建立航空发动机状态空间模型的修正方法

以阶跃输入响应进行模型的检验，提出了状态空间模型的修正方法：基于动态响应较好的状态空间模型，进行其矩阵B，D，F，G的修正，获得基于稳态修正的模型，解决了航空发动机状态空间模型检验与修正的问题。仿真表明，使用该方法修正的状态空间模型具有与原非线性数学模型完全一致的稳态响应和基本一致的动态过程响应。这种方法为航空发动机多变量数字电子控制器的设计奠定了强有力的基础。     

涡轴发动机简化实时模型研究

涡轴发动机数控系统传感器故障诊断需机载的发动机数学模型,由于缺乏部件特性数据,根据某型发动机地面试车稳态数据和动态数据,建立涡轴发动机慢车以上状态简化数学模型。该模型具有较好的实时性,稳态模型采用插值算法,动态模型针对不同参数分别采用动态系数法和转子动力学方法。数值仿真结果表明：该简化模型具有较高的动态和稳态精度,可以满足传感器故障诊断的需求。     

N4SID辨识方法在航空发动机中的应用

针对在现代航空发动机的自适应控制和故障监控领域建立系统动态模型的需要 ,本文研究了基于状态空间模型的数字子空间状态空间系统辨识 (N4SID)方法 ,并在某型双转子涡喷发动机非线性气动热力学模型的“小偏离”状态上进行了仿真实验 ,结论表明 :该方法可以较准确地辨识发动机“小偏离”状态时的系统模型     

用于飞行模拟器的发动机闭环实时模型的研究

 介绍一种用于飞行模拟器的双轴涡喷发动机实时模型。该模型采用状态变量法建立 ,简介了建模原理、软件结构及仿真结果 ,表明该模型在全飞行包线内具有较高的精度和实时性 ,无论其稳态性能还是动态响应都能较好的地反映真实发动机在飞行状态中的物理特性     

符号运算方法在双转子涡喷发动机动态模型建立中的应用

基于符号微分运算对偏微分的解析解方法,提出了1种双转子涡喷发动机动态数学模型建立的方法.在给定双转子涡喷发动机稳态点数据和高、低压压气机特性线的条件下,通过符号微分运算,可获得关于该线性微分代数方程组系数的解析解,简化了发动机的建模过程.     

微型涡喷发动机转子系统设计

以某微型涡喷发动机为研究对象,研究并实践了微型涡喷发动机转子系统设计过程与方法.首先,介绍了发动机及转子系统结构,综述了转子系统设计原则.并从轴承选用、转子动力学特性、振动控制技术、转子动平衡和轴承失效形式等方面重点分析了转子系统的设计过程.课题研究内容为进一步提高国内微型涡喷发动机设计水平提供经验依据.      

一种航空发动机全状态性能模型

采用基于脊背特性的压气机和涡轮部件性能的参数表示方法建立了航空燃气涡轮发动机全状态性能仿真计算模型.使用该模型对某单轴涡喷发动机的地面节流特性进行了计算模拟,并且与传统的发动机性能模型的计算结果进行了对比.结果表明:主要截面参数的平均相对误差不超过07%,说明该模型在慢车以上转速与传统模型具有相同的计算精度.使用该模型同时对该单轴涡喷发动机的空中风车状态、地面起动加速的全过程、以及减速全过程进行了数值模拟,验证了该模型的全状态性能仿真能力,计算结果定性地符合发动机在各个不同工作状态的物理特征及变化趋势.      

一种涡轮发动机加速控制规律设计的新方法

 提出了一种涡喷、涡扇发动机加速控制规律快速设计的新方法：在发动机稳态特性计算模型的基础上,通过额外增加转子提取功率,使得发动机稳态工作点（线）靠近喘振边界,在同时考虑燃烧室富油熄火边界、涡轮进口总温限制以及压气机喘振裕度限制的条件下,利用适当的控制规律描述形式并结合发动机工程研制中的经验,能够快速而准确地获得涡喷、涡扇发动机加速控制规律。对某型涡喷发动机加速控制规律的改进的计算结果表明,提出的加速控制规律的设计方法准确而有效。     

