基于攻角预测模型的航空发动机高稳定性控制

研究了发动机稳定性控制问题.作战飞机在超机动飞行时,发动机进口流场畸变严重,采用常规控制并不能保证其稳定工作.针对上述问题,提出了基于攻角预测的发动机超机动飞行高稳定性控制器:首先建立了进气道攻角预测模型,以实时估计发动机进口流场畸变,并在此基础上用增广线性二次型调节器(augmented linear quadratic regulator,简称ALQR)方法设计了高稳定性控制器,最后在发动机/三自由度飞机综合模型平台上模拟大攻角飞行任务进行了数字仿真验证.数字仿真结果验证了提出的控制思想的合理性和可行性.      

基于辅助进气门的进气道/发动机一体化稳定性控制研究

为了实现发动机在大机动飞行时高品质稳定运行,提出了一种基于辅助进气门调节的进气道/发动机一体化稳定性控制方法。基于进气道CFD模型,通过飞行条件和辅助进气门开度计算出口性能参数,考虑总压畸变对风扇特性的影响,建立了进气道实时模型和总压畸变模型,并将其与发动机部件级模型匹配,建立进/发一体化模型。为了直接控制发动机安全裕度,选取发动机部分可测参数作为输入,通过非线性拟合方法建立风扇喘振裕度实时估计模型,相比于直接压比控制可以充分发挥发动机的潜能。进/发一体化控制是通过调节辅助进气门开度,控制进气道出口总压恢复系数,以满足发动机进口截面需求,并基于H∞鲁棒控制实现对发动机的转速和安全裕度的控制。仿真结果表明,所提出的方法可以实现发动机在大机动飞行过程中安全稳定工作,推力损失不超过2%。     

一种基于发动机喘振实时模型的主动稳定性控制方法

提出了涡扇发动机喘振实时模型建立方法,该模型考虑了发动机容腔的容积动力学效应,风扇、压气机的失速区特性,燃烧室的熄火特性,同时建立了发动机进口总温畸变、总压畸变及组合畸变模型;提出了一种基于压力相关度测量的发动机主动稳定性控制技术,通过测量压气机转子叶片尖端区域的压力相关度,得到相关度值穿越阈值的次数,根据穿越阈值次数与喘振裕度值固有的特性关系,得到压气机的喘振裕度,进而通过鲁棒控制方法设计了主动稳定性控制律,并进行了仿真研究,结果表明:相比于常规控制,基于压力相关度测量主动稳定性控制可以实现发动机过渡态过程中压缩系统不进喘,明显提高了发动机过渡态的动态性能.      

高机动飞行下进气道/发动机相容性试验

为了评估飞行攻角和侧滑角快速变化对进气道出口畸变、发动机稳定性的影响,进行了某型飞机高机动下进气道/发动机相容性飞行试验,获得了快速飞行姿态改变时进气道与发动机相关参数的试验数据.通过对飞行数据的整理、计算和分析,研究了高机动状态下进气道出口的畸变特性、发动机稳定性以及进气道出口畸变和发动机稳定性的相关性.研究结果表明:高机动飞行状态下进气道出口流场品质变差,发动机稳定性变差.      

进气畸变下航空发动机失速/喘振适航审定方法

航空发动机失速/喘振问题是适航审定的重要内容之一,针对失速/喘振适航审定方法开展研究具有重要的工程价值。根据中国民用航空规章(CCAR)《航空发动机适航规定》中关于航空发动机失速/喘振的基本要求,从进气畸变对发动机失速/喘振裕度的影响角度出发,以平行压气机模型为基础对某型航空发动机通用特性及失速裕度进行预估,计算结果与实验值仅相差不到1.5%;然后采用三维数值方法计算了进气迎角以及畸变范围变化下多种工况的进口畸变流场,对比分析后总结出航空发动机喘振裕度-进气畸变-飞行状态(迎角)三者之间的变化规律,发展了极限飞行姿态的判定方法;最后,结合中国民用航空规章的相关文件,制订了针对航空发动机失速/喘振的适航审定流程。     

