大流量航空发动机高空模拟进气压力智能与复合控制技术

在航空发动机高空模拟过渡态考核试验中,要同时实现进气压力的稳定和快速控制非常困难.针对系统实际工况及被控对象的特点,本项目成功开展了进气压力智能与复合控制技术专项研究,并进行了关键技术总结.实际结果表明,采用该技术后,进气压力控制系统能实现高精度和快速度的高效统一.     

航空发动机过渡态试验进气压力线性自抗扰控制方法

航空发动机高空模拟试车台过渡态试验中进气控制系统受扰严重,常规方法难以有效提升进气压力控制品质,提出了一种基于线性自抗扰的进气压力控制方法。采用机理建模和系统辨识手段搭建高置信度进气仿真平台,设计线性自抗扰控制器,实现对发动机扰动影响的实时预估和补偿,形成具有主动抗扰机制的进气压力控制方法。考虑实际使用中存在控制器手/自动及控制器间的切换问题,设计实用型无扰切换方法。仿真环境下,将该方法与比例积分微分(PID)进行对比,结果显示进气压力最大偏离值由7.69kPa缩小至0.9kPa,且能够快速收敛趋于稳定,表明了该方法无需发动机信息即可实现进气压力的有效控制,通用性高,抗扰性优,能够大幅提升发动机过渡态试验中进气系统的调节品质。      

试验设备与动态信息

设备组成:ＳＢ412试验器包括各有两个试验段的中、高压试验台。试验台均由主气路、燃油系统、冷却水系统及测量控制系统组成。主气路由顺序连接的进气管道、进气加温系统、高温空气管道、试验段、出口移位测量装置、(观火装置)、喷水段及排气消音装置等组成(照片见封二)。设备主要性能参数:中压台:进气流量5～35ｋｇ/ｓ,压力0.15～0.65ＭＰａ,额定温度850Ｋ;高压台:进气流量5～21ｋｇ/ｓ,压力0.15～2.5ＭＰａ,额定温度950Ｋ。进气升降温速率(120～180)℃/ｈ;试验的出口燃气温度均允许1600Ｋ以上;采集时步数、点数、角度、速率均可调节。常规…     

进气加温模拟装置对涡扇发动机进气流场稳定性影响试验

为分析新设计的进气加温模拟装置对涡扇发动机进气流场稳定性的影响,对试验设备、测试方案、进气流场的稳定性评 估方法和试验方案进行设计研究。通过开展气源供气温度、供气流量和发动机状态多因素匹配工况下涡扇发动机与进气加温模 拟装置的联合试验,确定发动机进口气流稳定性指标的最高值。对不同试验工况数据进行计算分析,结果表明：进气加温模拟的 稳压进气道对发动机进口压力场影响较小,发动机状态稳定时进口温度场只有1个高温区,T 1 升高以及发动机状态提高,温度场及 压力场不稳定性增大,多工况下发动机温场周向不均匀度最大为0.6907%,压力场周向畸变指数最大为0.0187%。进气加温模拟 装置条件下,发动机压力场和温度场稳定性情况满足发动机试验要求,可为后续开展发动机进气加温试验提供参考。     

轴承腔气相介质流场的理论与试验

采用有限元数值分析和试验研究的方法,研究了航空发动机轴承腔气相介质的压力场和速度场,探讨了转子转速和密封进气量等工况参数对轴承腔气相介质压力和速度分布的影响规律,研究工作表明:轴承腔气相介质压力随着转子转速、无量纲径向坐标、密封进气量的增加而增高;气相介质无量纲切向速度随着转子转速增高而增大,随着密封进气量增大而减小.试验结果表明:随着转子转速和密封进气量的增加,气相介质压力的试验结果与计算结果吻合性均增高.通过计算和试验揭示出的工况参数对轴承腔气相介质压力的影响规律,有助于轴承腔气相介质流动物理特性研究的完整性.      

