发动机复合模型及其在飞/推综合优化控制中的应用(英文)

研究了飞/推综合控制系统的在线优化实时性问题。提出将机载发动机复合模型与序列二次规划(Sequential quadratic programming,SQP)算法结合应用于飞/推综合优化控制的策略。首先,设计适用于全包线范围并可大幅度缩短优化时间的发动机稳态复合模型,然后基于SQP算法将该模型应用到发动机性能寻优控制中,包括最大推力和最小油耗优化模式,从而更加有效地完成各种不同的飞行任务。通过飞机巡航、平飞加速等仿真实验,表明了该优化控制方案能够在具有较好优化效果的前提下,明显提高飞/推综合控制系统的优化实时性。     

亚声飞行Ma数变化对脉冲爆震发动机性能影响

采用经验数据和数值计算相结合的方法研究亚声飞行Ma数变化对带气动阀的脉冲爆震发动机(Pulsedetonation engine,简称PDE)的性能影响。分别计算了飞行Ma数在0.52,0.71,0.82和0.93时对PDE工作频率、推力和油耗的影响。计算表明当飞行Ma数从0.82增加到0.93时,频率上升11.1%,推力上升25.0%,油耗下降6.2%;而Ma数从0.82减小到0.52时,频率下降31.0%,推力下降43.6%,油耗增加14.8%。因此飞行Ma数变化对预估飞行器在亚声阶段的加速性能有较大的参考价值。     

基于飞机性能影响的路径优化算法

针对在最少油耗、最快时间和最低成本等目标下的巡航阶段路径优化中,出现的边权重与前续路径的选择密切相关、估值函数计算开销过大等问题,首先构建了GRIB2格式网格气象数据插值、飞机性能参数快速计算流程,然后通过对A*算法估值函数系数和性能计算步长进行改进,提高每步优化时的计算效率;之后针对典型飞行任务,对不同优化目标下的结果进行对比,分析了成本指数、飞机起始质量和飞行高度层等因素的影响。将飞行性能计算融入边权重的A*算法相对于传统最短路算法会增加计算时间,但同样以飞行性能最优为目标的情况下,相较于Dijkstra算法它可以更迅速地找到优化路线。     

基于改进蝴蝶优化算法的无人机3-D航迹规划方法

针对基本蝴蝶优化算法（Butterfly optimization algorithm,BOA）在进行无人机（Unmanned aerial vehicle,UAV）三维航迹规划时存在的搜索速度慢、搜索精度低以及易陷入局部最优等问题，提出一种改进的蝴蝶优化算法（Improved butterfly optimization algorithm,IBOA）。在全局搜索阶段提出对数自适应惯性权重策略和动态更新调节策略，提高了算法全局搜索能力和搜索精度。同时，在局部搜索阶段，提出一种动态概率余弦选择策略，增加位置更新多样性，避免陷入局部最优。首先，为检验改进算法与基本算法的寻优性能，在部分标准多元函数上进行仿真对比。对比结果表明，改进算法对复杂函数具有较强的寻优能力，能在更短时间内找到全局最优解。然后，在二维路径规划仿真中对比了改进算法与PSO算法性能，从对比结果看，IBOA具有更优的规划效果。接着，利用山峰模拟函数对UAV三维航迹规划进行建模，将改进算法应用到航迹规划中，利用MATLAB仿真对比了不同复杂度环境下的航迹规划效果。仿真实验表明：相同实验条件下，该优化算法较BOA综合适应度值减...     

面向飞行训练模拟器的航空发动机建模研究

建立精确的民航发动机性能模型有利于高逼真度的飞行仿真。基于Matlab/Simulink平台,依照CCAR-60对发动机的建模要求,分别建立了针对CFM-56发动机的推力、低压/高压转子转速、排气温度等模型。提出推力等级预设法,通过预设6个典型推力等级,更贴合民航飞行的实际情况,在保证动态性能的同时提高了模型的逼真度。最后,运用飞机着陆的真实环境和操纵数据对模型进行了验证,效果良好。     

编队飞行低油耗优化方法研究

建立了编队飞行轨迹优化方法.该方法在不改变前机原轨迹的前提下,优化双机编队飞行的燃油消耗.根据该方法,从一天内进出中国的所有国际航班中选取候选航班对.利用飞机性能数据库(Base of Aircraft Da-ta,BADA)进行轨迹油耗计算.通过为后机设定不同的节油百分比,优化编队飞行的飞行前计划轨迹.分析了不同轨迹...     

