控制问题中航空发动机飞行包线区域最优划分

结合最优化理论和线性系统理论,对控制问题中航空发动机飞行包线区域划分方法展开了研究。分析了发动机线性状态空间模型与进气道出口气流总温总压参数有关特性。在此基础上定义了飞行包线内任意两飞行点间的广义距离,提出将飞行包线区域划分与标称点设计问题转化为一个基于该广义距离的最大覆盖优化问题,即选择尽量少的标称点实现对飞行包线区域的覆盖。以涡扇发动机及其进气道为例,采用文中方法对其包线区域进行了划分计算,并对标称点与其覆盖区域内最远点处发动机线性化模型进行了比较。结果表明,该区域划分和标称点选择的优化方法的有效性。     

基于多项式平方和规划的涡扇发动机切换控制

针对航空发动机动态特性随飞行状态和飞行条件的变化范围大,单一控制器很难保证全包线内控制效果的问题,在航空发动机LPV模型基础上提出1种平滑过渡的切换控制方法。该方法根据发动机进口条件对飞行包线区域进行划分,按照多项式平方和规划理论以及平滑过渡切换律求取各子区域的Lyapunov函数及LPV控制器。在某型涡扇发动机上进行仿真验证,结果表明:所设计的切换LPV控制器在不同高度、马赫数和转速条件下均具有良好的性能和控制精度,可以实现平滑切换。     

用于控制器分区设计的发动机飞行包线区域最优划分

结合最优化理论和线性系统理论,对控制问题中航空发动机飞行包线区域划分方法展开了研究.首先基于小偏离线性动态模型,根据线性系统理论,将发动机动态特性的摄动归为线性模型的状态矩阵特征值和稳态增益的摄动来表征.然后在此基础上,定义了一种广义距离以表征发动机动态特性的摄动程度,并以定义了区域的划分原则.继而提出将飞行包线区域划分问题转化为一个基于该广义距离的最优化问题.最后就某型涡扇发动机情形,对其飞行包线区域进行了划分计算,并对划分区域内发动机线性模型摄动进行了比较,结果表明该区域划分和标称点选择方法的有效性.      

民用涡扇发动机预测控制器设计

对一定包线范围内的稳态预测控制器和加速减速过渡态控制器设计展开研究.针对某大涵道比民用涡扇发动机,根据发动机进口参数的相对变化指标对控制区域进行划分,以标称点处发动机线性模型为对象设计了相应的预测控制器,利用提出的多层参数调度方案实现了不同飞行条件及不同发动机状态下预测控制器参数的自适应调整.仿真结果表明:所设计的发动机预测控制系统在控制区域内的设计点和非设计点均具有良好的性能,为全包线设计提供了有效方法.     

基于飞行包线划分的航空发动机T-S模糊模型辨识

针对航空发动机在建立Takagi-Sugeno(T-S)模糊模型时运算耗时长和过分依赖学习数据的问题,提出了一种基于飞行包线划分的航空发动机T-S建模方法.通过飞行包线划分和标称点求取确定T-S模型的前件结构;计算各标称点的状态空间模型,将其作为T-S模型的后件;最后通过对航空发动机发参数据的机器学习完成对模型前件参数的辨识.仿真对比结果表明:该方法缩短了航空发动机T-S模糊模型的建模时间,并使得高压转子和低压转子转速的绝对误差分别小于0.25%,0.10%,保持了辨识精度.      

基于双层LPV模型的涡扇发动机切换控制

航空发动机飞行包线和参数变化范围大,要想保证整个参数区间存在一个单一的LPV控制器,往往需要牺牲一些区域的性能。针对上述问题,提出一种基于双层LPV模型的切换控制方法。首先通过发动机进口条件将飞行包线划分为几个局部重叠的子区域,分别建立各个子区域的双层LPV模型并求取对应的Lyapunov函数,进而根据所得的Lyapunov函数设计各子区域的控制器,并采用滞后切换策略和共同二次Lyapunov函数相结合的方式实现各子区域间的切换,解决控制器在切换时抖振问题的同时保证切换的稳定性,最后以某型涡扇发动机为对象进行仿真,结果表明所设计的控制器在全包线内有良好的控制效果。     

基于智能特征提取的模糊建模及鲁棒控制

针对航空发动机全包线线性模型难以在线建立问题,提出一种基于智能特征提取的模糊建模方法。设计航空发动机特性表征参数,采用近邻传播算法提取航空发动机特性,将特性提取区域中心稳态工作点作为Takagi-Sugeno （T-S）模糊模型标称点建立全包线T-S模糊状态空间模型。基于该T-S模糊模型结合H_∞控制理论,设计参考模型H_∞控制器并开展仿真验证,仿真结果表明：T-S模糊状态空间模型稳态误差处于10^-3量级,满足模型精度要求且H_∞控制器响应时间小于1s,无稳态误差,具有较好的控制效果。     