模拟单转子发动机起动性能的计算模型

描述模拟单转子发动机起动性能的计算机数学模型 -DSTGTB。该模型能模拟单转子发动机在地面状态的起动及高空台上的风车状态的起动性能 ,提供了分析和了解发动机在起动过程中运行特性的手段。模型是基于发动机的主要部件的气动热力匹配原理而实现的 ,燃气涡轮发动机的部件匹配技术已广泛应用于慢车以上的稳态和过渡态发动机性能的计算机模拟中 ,该模型通过对部件特性拓展和补建 ,使发动机的部件匹配技术应用于发动机的起动运行。现有的发动机稳态、过渡态模拟技术和匹配方法为本文的工作提供了基础。该模型被应用于某型发动机在地面台上从相对转速 1%起动到慢车状态的运行及高空台上风车状态下起动到慢车状态的运行计算中 ,计算结果与试验数据进行了比较。     

子空间辨识方法的改进

针对现代航空发动机的自适应控制和故障监控领域建立物理意义明确的系统动态模型的需要，基于数字子空间状态空间系统辨识（N4SID）方法，提出并推导了指定状态为量的子空间辨识方法，并在某些双转子涡喷发动机气动热力学模型上进行了仿真实验，说明通过指定状态变量的子空间辨识方法可以得到较好的辨识结果。     

大涵道比涡扇发动机涡轮监视温度容错解析

提出了对大涵道比涡扇发动机涡轮监视温度的容错解析方法,以避免由于涡轮监视温度传感器故障造成的发动机控制降级,或未检测到故障导致发动机超温.解析方法包含两种:一种是基于涡轮排气总温的解析方法作为主解析方法;另一种是基于空气流量模型的解析方法作为余度解析方法,用于在主解析温度与测量温度差异较大时进行比较取真.使用发动机试车数据进行了方法验证,结果显示:主解析方法的稳态计算误差不超过0.33%;余度解析方法的稳态计算误差不超过0.8%.这表明两种解析方法都是有效的,可以用于发动机容错控制.      

弹用涡扇发动机气动稳定性计算与评定

介绍了弹用涡扇发动机气动稳定性计算的基本方法和评定流程。给出了进气畸变、附加功率提取、附加引气、加速过程对弹用涡扇发动机气动稳定性影响的计算分析模型。其中，进气畸变对发动机气动稳定性影响的计算采用平行压气机模型，基于李亚普诺夫理论的方法完成；附加引气、功率提取对发动机气动稳定性的影响采用通过对发动机转子间质量、动量、能量守恒方程进行修正的方法进行；加速过程对发动机气动稳定性的影响采用欧拉方法求解动态的质量、动量、能量守恒方程的方法完成；最后采用“层叠”的方法进行各种降稳因素的综合评估。通过比较可以看出，进气畸变是弹用涡扇发动机主要的降稳因素。     

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。     

虑及多转速的核心机转子高速动平衡试验

为满足航空发动机整机动平衡对转子不平衡振动精稳抑制的需求，采用虑及多转速状态的转子高速动平衡优化配平方 法，开展了核心机转子动平衡试验。以核心机转子系统为对象，研究在高压压气机转子第4、9级盘上配重抑制高压涡轮振动的可 行性。综合考虑核心机转子在多转速下的振动状态，以残余振动平方和及残余振动最大值为目标函数，采用优化算法对配平方案 进行优化，制定了核心机转子高速动平衡方案。在核心机转子系统试验台上分别进行了单平面-单转速、单平面-多转速、双平面- 单转速以及双平面-多转速动平衡的试验。结果表明：采用虑及多转速状态的转子高速动平衡优化配平方法能使因不平衡引起的 核心机转子振动在工作转速区间内均有所减小。     

涡轴发动机自适应非线性预测控制

为了实现当直升机旋翼负载变化时,尽量保持功率涡轮转速恒定,并提高系统动态品质,研究了一种针对涡轴发动机的自适应非线性预测控制(ANMPC)算法.基于涡轴发动机稳态数据和动态特性,采用递归最小二乘法(RLS)进行模型参数辨识,建立了具有在线自适应能力的涡轴发动机数值-ARX(auto regressive with external input)并联预测模型.在此基础上,通过多步输出预测和反馈校正,利用序列二次型优化(SQP)算法,进行在线滚动优化,从而获得了涡轴发动机ANMPC控制器.仿真结果表明:当旋翼负载变化时,相比于传统的串联PID(比例-积分-控制)控制器,ANMPC控制器能够使得功率涡轮转速收敛更快,超调量/下垂量更小.      