飞行/推进系统自适应神经网络综合控制仿真研究

 提出一种基于发动机喘振裕度自适应的飞行 /推进系统综合控制。在发动机喘振裕度较大的某些飞行条件或飞行包线内,通过调整喷口面积,使发动机喘振裕度保持在一个较小值,既保证发动机稳定工作,又增加发动机推力,从而改善飞机的性能。采用分散控制方案,综合控制系统由 5个控制子系统组成。各控制子系统的设计采用自适应控制和神经网络相结合的方法,所提出的参数和权重的自适应调整律保证系统的稳定性。全包线范围内飞机平飞加速和爬升数字仿真结果表明,该综合控制方法可缩短飞机的平飞加速时间和爬升时间。     

双转子发动机含喘振的动态模型

为了满足现代飞机高性能的要求,应尽可能提高发动机的最大推力,从而使压气机喘振裕度下降。当发动机遇到恶劣的工作条件时,如飞机机动飞行引起进气道畸变,加力燃烧室点火,发动机吸进发射火炮或导弹产生的废气等,可能引起发动机气动力不稳定,即喘振或失速。喘振时,压气机出口总压和流量出现大幅度振荡,涡轮前总温急剧上升,发     

进气道温度畸变问题的研究

重点研究稳态温度畸变对发动机稳定工作的影响。温度畸变分为周向温度畸变和径向温度畸变两种情况。温度畸变将使发动机喘振裕度降低。情况严重时可使发动机工作不稳定,或发动机熄火,从而危及飞行安全。本文半给出进气道温度畸变和稳定性因子的确定方法,作为进气道／发动机匹配研究的基础。     

涡扇发动机进气畸变容限控制研究

对某型涡扇发动机风扇,建立进气畸变下的准一维气动稳定性分析模型。利用该模型的计算结果,训练一个基于BP神经网络的畸变估算模型,并嵌入到0维发动机实时仿真程序,以实现进气畸变容限控制。结果表明:在无畸变或小畸变情况下,通过收缩喷口来提高风扇工作点挖掘发动机潜力的作用有限;放开喷口临界面积能有效容忍高畸变指数进气;主燃油与主控制器强烈耦合,使得其难以稳定控制风扇裕度。     

一种用于提高发动机气动稳定性的控制策略

通常,风扇/压气机可用稳定裕度明显高于具体使用条件下的最大值,理论上为发动机性能提高提供了可能。基于上述思想,本文开展了主动稳定性控制(ASC)方法研究,在小畸变下,通过降低稳定裕度要求来提高性能;在超出畸变容限时,必须无条件保证发动机的工作稳定性。建立了进气畸变气动稳定性模型,并嵌入常规控制规律,推导出主动稳定性控制规律,给出相应控制策略。以某涡扇发动机为对象,开展了主动稳定性控制仿真研究。结果表明,在中等畸变强度以下,主动稳定性控制能有效满足降低稳定裕度的要求。     

畸变条件下航空发动机喘振/失速适航符合性方法

为研究畸变条件下航空发动机对喘振/失速特性适航条款的符合性验证方法,将用于发动机稳定性评定的畸变试验方法应用于适航领域。以某型大涵道比涡扇发动机为研究对象,采用数值模拟方法研究了其在0°～30°迎角条件下的部件特性,并依据所得畸变图谱设计了不同结构的畸变发生器。结果表明:所设计的畸变发生器可以在一定程度上较好地模拟出不同迎角工况的畸变图谱、风扇的气动特性及流场特征,喘振裕度最大偏差4.32%。总结出发动机喘振裕度与不同迎角和畸变发生器之间的变化关系,用以确定适航条款要求的稳定工作范围。依据中国民用航空规章,发展了一种进气畸变条件下航空发动机喘振/失速特性符合性验证方法,并明确了其在型号合格审定过程的任务阶段。      

基于在线滚动序列核极限学习机的涡轴发动机非线性模型预测控制

针对涡轴发动机控制系统设计,提出了1种基于在线滚动序列核极限学习机的非线性模型预测控制方法。综合考虑直升机旋翼扭矩、燃气涡轮转速、动力涡轮转速、涡轮级间温度和压气机喘振裕度等信息,设计具有较好实时性、精度和泛化能力的多输出在线滚动序列核极限学习机作为预测模型,引入预测模型输出与发动机输出的误差进行反馈校正,利用序列二次规化算法在线求解包含限制约束的预测控制问题。在某型直升机/涡轴发动机综合平台的仿真环境中进行了直升机大幅度机动飞行仿真验证,结果表明:该模型预测控制器相比于传统串级控制具有更好的控制品质,可显著降低动力涡轮转速超调/下垂量。     