某型发动机数控系统的相似参数自适应控制

针对航空发动机在全飞行包线非线性和时变的特点,提出了参数自适应PID控制器设计方法,研究了用最小二乘法和相似参数法两种参数估计器进行在线参数辨识和参数整定的问题。通过与发动机线性模型和部件级非线性模型的仿真,对两种控制算法进行了比较,确定了相似参数法自适应PID控制器具有稳定性好,计算简单,适用于全包线等优点。将相似参数法自适应PID控制器用于某型航空发动机全权限数控系统,通过试车和试飞,验证了该方法的优点。      

航空发动机全包线自适应解耦控制器设计

为实现航空发动机在全包线的解耦控制, 在飞行包线内选择了若干点, 使用遗传算法对单神经元自适应解耦控制器的比例系数进行了离线优化。以优化得到的若干组参数为训练样本, 离线训练径向基函数(RBF)神经网络, 训练后的网络可映射高度、马赫数与比例系数之间的非线性关系, 飞行包线内任意点的解耦控制器比例系数即可由该网络得到。仿真表明:在设计点和非设计点, 系统均具有良好的动态特性和解耦特性。该方法结构简单、易于实现, 具有实用价值。      

基于切换多胞LPV的涡扇发动机全包线中间状态控制

针对航空发动机全包线内参数变化范围较大,单一控制器很难保证全包线内的控制效果的问题,提出了基于切换多胞线性变参数（LPV）的发动机全包线中间状态控制方法.根据发动机的进口条件将飞行包线分为相互重叠的子区域,将多胞理论及状态重置切换方法引入控制器求解,给出了能够保证切换多胞LPV系统鲁棒稳定的线性矩阵不等式（LMI）条件;利用求解出的Lyapunov矩阵设计各子区域的LPV控制器,并结合几何位置调度策略实现子区域LPV控制;利用局部重叠的滞后切换策略和状态重置切换律实现全包线内各控制器的切换,并证明了该闭环切换系统的稳定性.最终以某型涡扇发动机为研究对象进行仿真验证,结果表明:采用该控制方法稳态误差能够控制在0.1%以内,超调量不大于0.5%.      

发动机喘振裕度自适应控制

本文研究飞行 /推进系统一体化控制中的发动机喘振裕度自适应控制。通过一定的控制作用 ,使发动机在所有飞行条件和工况下都保持一定的喘振裕度 ,从而充分发挥发动机的潜力。将发动机大偏差模型、进气道及飞机模型综合在一起 ,构成飞机 /推进系统一体化数学模型 ,以进行发动机自适应控制的仿真。计算机仿真表明 ,发动机自适应控制具有很好的性能效益 ,例如在飞行高度 H=10公里 ,飞机由 Ma=0 .65加速到 Ma=0 .90 ,在采用自适应喘振裕度控制后 ,双发动机推力提高 16 ,飞机加速时间缩短 2 3 ,大大提高了飞机性能。     

自适应变循环发动机性能优势评价方法

为了综合评价自适应变循环发动机相比常规涡扇发动机的性能优势,提出了从发动机耗油率降低和质量增加2个维度以及从发动机耗油率、飞机燃油消耗量和燃油效率之间关系的角度来评价自适应变循环发动机性能的2种方法。结果表明:发动机耗油率降低和质量增加之间存在某个平衡点,只有质量增加幅度小于耗油率降低幅度时,才能体现自适应变循环发动机的性能优势,并且飞机航程越长,越能体现自适应变循环发动机耗油率降低带来的优势;发动机耗油率、飞机燃油消耗量和燃油效率之间呈指数关系变化,当假设飞机巡航航程为3500 km、飞机升阻比为10.5时,自适应变循环发动机巡航耗油率相比常规涡扇发动机的降低1%,可使飞机燃油消耗量减少约1.9%,飞机燃油效率提高约2.4%。     

基于未知输入观测器的涡扇发动机直接推力控制

针对某型涡扇发动机,进行直接推力控制回路设计方法研究.基于未知输入观测器(UIO)原理建立了涡扇发动机机载模型和推力估计器,UIO通过解耦外界干扰实现了全飞行包线推力的准确估计;提出了直接推力闭环反馈控制的双回路结构设计方案,内环转速控制,外环推力控制,有利于实现各回路控制参数的独立设计.仿真验证结果表明:基于UIO的模型基涡扇发动机直接推力控制具有良好的控制稳定性和抗干扰性能,对于发动机不同工作点直接推力控制,推力控制误差不超过0.1%,转速控制偏差不超过0.2%.      

Comprehensive analysis of transport aircraft flight performance

This paper reviews the state-of-the art in comprehensive performance codes for fixed-wing aircraft. The importance of system analysis in flight performance is discussed. The paper highlights the role of aerodynamics, propulsion, flight mechanics, aeroacoustics, flight operation, numerical optimisation, stochastic methods and numerical analysis. The latter discipline is used to investigate the sensitivities of the sub-systems to uncertainties in critical state parameters or functional parameters. The paper discusses critically the data used for performance analysis, and the areas where progress is required.

Comprehensive analysis codes can be used for mission fuel planning, envelope exploration, competition analysis, a wide variety of environmental studies, marketing analysis, aircraft certification and conceptual aircraft design.

