基于扩展卡尔曼滤波器的微型燃气轮机传感器 故障诊断与硬件在环验证

为了解决微型燃气轮机在变工况条件下的传感器信号故障诊断问题,提出了基于1簇卡尔曼滤波器的故障诊断方法。该方法基于V字研发流程,使用基于模型的设计方法开发了Simulink微型燃气轮机部件级仿真模型,设计了变负载条件下的传感器故障诊断与隔离系统。基于全数字仿真平台和硬件在环仿真平台对模型以及故障诊断与隔离系统进行集成验证。结果表明:基于MBD方法的全数字仿真及硬件在环仿真具有很高的一致性,能够快速实现模型转换及验证,为微型燃气轮机控制算法开发与硬件在环验证提供了有力的支持。     

基于Matlab／Simulink的航空发动机部件级建模与分析

借助Matlab搭建完整的双轴涡轮风扇发动机模型，对各部件进行封装，利用Simulink显示模块观察仿真结果。在动态仿真时，引入容积动力效应，避免反复迭代过程，提高模型实时性。与GSP仿真软件结果进行对比，结果表明：所建立的模型具有较高精度，可以准确捕捉航空发动机的动态响应和稳态响应。     

基于改进牛顿法的航空发动机起动建模技术

为进行涡扇发动机起动过程性能仿真研究,在发动机慢车以上部件级模型的基础上,通过指数外推法获得低转速部件特性,在建立起动附件模型的同时,修正起动过程各部件总压恢复系数,从而建立起包含地面起动过程的全状态性能模型。在求解发动机各部件共同工作非线性方程组时,采用基于传统牛顿拉夫森迭代求解方法的改进方法,即在第1次完成中心差分得到Jacobian矩阵后,使用修正项迭代更新上一步的Jacobian矩阵。结果表明:该建模方法可以有效地建立起动过程性能模型,并大幅改善模型的执行效率、提高模型仿真求解速度。     

并联混合动力齿轮传动涡扇发动机建模与性能分析

为对比探究未来大推力航空混合动力系统与传统航空发动机的优劣,本文依托某概念型齿轮传动涡扇(Geared turbofan,GTF)发动机,设计了一个并联航空油-电混合动力系统(hybrid GTF,hGTF),在Matlab /Simulink数字仿真软件中建立相匹配的电动力模型以及氮氧化物NOx排放和噪声预测等性能参数计算模型,并在稳态和飞行任务剖面下初步分析了电动力系统的引入对原基线GTF发动机的性能改变状况。稳态仿真结果表明,大推力等级的并联油-电混合动力系统中,至少需要兆瓦级的电动力系统进行匹配;当电动力系统处于电动模式时,可能会带来低压压气机喘振的隐患;当电动力系统处于再生模式时,电能源相当于经过了电能到机械能再到电能的二次效率损失,不建议采用。飞行任务剖面动态仿真结果表明,相比于传统GTF发动机,hGTF推进系统的燃油消耗率最高下降15%,总燃油消耗节省8.3%, NOx总排放量减少18.8%,各部件起飞噪声总声压级减少1.5~3.3dB。分析结果表明采用并联混合动力系统具有显著提升省油、减排效果的能力,同时也具有一定的降噪潜力。     

涡扇发动机传感器故障诊断的快速原型实时仿真

为快速高效地完成涡扇发动机传感器故障诊断算法的硬件在环仿真试验,构建了以NI CompactRIO为核心的传感器故障诊断系统的快速原型实时仿真平台.基于一簇卡尔曼滤波器,在LabVIEW编程环境中建立了传感器故障诊断系统.分别在涡扇发动机模型稳态和动态工作时完成了对单个传感器故障的检测、隔离和重构的硬件在环仿真试验并验证了算法精度.经过大量试验,结果表明:基于卡尔曼滤波器理论的诊断算法能在传感器故障情况下确保控制系统安全运行,诊断精度最高可达1.4%;同时表明,该快速原型实时仿真平台的设计是成功的.研究工作为发动机传感器故障诊断系统的半物理仿真试验奠定了基础.     