结冰风洞小流量发动机进气部件防冰试验技术

为满足国产航空发动机小流量进气防冰试验的需求,基于结冰风洞的发动机进气模拟系统,分析了典型小流量发动机进气部件的进气特征,开展了小流量发动机进气模拟方法研究。提出采用水环真空泵解决了大流阻进气导致吸气管道压力大幅度降低问题,在此基础上,优化了发动机进气模拟系统,建立了在结冰风洞开展小流量发动机进气部件防冰试验的流程,并应用于某型号小流量发动机进气部件防冰试验。结果表明：发动机进气模拟系统满足小流量发动机进气部件防冰试验要求,进气流量控制精度达到±0.05 kg/s（±0.33%FS）,试验过程中的流量变化可用于辨别防冰效果。相关研究为发动机进气模拟系统设计、优化和小流量发动机进气部件的防冰特性考核提供了参考依据。     

侧向进气条件下爆震室内热自燃研究

通过试验的方法对侧向进气条件下脉冲爆震发动机爆震室内发生热自燃的条件进行研究。本文针对筒形旋转阀式脉冲爆震发动机,通过改变爆震室内的燃气温度测出了不同进气压力和不同进气角度下发生热自燃现象的富油限和贫油限,并测出了发生热自燃现象时的最低温度,以及最低温度和进气压力与进气角度的关系,对提高脉冲脉冲爆震发动机的性能有重要意义。     

基于试验数据统计的畸变特性关联模型

针对常规压气机进气压力畸变试验中采用多组插板、多组安装距离进行逐一尝试,导致试验效率低的问题,收集整理并统计了6台套压缩部件进气压力畸变部分参数的变化规律。利用插板前马赫数作为基准,初步得到不同插板安装状态下综合畸变指数随进口马赫数的关联模型。利用该模型对各种试验状态下的畸变指数进行预测,准确度基本能达到14.0%,为压缩部件进气压力畸变试验插板布局方案的制定提供了参考依据,并可提高试验效率。另外,关联模型还揭示,相比于气动界面与插板距离,插板深度对畸变流场的影响更大。     

进气压力畸变试验中面平均紊流度的计算

为研究航空发动机进气压力畸变试验中数据处理方法对面平均紊流度计算结果的影响,通过分析涡扇发动机进气压力畸变试验数据,得到了不同取样时间及不同滤波截止频率对面平均紊流度计算的影响结果。分析表明,只有合理选择取样时间及滤波截止频率,才能保证所计算面平均紊流度的准确性。本研究为进气压力畸变试验中面平均紊流度的计算提供了一种参考方法。     

双向进气时扰流柱通道内流动与换热特性试验研究

试验研究了两端进气时涡轮叶片尾缘扰流柱通道内的流动与换热特性。试验模型对涡轮叶片尾缘横肋、扰流柱通道进行了简化,并放大四倍,保留了叶片尾缘的基本特征。试验中通过调节扰流柱通道和横肋通道的流量分配,得到各测点的压力分布和努赛尔数据分布。研究结果表明,扰流柱通道两端进气结构,使整个通道的压力分布和换热分布比较均匀,克服了一端进气时流阻和压力损失较大引起的叶尖换热较差的缺点。     

基于自适应神经模糊推理系统的导弹直/气复合控制系统设计

针对导弹直/气复合控制问题,提出了一种基于自适应神经模糊推理系统的导弹直/气复合控制系统设计方法.首先,建立了直/气复合导弹数学模型.然后,针对常规模糊控制设计严重依赖经验的问题,在模糊控制的基础上引入神经网络,通过样本数据学习建立自适应神经模糊推理系统(ANFIS),并设计了脉冲调宽调频调制器.最后,通过仿真试验验证了所提的控制系统设计方法.仿真结果表明,基于ANFIS的导弹直/气复合控制系统能够快速精确地跟踪加速度指令.     

基于HIL的车用电机控制器故障保护策略测试

随着新能源汽车电控系统的发展以及复杂度和集成度的提高,整车故障保护策略已成为软件开发的重要组成部分之一,但测试难度较大且风险较高,尤其针对电机控制系统,传统的台架和实车测试往往不能满足需求。通过对电机控制系统故障保护策略及硬件在环(HIL)测试方案的介绍,并结合dSPACE仿真系统,针对车用电机控制单元搭建了信号级HIL仿真测试平台。借助上位机实时模拟电机不同故障工况,并进行试验和测试结果的分析,验证了电机控制器故障保护策略的正确性,同时体现出HIL测试方法的优越性。     

