳定性。典型的飞行任务下的仿真结果表明：相对于增量式非线性动态逆飞行控制器而言,伪控制模块不仅可显著提升飞行控制效果,使爬升速度的超调量减小50%以上,还可有效减小动力涡轮转速的超调量9.0%左右,有助于增强发动机的动态控制品质。     

变质心飞行器伺服机构模糊PI控制技术研究

概述了飞行器质心调节机构的技术特点,针对某质心调节机构的伺服控制需求,设计了一种模糊PI控制器,建立了质心调节机构数学模型,完成了仿真分析与实验研究。仿真与实验研究结果表明,模糊PI控制器结合了PI控制器高精度和模糊控制器控制快速、适应性强的特点,使系统具有较快的响应性能和较高的控制精度,同时有较强的鲁棒性。研究成果对于提高变质心飞行器的机动性能有着重要的意义。     

Adaptive control for a sensorless permanent-magnet synchronousmotor drive

An adaptive velocity controller for a permanent-magnet synchronous motor without using shaft sensor is presented. Two line-to-line voltages and two stator currents are sensed to produce the flux position. The design part is concerned with the formulation of control algorithm for current-regulated pulsewidth modulated inverter and vector control strategy for speed loop. Under the vector control framework, self-tuning, model following, and model referencing adaptive control are applied to design for the speed-loop controllers. The implementational part integrates the control of current and speed loop using microprocessor-based controllers. Experimental case studies that correlate simulation and measurement results are provided. The experimental results validate the theoretical development. A new approach for designing advanced adaptive controller for a sensorless ac drive is provided     

航空发动机PI控制参数频域最优整定方法

针对航空发动机高、低压转速和压比的控制回路,研究满足幅值裕度和相角裕度要求的比例-积分(PI)控制参数稳定域确定方法.根据系统在频域的稳定域解析模型,建立考虑PI控制器的系统参数频域稳定域图形.根据典型的动态性能指标和鲁棒性指标定义的优化目标函数,在所得到的控制参数稳定域中寻找到一组最优的PI控制参数.该方法应用于航空发动机高、低压转速和压比回路控制器参数设计中,设计了不同状态下的PI控制器,仿真结果表明,这种整定方法能够使闭环系统满足性能指标和鲁棒性.      

Attitude Control Considering Variable Input Saturation Limit for a Spacecraft Equipped with Flywheels

A new attitude controller is proposed for spacecraft whose actuator has variable input saturation limit. There are three identical flywheels orthogonally mounted on board. Each rotor is driven by a brushless DC motor (BLDCM). Models of spacecraft attitude dynamics and flywheel rotor driving motor electromechanics are discussed in detail. The controller design is similar to saturation limit linear assignment. An auxiliary parameter and a boundary coefficient are imported into the controller to guarantee system stability and improve control performance. A time-varying and state-dependent flywheel output torque saturation limit model is established. Stability of the closed-loop control system and asymptotic convergence of system states are proved via Lyapunov methods and LaSalle invariance principle. Boundedness of the auxiliary parameter ensures that the control objective can be achieved, while the boundary parameter’s value makes a balance between system control performance and flywheel utilization efficiency. Compared with existing controllers, the newly developed controller with variable torque saturation limit can bring smoother control and faster system response. Numerical simulations validate the effectiveness of the controller.     

不同目标函数参数优化的FOPI直流调速控制

为了提高直流调速系统性能,将直流调速系统速度控制器设计为分数阶PI(FOPI),并与整数阶PI控制特性进行比较。在确定FOPI/PI控制器参数时,根据不同目标函数用粒子群算法对控制器参数进行了优化,并分析了不同目标函数所确定的控制器参数对调速系统性能的影响。仿真表明:FOPI有较好的控制性能。在设计控制器参数时,可根据性能要求选用不同的目标函数优化设计控制器参数。     