批生产及翻修发动机稳定性检查方法的研究

在国内外发动机稳定性评定技术的基础上,分析研究了发动机的可用稳定裕度应等于或大于多个降稳因子的需要稳定裕度之和。其中包括批生产和翻修后发动机制造、装配公差对喘振裕度的影响。基于这种认识,参照第三代发动机的使用实践,提出了批生产试力和翻修后发动机试车的失速边界的验收方法。即在畸变条件下发动机在稳定工况及遭遇加速“bodie”加速操作时检查稳定性的方法和验收难则。此外也提出了控制发动机试车质量的技术途径。     

基于复合推进系统动态模型-状态变量模型的航空发动机直接推力预测控制

直接推力控制可以有效改善推力控制的品质,针对航空发动机直接推力控制问题,进行了模型预测控制(Model Predictive Control, MPC)研究。为了提升航空发动机推力控制的精度,提出了基于复合推进系统动态模型-状态变量模型(Compact Propulsion System Dynamic Model-State Variable Model-State Variable Model, CPSDM-SVM)的航空发动机直接推力预测控制方法。CPSDM实时估计出不可测参数（推力、喘振裕度等）的基准值,SVM则根据未来输入实时预测发动机未来响应。由于CPSDM将发动机分为进气道、核心机、喷管、喘振裕度、推力等进行建模,在兼顾精度的同时,提高机载模型的实时性。CPSDM-SVM作为MPC算法中的预测模型,具有较高的精度和实时性。仿真结果表明,在与基于分段线化模型的传统模型预测控制方法实时性基本相同的情况下,所提出方法控制效果有明显的提升,调节时间减小了1.17s。所提出方法稳态控制精度为0.08%,传统方法稳态精度为2.58%。因此,所提出方法在保证实时性的条件下,提升了控制精度和控制效果。     

退化发动机加速性能恢复控制方法

针对退化发动机加速性能下降的现象,提出一种变喘振裕度约束的模型预测控制方法。通过分析退化发动机在加速过程中的工作特点,将加速过程分为三个阶段,在不同阶段采取不同的喘振裕度约束。鉴于模型预测控制能够显式处理约束、采用在线滚动优化来获取最优控制输入,采取模型预测控制方法,并采用具有较高实时性的交替方向乘子法求解优化问题,实现了退化发动机加速性能的恢复。数字仿真结果表明,采用本文所提出的加速性能恢复控制方法后,相比退化发动机,加速过程中所耗费的时间缩短了35%以上。     

航空发动机性能恢复控制方法

针对航空发动机部件蜕化导致性能变差问题,设计了航空发动机性能恢复控制系统,系统根据发动机的工作状态以及健康状态在常规转速控制模式、稳态性能恢复控制模式和加速性能恢复控制模式之间切换.稳态性能恢复控制模式在常规转速控制模式的基础上设计了一个外环控制回路,通过自适应修正稳定状态下压气机转速指令达到蜕化发动机性能恢复的目的;加速性能恢复控制模式通过综合常规转速控制方法和喘振裕度控制方法,在保证发动机气动稳定的同时,充分挖掘发动机潜力,从而达到恢复蜕化发动机加速性能的目的.通过不同状态不同部件蜕化下的仿真结果表明恢复蜕化发动机性能的有效性.      

一种快速评定进气道/发动机稳态匹配工作点及稳定裕度的方法

一、引言 无论在飞机的研制还是在原型机的试飞中,都要求能迅速确定在飞行包线内任意一点上进气道/发动机的稳态匹配工作点。但是由于进气道时性本身的多变性,即它不仅随进气道几何形状,而且还随飞行Ma数、迎角。和侧滑角卢而变;而风洞试验却只能在上述变量的有限组合下进行。因此,对一个