低压涡轮导向器开度对变循环发动机的影响

建立了变循环发动机整机模型并对可变几何低压涡轮特性进行修正，研究了低压涡轮导叶开度从-6°～6°时对各部件以及发动机整体性能的影响。结果表明：随低压涡轮导向器角度变大，低压涡轮进口折合流量增大，不论低压涡轮导向器开大或关小，高、低涡轮效率均下降；随导叶开度增大，高压涡轮膨胀比增大，高压轴功率增大，高压压气机（High pressure compressor,HPC）与核心机驱动风扇级（Core driven fan stage,CDFS）压比增大；双外涵模式下涡轮导叶角度为0°时单位推力最大，单外涵模式下涡轮角度为-1°时单位推力最大。     

基于6σ设计的复合推力高速直升机总体参数多目标优化

针对复合推力高速直升机总体设计阶段总体参数的选择问题,提出一种提高可靠性和鲁棒性的基于6σ设计的改进多目标遗传算法优化方法。采用叶素理论和数值积分的方法分析计算了复合推力高速直升机气动及飞行性能,并以此为基础建立了约束函数和初步目标函数模型;将6σ设计融入改进的多目标遗传算法中,构造最终目标函数;在给定有效载荷设计要求下,对复合推力高速直升机总体参数进行了多目标优化设计。该方法获得了所需的Pareto解,优化后的复合推力高速直升机飞行性能相对原机有了较大改善,算例结果表明该方法有效可行。     

基于BAS_RVM的APU涡轮剩余寿命预测

提出一种优化相关向量机的寿命预测方法,并用于对辅助动力系统（Auxiliary power unit, APU）涡轮的剩余寿命预测。首先,提出了改进的核函数,兼顾效率和精度,用天牛须搜索（Beetle antennae search, BAS）算法对相关向量机的核参数进行优化,建立寿命预测模型;然后,对历史数据进行分析,提取排气温度（Exhaust gas temperature,EGT）并进行修正、降噪,用多项式回归建立了EGT的涡轮性能退化模式库;最后,实例验证表明,文中算法在APU涡轮剩余寿命预测上与传统相关向量机相比效率提高40%,精度提高20%,通过敏感性分析确定了最佳的初始步长和输入维度。     

高压涡轮动叶内部冷却结构的改进设计

对某型高压涡轮动叶的内部冷却结构进行了详细的分析,提出了具体的改进方案,并利用有限元方法对改进前后的方案进行了叶片温度分布计算分析。结果表明,在相同冷却空气流量比的条件下,叶片尖截面表面最高温度降低了33°C,截面温差减小了131°C,改进效果明显。同时,改进后的冷却结构有效降低了叶片进口压力,提高了预旋喷嘴压比,减轻了高压涡轮转子的重量,达到了增加发动机推重比,减少冷却空气泄漏量,改善发动机性能的目的。     

Aero-engine Thrust Estimation Based on Ensemble of Improved Wavelet Extreme Learning Machine

Aero-engine direct thrust control can not only improve the thrust control precision but also save the operating cost by reducing the reserved margin in design and making full use of aircraft engine potential performance.However,it is a big challenge to estimate engine thrust accurately.To tackle this problem,this paper proposes an ensemble of improved wavelet extreme learning machine(EW-ELM)for aircraft engine thrust estimation.Extreme learning machine(ELM)has been proved as an emerging learning technique with high efficiency.Since the combination of ELM and wavelet theory has the both excellent properties,wavelet activation functions are used in the hidden nodes to enhance non-linearity dealing ability.Besides,as original ELM may result in ill-condition and robustness problems due to the random determination of the parameters for hidden nodes,particle swarm optimization(PSO)algorithm is adopted to select the input weights and hidden biases.Furthermore,the ensemble of the improved wavelet ELM is utilized to construct the relationship between the sensor measurements and thrust.The simulation results verify the effectiveness and efficiency of the developed method and show that aero-engine thrust estimation using EW-ELM can satisfy the requirements of direct thrust control in terms of estimation accuracy and computation time.     

考虑驾驶员反应特性的倾转旋翼机单发失效轨迹优化

为了能在倾转旋翼机单发失效轨迹优化的研究中考虑到驾驶员的反应特性,建立相应的增广飞行动力学模型并进行计算分析。首先,以倾转旋翼机基本纵向刚体飞行动力学模型为基础,建立旋翼拉力系数、旋翼后倒角与操纵杆量之间的关系,并引入延迟环节、惯性环节和操纵速率限制来模拟驾驶员的反应特性,形成适用于倾转旋翼机单发失效轨迹数值优化研究的增广飞行动力学模型。然后,采用直接转换法将轨迹优化对应的最优控制问题转化为非线性规划问题进行求解。最后,以XV-15倾转旋翼机为样机,计算短距起飞单发失效后的最优着陆过程,并与相关文献结果进行对比。对比结果表明:考虑驾驶员的反应特性后,优化得到的状态量、需用功率、拉力系数和旋翼后倒角变化更加柔和,着陆时间和距离有所延长,操纵杆量变化更加合理。除此之外,随着驾驶员感知延迟时间增加,最优着陆过程所需时间会增加,且着陆时触地速度也会增大,但操纵量变化趋势基本一致。考虑驾驶员反应特性的倾转旋翼机单发失效轨迹优化可以为驾驶员实施安全着陆提供更加有用的依据。     

