航空发动机控制系统中的增广LQR方法

采用一种增广LQR方法,将原系统状态的导数和指令跟踪的误差作为增广的状态向量,使设计出来的多变量系统不仅具有LQR的好的鲁棒性,而且在用于指令跟踪时能消除稳态误差。当状态量不是全部可测时,本文采用降维观测器得到一种准最优的增广LQR方法,其性能比LQG方法有显著改善,能满足航空发动机多变量控制系统的设计要求。最后,数字仿真验证了本文提出的方法。      

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。     

航空发动机LQR控制的模糊神经网络方法

针对线性二次型调节器LQR在航空发动机多变量控制中存在的存储量需求太大的问题,提出了相应的自适应神经网络模糊控制方法。根据某型发动机飞行包线内给定工作点的线性化模型,分别设计控制器,并将分别设计的控制器用自适应神经网络模糊推理的方法进行综合,使之成为一个非线性的控制器,由此可以得出其它工作点的LQR设计结果。该方法能够在一定程度上弥补LQR控制的缺陷,仿真实例表明了其有效性。      

一种二元定几何混压式超声速进气道流场控制概念研究

针对二元定几何混压式超声速进气道低马赫数时流量系数低加速性能差的问题,提出了一种新的泄流槽流场控制概念,并通过数值仿真,揭示了泄流槽控制激波结构机理及其主要几何参数对进气道性能的影响规律.研究结果表明:采用该流场控制方案可通过泄流槽入口处的波系结构使进气道在低于设计马赫数时的出口总压恢复系数和流量系数相对于原型方案均得到明显提高,而在设计点关闭泄流槽后进气道的性能与原型进气道基本相当,这对改善冲压发动机在低马赫数转级后的加速性能是有利的.      

连续式风洞二喉道调节马赫数控制策略

为了降低连续式跨超声速风洞压力波动,提高马赫数稳定性,需要对二喉道调节马赫数控制方式进行研究,针对现有文献鲜少对该控制策略描述等问题,以0.6m连续式跨声速风洞为例,对二喉道控制马赫数的原理进行分析,基于运动控制器加伺服驱动器双PID(proportion-integral-derivative)控制模式实现二喉道位置精确控制,提出了二喉道和压缩机转速的组合控制流程,并采用分段变参数模糊PID加串级控制的算法实现马赫数精确控制,最后进行了试验验证。结果表明马赫数控制精度优于0.001,且每个马赫数极曲线(9个攻角阶梯)的时间可控制在4min以内,证明所提出的控制策略是有效的,可为连续式跨超声速风洞的设计调试提供参考。      

基于改进NSGAⅡ的航空发动机LQ/H∞控制器设计

对第2代非支配排序遗传算法(NSGAⅡ)进行改进,提出以非支配序为进化方向的微分进化(DE)算法代替传统的遗传操作,提高了算法的收敛速度.针对目前航空发动机多变量控制领域广泛关注的线性二次型调节器(LQR)控制与H2/H∞控制存在的保守性问题,提出了将时域性能指标、二次型性能指标与H∞性能指标相结合,通过改进NSGAⅡ优化权矩阵Q,R,最终获得航空发动机LQ/H∞控制器的设计方法.与其他控制器设计方法相比,基于多目标优化的LQ/H∞控制器目标明确、鲁棒性强且保守性更低.仿真验证结果表明:相比于基于线性矩阵不等式(LMI)的H2/H∞控制器,基于多目标优化的LQ/H∞控制器时域性能提高了4倍,调节时间减少了50%,抗干扰能力提高了15%.     