电火花诱导可控烧蚀放电铣削实验研究

提出了一种电火花诱导可控烧蚀放电铣削加工方法,在中空管状电极中间歇通入氧气,在氧气通入阶段电火花引燃金属,利用金属燃烧产生的化学能进行烧蚀加工,氧气关闭阶段进行常规电火花铣削修整,保证表面加工质量与精度。通过实验研究了极性、脉冲宽度、脉冲间隔、低压电流、氧气压力和供氧间隔等工艺规准对电火花诱导可控烧蚀放电铣削加工材料蚀除率和电极相对损耗率的影响。结果表明:该加工方式适合采用正极性加工;电极相对损耗率保持较低的水平;进行粗加工时,应适当增加氧气通入时间,以增加材料蚀除率;进行精整加工时,则应减少氧气通入时间,增加电火花放电时间,以提高表面质量与精度。     

含有非解析子模块的非线性系统控制

针对模型中含有非解析子模块的非线性系统,提出了一种预测控制的设计方法。首先建立了与传统广义预测控制(Generalized predictive control,GPC)的联系,探讨了针对含有非解析子模块的非线性系统控制对性能指标的选取原则,并由此推导出了最优预测控制器,并进一步讨论了控制器的实施问题。由于所提出的设计方法不需要对非线性系统求逆,因此具有较低的计算复杂度。对两节机械手臂的仿真研究验证了所提出的设计方法的有效性。     

一种面向硬件在环的控制系统协同设计综合平台FWORKS

为实现航空发动机控制系统在数字仿真阶段的多用户、多学科协同功能，提高设计研发效率，搭建了全数字综合仿真平 台 — —FWORKS。针对常规数字仿真软件难以实现多用户间并行开发的缺点，采用分布式设计架构，通过以太网络将多个服务端 软件和人机交互软件相互联系，实现并行开发人数不少于30人的功能。该平台集成了EmbeddedCoder、SVN等工具，具备多学科 协同仿真、模型和算法的存储调用等功能。通过集成硬件在环平台所需第三方软件及编译环境等，FWORKS实现了与硬件在环平 台的无缝对接。结果表明：FWORKS仿真结果与传统全数字仿真的误差小于0.4%，与硬件在环平台的误差小于1%，表明该平台 仿真具有较高的准确性以及功能的有效性，为控制系统设计人员提供了开放的综合仿真平台。     

基于几何设计法的航空发动机有限频域稳态抗扰控制器设计

传统发动机稳态抗扰控制器在设计时,控制性能指标未能充分考虑被控对象及干扰信号的典型特征,如可作为反馈用的传感器和执行机构数量有限、干扰能量只集中在有限频域等因素,往往抗扰控制器设计的较为保守,并不总能获得满意的抗扰性能。本文提出一种可以在有限频域内采用几何图解法进行性能改进的稳态抗扰控制器设计方法“几何设计法”,该方法可以直观地在复平面上定义闭环系统各输出量在有限频域内的控制性能指标以及控制量在受限情况下的系统抗扰性能极限,从而使用图解法的形式来解决有限频域抗扰控制器的求取问题。仿真结果表明,发动机在巡航稳态工况下,面对能量主要集中在2～16 rad/s有限频域的大气湍流马赫数干扰时,基于几何设计法设计的抗扰控制器相比传统混合灵敏度H∞控制器,风扇折合转速抗扰百分比提升30%以上的同时,推力抗扰百分比提升了15%以上。     

考虑主动间隙控制的涡轮叶尖间隙建模计算研究

建立了具有涡轮叶尖间隙计算功能的发动机实时模型并设计了主动间隙控制系统,以反映涡轮叶尖间隙控制对发动机动、静态性能的影响。提出以半无限平面瞬态热传导与多项式拟合相结合的方法,更准确计算发动机动态过程中变化的叶尖间隙;基于涡轮叶尖间隙的变化量和涡轮性能参数的关系实时修正当前涡轮性能参数,提高了常规发动机部件级模型的计算准确度,且涡轮叶尖间隙每减少0.25mm,涡轮效率提高1%,耗油率下降1%;在分析气冷式主动间隙控制系统的基础上,设计了一种可以控制叶尖间隙变化的机械式主动间隙控制系统,使动态过程中变化的叶尖间隙始终处于指令间隙。通过对发动机地面加速过渡过程和巡航减速过渡过程的仿真,验证了上述方案的有效性。