一种方向舵-螺旋桨联用的全翼式太阳能无人机横航向控制方法

以全翼式太阳能无人机（UAV）为研究对象,针对无副翼状态下横航向控制问题,提出了采用方向舵偏转和螺旋桨差动进行横航向控制的方法。首先,分析了两个螺旋桨条件下该类无人机横航向的稳定性与操纵性;然后,基于线性自抗扰控制（LADRC）理论,以方向舵偏和螺旋桨差动为控制输出,分别设计了滚转角控制器和偏航角控制器。最后,结合滚转角控制和偏航角控制的优缺点,在L1轨迹跟踪算法的基础上设计了方向舵和螺旋桨联用的直线轨迹跟踪器。仿真结果表明：所设计的控制器具有较好的控制性能、鲁棒性和抗风性。同时参数整定过程相对简单,并采用实际可测的物理量,为进一步工程应用提供参考。     

电力作动器用高可靠性永磁容错电机控制系统的设计及其试验分析

 针对电力作动器的高可靠性要求,结合转子磁钢采用离心结构的六相十极永磁容错电机(FTPMM),提出一种基于电流直接控制法的容错控制系统。当电机绕组或功率管发生断路及短路故障时,系统无需硬件故障辨识信号及软件算法切换就可实现系统的强容错功能,即故障后电机输出转速不变,输出功率与发生故障的相数有关,当电机系统出现一相、两相、三相故障时,电机分别可输出100%、80%、60%的额定功率;设计了一台750 W六相十极永磁容错电机的原理样机及其全数字化控制器,证明了该容错控制策略的正确性及整个电机控制系统的强容错性及可行性。     

基于OpenFOAM的水陆两栖飞机水面高速滑行研究

在开源软件OpenFOAM的两相流动态解算器中添加了激励盘，数值研究了考虑动力影响的大型四发涡桨水陆两栖飞机在水面高速滑行时的典型力学特性。针对水陆两栖飞机的特殊性，全面考虑了飞机高速滑行时的水动力、气动力、地面效应以及螺旋桨的动力影响，较为真实地模拟了飞行器水上起飞的瞬时状态。首先，在interDyMFoam中添加了激励盘模型，以体积力的形式将螺旋桨旋转产生的动量注入流场，用以模拟飞机起飞时大拉力情况下滑流的动力学影响，较螺旋桨非定常模拟方法大幅减少了计算量。其次，对Wigley船体标模和螺旋桨单桨模型分别进行了考核，验证了OpenFOAM的水动力计算能力并确认了新加入的动态激励盘方法的可靠性。最后，利用建立的方法研究了水陆两栖飞机水面单断阶滑行过程中的气动力和水动力特性并给出了滑流和动力的影响规律。     

基于滑模变结构的永磁同步电机精确线性化控制

 永磁同步电机是一个多变量、非线性、强耦合系统,从非线性动态数学模型出发,应用精确线性化理论,实现了永磁同步电机系统的输入-输出线性化与解耦。通过线性化模型设计速度跟踪控制律,用指数滑模变结构控制器来设计电流调节器,算法简单实用,提高了速度跟踪的快速性和精确性。仿真和实验结果表明,该控制策略具有理想的动态性能和良好的鲁棒性。     

电力作动器用高可靠性永磁容错电机控制系统的设计及其试验分析

针对电力作动器的高可靠性要求,结合转子磁钢采用离心结构的六相十极永磁容错电机(FTPMM),提出一种基于电流直接控制法的容错控制系统。当电机绕组或功率管发生断路及短路故障时,系统无需硬件故障辨识信号及软件算法切换就可实现系统的强容错功能,即故障后电机输出转速不变,输出功率与发生故障的相数有关,当电机系统出现一相、两相、三相故障时,电机分别可输出100%、80%、60%的额定功率;设计了一台750 W六相十极永磁容错电机的原理样机及其全数字化控制器,证明了该容错控制策略的正确性及整个电机控制系统的强容错性及可行性。