不确定性的自适应跟踪补偿控制及在航空发动机的应用

针对多变量系统存在不确定性导致的控制性能下降问题,提出了一种基于最优控制律的增广模型参考自适应控制器补偿设计方法。通过采用最优LQR控制律实现系统性能的优化设计从而建立基本控制器,以反馈控制结构为框架,对该最优LQR基本控制器实现增广设计,以改善系统的动态跟踪和抗干扰特性,以双转子航空发动机为对象实现控制器的仿真验证。结果表明:通过增广自适应控制实现了原LQR基本控制器对系统不确定性的跟踪补偿,有效地实现了控制指令跟踪,达到了期望响应性能,控制误差小于0.25%,超调量小于0.5%,且调节时间小于1.5s,符合发动机控制系统技术要求;同时,改善了原基本控制系统在不确定性时的不稳定控制效果,保证了系统一致渐近稳定。     

自抗扰控制算法在发动机加力过渡态控制中的应用

主要研究了航空发动机加力过渡态控制的新方法。在不改变原有发动机控制结构的基础上,提出了一种增广LQR法(Augmented Linear Quadratic regulator-ALQR)综合ADRC(Active Disturbance Rejection Control)干扰补偿控制的算法(简称ALQR+ADRC),该算法除了有原ALQR控制所具备的强的消除静差能力之外,还兼具AD-RC优良的干扰补偿能力。通过模拟快速进入/退出发动机加力过渡态过程,验证了该算法具有理想的控制效果,能够较好地协调加力燃油供给和喷口开张,在整个过渡态过程中对核心机工作有较小的影响。     

LQR与Fuzzy控制在飞机俯仰运动中的对比仿真

目的为解决传统PID控制控制参数固定、控制响应速度慢、超调量大,难以完成飞机自动驾驶仪俯仰系统控制的问题;方法分别设计LQR最优控制器和模糊控制器,并建立对应的Matlab控制模型进行仿真研究;结果阶跃响应仿真实验结果表明,飞机俯仰系统LQR控制器与模糊控制器比飞机俯仰系统PID控制器更好地实现对飞机俯仰角的控制,具有响应快速,超调小,误差小的优点;飞机俯仰系统LQR控制器比模糊控制器响应更快,跟踪性能更好;结论飞机俯仰系统模糊控制器在抗干扰鲁棒性、跟踪性能和稳态性能指标综合考虑上优于LQR控制器,更适用于实际的飞行环境。     

航空发动机解耦控制器设计

提出了一种基于输出拟形的解耦控制器设计方法。设计过程中针对某型涡扇发动机双变量控制系统,首先选取2个理想的一阶环节形成2个独立控制回路,以其在各通路单独阶跃下的无耦合响应为拟形目标。以LQR控制器设计为例,采用遗传算法(GA)来优化LQR控制器的加权矩阵Q和R,使闭环控制系统在各控制回路单独阶跃下的输出与目标相一致,从而达到解耦的目的。通过优化算法,设计出的LQR控制器取得了良好的动、静态解耦效果。     

NF-6风洞马赫数闭环控制系统设计研究

对NF-6风洞的概况进行了简要介绍,重点阐述了风洞马赫数测量、控制方式及流程,分析了控制系统的结构原理,建立了马赫数闭环控制系统。该系统利用静叶角度机构实现马赫数控制的粗调,通过PI算法控制压缩机转速进行马赫数二次细调。实验结果表明：马赫数控制精度可达0.002以下,实现了实验段流场马赫数的准确控制,控制策略是正确可行的,控制系统是可靠的。     

基于Fibonacci搜索方法的航空发动机性能寻优

介绍了Fibonacci搜索方法应用于发动机性能优化中的原理,建立带两个出口面积、气流马赫数可变的引射器的涡喷发动机的总体性能计算模型,应用Fibonacci搜索方法在优化参数区间内对该发动机进行了最大推力、最低油耗、最低涡轮前温度模式的寻优.举例说明了Fibonacci搜索方法应用的具体过程.给出了不同高度、马赫数下的寻优结果.结果表明:最优目标性能满足的约束边界与飞行高度、马赫数密切相关.不同的飞行高度、马赫数对应了不同的最优控制策略.但不论飞行任务如何,根据该方法进行的优化控制所获得的目标性能是最佳的.该优化方法不仅适用于该类涡喷发动机,也为其他类型航空发动机的优化控制打下一定的基础.      