主动式电液伺服加载系统的分析和实验研究

建立了阀控非对称缸主动式电液伺服加载系统的数学模型,设计了复合校正的控制策略,并作了仿真和实验研究 。     

基于刚度优化的绳牵引并联支撑系统力/位混合控制

针对应用于风洞试验的八绳牵引并联支撑系统高性能运动控制问题,开展绳索张力实时优化与力/位混合控制技术研究。基于动态试验需求和系统刚度矩阵,选择主刚度加权和最大为目标函数,将其转化为线性规划问题,采用二维凸多边形张力可行域顶点法进行实时求解,并根据绳索张力变化约束进一步提出连续可行域,确保解的连续性,实现其优化分布;设计一种基于电机转角和绳索张力反馈的力/位混合控制策略,其中位姿控制环采用计算力矩法,并利用实际绳索张力补偿惯性力和非线性力等,进而开展稳定性分析。以风洞试验中典型的推力模拟、俯仰振荡等线位移和角运动轨迹为例,在原理样机上开展控制验证实验。研究结果表明该控制策略能够实现对末端飞行器模型位姿和绳索张力的有效跟踪,且具有较高的精度和良好的稳定性,可以为绳牵引并联支撑在风洞动态试验中的应用提供技术支持。     

碟形飞行器复合控制主次分配策略

针对碟形飞行器复合控制系统中变质量矩控制子系统的响应特点,提出了变质量矩,推力矢量复合控制的主次分配策略。仿真研究表明,这一分配策略不仅克服了变质量矩控制子系统的扰动影响,而且能够实现变质量矩控制和推力矢量控制两种控制方式的优势互补,达到了良好的控制性能。     

基于BOWA小脑模型的高精度稳定 电动加载系统

 随着电动加载系统的不断发展,对控制精度、动态特性和稳定性提出了更高的要求,常规的小脑模型(CMAC)和PD控制相结合的复合控制策略难以满足加载指标要求。针对无人机舵机电动加载系统的控制需求,提出了一种基于平衡学习、最优权值和自适应学习率的新型小脑模型(BOWA-CMAC)复合控制策略,它在保留小脑模型算法正常学习过程的同时,避免了算法的过学习现象,保证了系统的稳定,同时提高了跟踪精度和动态特性。仿真和实验结果表明,BOWA-CMAC复合控制策略具有很强的鲁棒性,抑制了加载系统的多余力矩,保证了系统的稳定性,有效提高了系统的跟踪精度和动态特性,非常适合于实时控制。     

含位置给定轨迹优化的位置伺服复合控制系统研究

位置动态响应速度快和响应无超调是目前高性能位置伺服系统的两个重要指标。单纯的比例或比例微分位置调节器无法同时满足这两个要求,所以提出了一种新型定位复合控制策略。首先为保证运动过程柔滑无冲击而设定速度余弦函数曲线给定,从而根据平滑变化的速度给定对位置给定信号进行轨迹优化,避免了加速度突变带来的冲击。系统控制结构上提出在前馈控制的基础上引入位置伪微分负反馈控制环节,该环节增加了系统阻尼,减少位置超调量,同时结合前馈控制保证了位置快速跟踪性能。由于采用了伪微分结构代替位置微分运算,避免了微分带来的量化噪声干扰,进一步提升了系统跟踪性能。最后给出了结构参数的取值范围。仿真和试验结果验证了该控制策略的可行性和有效性。     

永磁式双凸极电机系统稳态运行模型研究

以一台12/8极永磁式双凸极电机为研究对象,以有限元法对电机内电磁场分析结果为基础,对双凸极电机系统在不同控制方式下的稳态运行过程进行分析,得到与之相应的一阶非线性常微分方程。在Matlab编程环境下对各微分方程进行求解并结合电机的数学模型,建立永磁式双凸极电机系统稳态运行仿真模型,并将仿真得到的电流波形和机械特性曲线与实测得到的相关波形对照,二者间有很好的一致性。表明提出的双凸极电机系统研究方法具有一定的实用价值。     

基于模型预测的多电机弱磁同步控制策略研究

从工业场合下多电机系统高速运行的实际需求出发,分析了传统多电机控制系统和传统弱磁控制系统的优缺点,针对多电机高速运行时的弱磁特性进行了研究。模型预测控制(MPC)是一种基于被控对象模型的新型控制算法,具有较强的鲁棒性和较好的控制性能。交叉耦合控制是一种在并行控制基础上对每个电机进行相应补偿的控制系统。将MPC应用到多电机控制系统中并对其进行改进使其具有弱磁控制能力；对传统的交叉耦合控制策略进行改进。将二者结合提出了一种基于模型预测的多电机弱磁同步控制策略,并以双电机系统为例。最后,进行了仿真验证,仿真试验结果表明,基于模型预测的多电机弱磁同步控制策略,可获得比传统双电机系统更好的跟随性能和同步性能。