A comprehensive program that uses the multi-disciplinary approach for transport aircraft is presented. The model includes a geometry deck, a separate engine input deck with the main parameters, a database of engine performance from an independent simulation, and an operational deck. The comprehensive code has modules for deriving the geometry from bitmap files, an aerodynamics model for all flight conditions, a flight mechanics model for flight envelopes and mission analysis, an aircraft noise model and engine emissions. The model is validated at different levels. Validation of the aerodynamic model is done against the scale models DLR-F4 and F6. A general model analysis and flight envelope exploration are shown for the Boeing B-777-300 with GE-90 turbofan engines with intermediate passenger capacity (394 passengers in 2 classes). Validation of the flight model is done by sensitivity analysis on the wetted area (or profile drag), on the specific air range, the brake-release gross weight and the aircraft noise. A variety of results is shown, including specific air range charts, take-off weight–altitude charts, payload-range performance, atmospheric effects, economic Mach number and noise trajectories at F.A.R. landing points.     

飞机快速机动过程中进气道/发动机一体化计算分析

基于进气道/发动机推进系统一体化动态数值模拟计算系统,对飞机快速俯仰机动飞行过程中的性能进行了计算分析研究,获取了飞机快速俯仰过程中的推进系统气动性能的变化特征,数值计算结果表明:快速变化的外部扰动会诱发发动机内部热力循环参数和性能更大的动态波动;在机动飞行的同时,增大燃油量,发动机推力下降程度得以减缓,发动机的单位燃油消耗率上升.      

一种基于模型的涡扇发动机容错控制策略

针对民用涡扇发动机,研究了一种基于模型的航空发动机容错控制策略.在发动机原有闭环控制系统的基础上,该策略对发动机各控制量进行容错控制修正,达到缓和甚至消除故障对控制系统影响的目的.针对民用涡扇发动机常见的高压压气机和高压涡轮性能退化故障,提出了以恢复发动机运行性能为目的的性能指标,通过遗传算法离线计算得到容错控制计划表,并利用插值计算实现在线容错控制.经仿真验证,该策略控制性能良好、实现简单.结果表明:在确保各温度限制不超标的情况下,受影响较大的增压级喘振裕度恢复至故障发生前的水平,同时风扇与高压压气机喘振裕度的降幅不超过5%,推力的降幅不超过3%.      

利用神经网络设计航空发动机全包线最优控制器

本文提出一种用神经网络拟合飞行条件、发动机工况与发动机最优控制器参数之间关系, 从而设计适合于全飞行包线范围内发动机最优稳态控制器的方案。该方案可以针对发动机分段线性化模型, 利用成熟的线性控制设计方法设计非线性控制器, 且控制器结构简单、实时性好。仿真结果表明, 所设计的发动机控制系统在整个飞行包线内的设计点及非设计点均具有良好的性能。      

Non-affine parameter dependent LPV model and LMI based adaptive control for turbofan engines

The precise control of turbofan engines thrust is an important guarantee for an aircraft to obtain good flight performance and a challenge due to complex nonlinear dynamics of engines and time-varying parameters. The main difficulties lie in the following two aspects. Firstly, it is hard to obtain an accurate kinetic model for the turbofan engine. Secondly, some model parameters often change in different flight conditions and states and even fluctuate sharply in some cases. These variable parameters bring huge challenge for the turbofan engine control. To solve the turbofan engine control problem, this paper presents a non-affine parameter-dependent Linear Parameter Varying(LPV) model-based adaptive control approach. In this approach, polynomial-based LPV modeling method is firstly employed to obtain the basis matrices, and then the Radial Basis Function Neural Networks(RBFNN) is introduced for the online estimation of the non-affine model parameters to improve the simulation performance. LPV model-based Linear Matrix Inequality(LMI) control method is applied to derive the control law. A robust control term is introduced to fix the estimation error of the nonlinear time-varying model parameters for better control performance. Finally, the Lyapunov stability analysis is performed to ensure the asymptotical convergence of the closed loop system. The simulation results show that the states of the engine can change smoothly and the thrust of the engine can accurately follow the desired trajectory, indicating that the proposed control approach is effective. The contribution of this work lies in the combination of linear system control and nonlinear system control methods to design an effective controller for the turbofan engine and to provide a new way for turbofan engine control research.     

战斗机推力矢量关键技术及应用展望

战斗机推力矢量技术可极大地扩展战斗机使用包线,提升飞行安全性,增强飞机作战能力,是航空领域的重要关键技术,是先进战斗机的典型标志之一。该技术涉及气动、进排气、发动机和飞行控制等多个领域,其综合实现是一项跨领域、紧耦合、高风险的系统工程。本文回顾了战斗机推力矢量技术的发展历程,分析了关键技术体系,结合中国首架轴对称推力矢量验证机的工程实践,阐述了大迎角内外流气动设计、推力矢量发动机、综合飞/发控制和战斗机过失速机动飞行验证等关键技术,展望了推力矢量技术对作战效能的贡献及未来的应用方向。     

推进系统性能分析

本文应用我们所建立的推进系统性能计算程序,研究进气道-发动机-喷管匹配,分析了各种设计参数和使用条件对推进系统性能的影响,并把推进系统和飞机组成一个系统,进行发动机最佳循环参数的优选。