涡轴发动机动力涡轮转子失去负载转速预测

为满足发动机适航规章CCAR33.27对涡轮失去负载时转子完整性的设计要求,研究涡轮失去负载瞬间转速随时间变化规律。采用多点稳态法对动力涡轮超转瞬时气动效率与转速对应关系进行研究,在此基础上,假设动力涡轮进口燃气能量不变,进而分析动力涡轮扭矩与转速的变化关系。然后采用理论力学和工程分析相结合的方法建立了动力涡轮失去负载瞬间转子转速随时间变化预测模型,并采用整机试验数据对该模型进行了验证,证明了该预测模型的合理性和准确性,建立的预测模型可为动力涡轮强度和超转保护设计提供理论依据。研究结果表明,动力涡轮转子失去负载后转速在200～300 ms上升至160%,接近大部分轮盘破裂转速,需要在涡轴发动机超转保护设计中引起足够重视。      

脉冲爆震载荷作用下转子系统动力学特性

针对脉冲爆震涡轮发动机(PDTE)气动载荷具有周期性、非定常的特点,应用有限元法建立了PDTE转子系统动力学特性计算模型。在验证计算模型准确性的基础上,研究了周期性、非定常轴向力和扭矩对转子系统动力学特性的影响。研究结果表明:与传统燃气涡轮发动机相比,PDTE转子系统同时存在弯曲振动、轴向振动和扭转振动。脉冲爆震燃烧室的气动载荷会改变转子系统的弯曲刚度,但对气动载荷合理设计后,其对弯曲振动的影响较小。周期性、非定常轴向力引起转子系统轴向振动,且轴向振动特性主要受零频和1阶轴向共振频率处响应的影响。PDTE工作时滚珠轴承的轴向支反力会不断变向,在设计滚珠轴承时应予以考虑。周期性、非定常扭矩引起转子系统扭转振动,1阶扭转共振频率分量在扭转振动响应中占优。      

涡轴发动机性能在线监测技术研究及试验验证

研究了基于模型的涡轴发动机性能在线监测技术,开发了涡轴发动机性能在线监测软件,并进行了真实台架试车试验验证.试验结果表明:软件能够自动判断发动机是否已进入准稳态工况,并根据当前的大气条件、燃气涡轮转速、动力涡轮转速,实时计算发动机其它状态量与性能量,如压气机增压比、动力涡轮前温度、轴输出功率、耗油率等.与模型计算结果相比,被试发动机压气机增压比稳态测量值最大偏低2.3%左右,反映了被试发动机与基准发动机之间的性能差异,验证了涡轴发动机地面台架试车性能在线监测技术的有效性.      

A novel control method for turboshaft engine with variable rotor speed based on the Ngdot estimator through LQG/LTR and rotor predicted torque feedforward

In order to compensate for the disturbance of wide variation in rotor demanded torque on power turbine speed and realize the fast response control of turboshaft engine during variable rotor speed, a cascade PID control method based on the acceleration estimator of gas turbine speed (Ngdot) and rotor predicted torque feedforward is proposed. Firstly, a two-speed Dual Clutch Transmission (DCT) model is applied in the integrated rotor/turboshaft engine system to achieve variable rotor speed. Then, an online estimation method of Ngdot based on the Linear Quadratic Gaussian with Loop Transfer Recovery (LQG/LTR) is proposed for power turbine speed cascade control. Finally, according to the cascade PID controller based on Ngdot estimator, a rotor demanded torque predicted method based on the Min-batch Gradient Descent-Neural Network (MGD-NN) is put forward to compromise the influence of rotor torque interference. The simulation results show that compared with cascade PID controller based on Ngdot estimator and the one combined with collective pitch feedforward control, the novel control method proposed can reduce the overshoot of power turbine speed by more than 20%, which possesses faster response, superior dynamic effect and satisfactory robustness performance. The control method proposed can realize the fast response control of turboshaft engine with variable rotor speed better.