面向对象的通用航空发动机建模技术研究

针对目前发动机性能仿真中燃气热力性质计算方法适用范围和通用性差的问题,加入一种变成分的求解方法,并利用面向对象技术构建了通用的航空发动机性能仿真系统.建模中考虑了部件特性耦合、引气、冷却和功率提取等影响.同时在程序中加入了一些异常处理机制,以便于快速准确地进行调试,增强系统的可靠性.最后利用该仿真系统进行了某型双转子混排涡扇发动机的稳态特性计算,并与试验数据进行了比较.结果表明采用的变成分法进行发动机性能仿真的推力误差一般不超过3%,耗油率误差不超过2.5%,取得了良好的精度.尤其在高空小马赫数时变成分法的精度高于传统的拟合法.      

Closed-loop flow control of an ultra-compact serpentine inlet based on nondimensional model

Ultra-compact serpentine inlet faces serve inlet-engine compatibility issues due to flow distortion. To ensure inlet-engine compatibility over a wide range of Mach number, novel active flow control techniques with the ability of being opened or adjusted as needed draw many attentions in recent years. In this paper, a feedback control system was developed based on the method of microjet blowing. The proposed system includes a pressure adjusting valve to adjust the control effort, a dynamic pressure sensor to sense the inlet distortion intensity, a signal processing instrument to calculate the Root-Mean-Squared (RMS) pressure, and a controller to implement feedback control. To achieve high quality closed-loop controls at dynamic conditions, a novel nondimensional feedback method was developed. The advantage of this nondimensional method was validated at both off-design and arbitrarily changing Mach number conditions. With a sectional PI control law, the RMS control error reduced more than 56% at arbitrary changing conditions. Works in this paper also showed that the dynamics of this nondimensional system can be simplified as a stable second-order overdamped system.     

基于相似理论的航空发动机转速自适应PID控制

根据航空发动机在相似坐标系中特性不变的特点，提出一种基于相似理论的航空发动机转速自适应PID控制。该方案采用衰减曲线法进行换算PID参数整定，获得自适应调节律。仿真结果表明控制器具有良好的动静态性能，自适应性和鲁俸性。所得参数变化规律对数控系统全包线内PID控制器的参数选择具有一定的指导意义。     

液氢推进剂预冷却空气涡轮冲压发动机性能模拟

为提高常规空气涡轮冲压发动机性能并扩展工作范围,加入液氢预冷系统,使用液氢作为预冷剂及推进剂,建立了使用液氢作为燃料的预冷空气涡轮冲压发动机性能计算模型。在给定航迹和调节计划下计算并分析了高空高速、低空低速下发动机的性能。仿真结果显示加入预冷器、使用液氢作为燃料可以极大的扩展ATR发动机的工作范围,并在整个飞行包线内极大的提高了ATR发动机的性能。     

基于任务段的航空发动机载荷谱聚类方法

针对航空发动机飞行任务剖面分类问题,对发动机31个飞行任务剖面进行了聚类分析。选取飞行高度和飞行马赫数作为划分飞行任务剖面的参数, 依据其对应的飞行任务段均值生成聚类散点图,将剖面类型划分为5大类。结果表明:低空低速剖面在无量纲飞行高度为0~0.2、飞行马赫数为0.4~0.6区间,均值最低;高空高速剖面在无量纲飞行高度为1.2~2.2、飞行马赫数为1.0~1.8区间,均值最高;飞行任务剖面在无量纲飞行高度为0.2~1.2、飞行马赫数为0.6~1.0区间内最为集中;针对散点密集区域,可依据剖面特征进一步划分剖面类型;不同剖面间,飞行高度与飞行马赫数差异性强,利于剖面划分,而法向过载与转速差异性小,不利于剖面的划分。所提出的方法可以快速有效的对航空发动机飞行任务剖面进行聚类分析。      

某型航空发动机火焰筒流量对比试验研究

针对某型发动机在研制过程中频繁发生单位燃油消耗率(SFC)过高的故障,在自行设计的航空发动机燃烧室火焰筒流量测试试验器上,运用模拟压比和模拟马赫数准则,采用冷吹风流量试验法,对比测试了某型发动机燃烧室与原型燃烧室火焰筒空气的流量,并对测试数据进行分析.试验结果表明:发动机燃烧室火焰筒流量分布均匀,与原型燃烧室火焰筒流量相同.该试验法耗时短、成本低,对开展燃烧室火焰筒内空气流量研究具有借鉴意义.