共轴刚性旋翼气动外形优化设计

采用前行桨叶概念(Advancing blade concept,ABC)的共轴刚性旋翼构型的直升机具有高速前飞的能力,然而大前飞速度带来的强桨尖压缩性等影响对桨叶气动外形提出了更高的要求。鉴于此,本文针对共轴刚性旋翼的气动布局进行了优化设计,通过改进桨叶平面外形提升旋翼前飞性能。基于雷诺平均NS(Reynold-saveraged Navier-Stokes,RANS)方程对共轴旋翼流场进行了气动性能数值模拟,在此基础上建立了代理模型结合遗传算法(Genetic algorithm,GA)的高效共轴旋翼气动布局优化方法,以前飞升阻比为目标函数进行优化,得到约束外形下的具有非线性弦长分布、尖削及后掠特征的桨叶外形。试验结果表明优化桨叶相比基准矩形桨叶升阻比得到明显的提升(前进比为0.6状态下升阻比提升约30%),证明了优化的有效性。     

基于DSP和CAN的飞/推综合控制优化计算机设计

从工程应用的角度出发，根据飞／推综合控制技术对计算能力和数据通信能力的要求，提出基于DSP和CAN总线的飞／推综合控制优化计算机设计方案。优化计算机实时接收飞机和发动机的信息，利用内嵌的优化模块，对发动机控制指令进行校正，使飞机和发动机的整体性能达到最优。论文阐述了优化计算机的软硬件设计方法，并通过基于优化计算机的飞／推综合控制半物理仿真试验，验证了优化计算机的设计方案是可行的。     

发动机引流对飞机气动力的影响试验研究

飞机气动力特性是飞机特性的基本表征。发动机的引流对气动力的影响直接关系到气动力建模的准确性、飞行品质和飞行安全。将真实涡喷发动机安装在某缩比验证飞机内,较逼真地研究了发动机推力大小、空气流动速度大小和方向等对气动力的影响。结果表明,发动机引流对验证机气动力的影响主要体现在轴向力、法向力和俯仰力矩上,发动机推力越大,引流效果越明显,且在超过失速迎角后的某迎角处法向力和俯仰力矩的增量达到最大值;而在不同侧滑角、一定风速范围内以及舵面偏转等情况下,发动机引流引起的气动力增量主要表现在失速迎角附近。因此在进行大迎角机动研究时,必须考虑发动机引流对气动力的影响。     

基于遗传算法的大气层外拦截弹拦截优化

提出了一种同时考虑大气层外拦截弹中段和末段飞行过程的拦截优化方法.首先建立了大气层外拦截弹中段和末段飞行的动力学模型,并设计了速度增益中制导律和鲁棒变结构末制导律;然后确定了影响拦截性能的优化控制参数及其约束条件,以拦截过程的燃料消耗质量和脱靶量最小为组合性能指标;最后采用具有全局最优性的遗传算法对这一拦截优化问题进行了仿真研究,并与复形调优算法的结果进行了比较.仿真结果表明,遗传算法与传统优化方法相比在解决大气层外拦截弹带约束复杂非线性组合优化问题时,能更好地收敛到全局最优值,并能有效降低大气层外拦截的燃料消耗和脱靶量.     

激波风洞超燃冲压发动机推力测量技术研究

为满足高马赫数超燃冲压发动机研制的需求,在激波风洞中开展了超燃冲压发动机推力测量技术研究工作,采用压电式推力测量天平测量了超燃冲压发动机模型上的推力。根据试验模型的受力特性进行了天平设计与校准研究,并在激波风洞中开展了验证性试验。在天平设计中,采用有限元力电耦合分析方法对天平性能进行了预估。分析结果表明:天平主分量的灵敏度可达到17.447 mV/N,一阶振动模态可达到1022.40 Hz。在验证试验中,分别测量了超燃冲压发动机模型在喷注和不喷注燃料条件下的推力。试验结果表明:在2种试验状态下,发动机阻力差值最大约220 N,说明设计的压电式推力测量天平可分辨出不同试验条件下作用在发动机上的推力大小。     

基于相关性分析和神经网络的直接推力控制

传统的发动机控制是将一些可测量参数作为被控制量,如转速和压比,因为可由它们推算出推力。但由于推算的过程不准确,为保证发动机安全运行,在发动机的设计过程中常常保留了较大的裕度。而直接推力控制可以降低这些裕度,充分发挥发动机的性能。针对在飞行中推力无法直接测量的情况,本文使用了相关性分析和神经网络技术设计了非线性推力估计器,使用若干测量参数作为输入,实时计算出发动机的推力值。并针对发动机使用的实际情况,使设计出的估计器不但可以估计额定发动机的推力,而且可以估计非额定发动机的推力。在仿真结果中,估计出的推力跟踪上了正常和非额定发动机的推力。