航空发动机加速和减速过程最优控制研究

深入研究了航空发动机加速过程和减速过程的最优控制问题。提出了基于改进FSQP(Feasible Sequen-tial Quadratic Programming)算法的航空发动机加速过程和减速过程最优控制方法,仿真结果证明该方法可以在满足航空发动机加速过程和减速过程中各项约束条件的前提下,实现最优的控制目标。     

改进FSQP算法的涡扇发动机多变量非线性控制

涡扇发动机是一个复杂的非线性系统，用常规的多变量控制方法难以获得理想的控制效果。对FSQP(Feasible Sequential Quadratic Programming)算法进行了改进，提出了一种基于改进FSQP算法和自适应变权重线性加权法的多目标优化算法。该算法可以有效的解决涡扇发动机的多变量非线性控制问题，同时在满足控制过程中的各项约束条件的前提下，达到调节时间最短的目标。通过计算机仿真证明了该控制算法的可行性和良好的控制效果。     

多变量多目标涡轴发动机最优加速控制

基于压气机几何可调的自由涡轮式涡轴发动机部件级动态数学模型,利用可行性序列二次规划（FSQP）算法对多优化目标进行线性加权,提出了多变量多目标的涡轴发动机最优加速控制算法。仿真结果表明,提出的优化算法改善了涡轴发动机加速过程的品质;选择恰当权重的目标函数能大大缩短加速时间,进而改善发动机的动态性能,进一步发挥发动机的性...     

一种具有自刹车功能的加速供油规律设计方法

为了解决某型发动机在地面高温天气条件下加速性调整困难的问题,提出了一种具有自刹车功能的加速供油规律设计 方法。其主要设计思想为：在未满足加速性判断指标要求前,尽可能多地供油以提高加速性;当满足加速性判断指标后,依据其与 控制目标值的接近程度,逐步减少加速供油量进行自刹车,直至发动机转速上升率降至PID控制参数可控范围内,最终由PID控制 算法控制至目标值。根据此设计方法编制出相应的控制逻辑,并利用基于迭代算法的过渡态模型进行仿真验证。结果表明：在原 有PID控制参数完全保持不变的情况下,采用该设计方法可以有效地将发动机加速时间缩短0.3～0.5 s,保证加速过程满足过渡态 指标和稳定裕度的要求,有效地解决了该型发动机加速性调整困难的问题。     

基于CMVO的涡扇发动机加速过程优化控制

针对涡扇发动机加速过程控制寻优难的问题,提出了一种混沌多元宇宙优化算法。在多元宇宙优化算法的基础上加入混沌初始化和混沌搜索,增强了全局搜索能力。采用算法进行涡扇发动机加速过程优化控制仿真,并与可行序列二次规划算法、粒子群算法和多元宇宙优化算法进行对比验证。结果表明：算法能够实现加速过程的优化控制,发动机紧贴喘振边界加速,且满足各个约束条件。对燃油流量、喷口面积、风扇和压气机导叶角度四控制量同时进行优化时,其加速时间为3.8 s,优于其他三种算法。验证了算法具有较强的全局搜索能力,在涡扇发动机加速过程优化控制问题中具有一定的优势。     

基于改进AFSA的桨扇发动机加速控制计划优化

为了提升桨扇发动机的过渡态性能,提出了一种可以满足发动机性能参数约束和寻优结果正确性要求的桨扇发动机加减速控制计划优化方法。引入自适应调整策略和半可行域对人工鱼群算法（AFSA）进行改进,经过数值验证,改进后的算法较原始算法具有更快的收敛速度和更高的寻优精度。将推力与目标推力间的差值作为寻优目标,采用改进后的人工鱼群算法和序列二次规划算法（SQP）对桨扇发动机的加速过程进行优化,得到了满足约束前提下的桨扇发动机时间最短的加速控制计划,结果表明：与采用传统的基于梯度的序列二次规划算法相比,采用改进的人工鱼群算法进行离线分段寻优所得到的控制计划总加速时间缩短了21.8%(0.58 s),证明了改进人工鱼群算法具有更强的全局寻优能力,更适用于桨扇发动机加速控制计划的优化。     

涡扇发动机最小红外特征模式性能寻优控制研究

为抑制涡扇发动机排气系统的红外特征,提出一种基于红外预测模型的最小红外特征模式性能寻优控制。首先,建立一种排气系统正后向红外辐射强度简化预测模型,该预测方法考虑了排气系统内高温部件和尾喷流的红外辐射,以及尾喷流对高温部件红外辐射的吸收作用,具有可信的仿真精度;其次,基于涡扇发动机部件级实时仿真模型,增加了从外涵引气冷却中心锥和尾喷管扩张段内壁的冷却结构和红外预测模块;最后,基于该模型探索了最小红外特征模式的优化原理,并选用可行序列二次规划(FSQP)算法,通过控制高温壁面冷却气的流量,主燃烧室的燃油量以及尾喷管喉道面积,对两个亚声速巡航状态的工作点进行实时优化。仿真结果表明:在满足发动机推力恒定以及其他约束条件的前提下,发动机通过最小红外特征模式性能寻优控制,其排气系统后向红外辐射下降了30%以上,红外抑制效果显著。     

基于DMOM算法的航空发动机性能寻优控制

提出一种分散迁移优化算法(DMOM),可实现多峰值优化问题的全局最优解搜索.该算法通过随机选择参考粒子,不断迁移搜索自身所处区域峰值点,再通过分散操作排除局部最优点,重新生成新个体,可快速搜索到全局最优区域.将DMOM应用于航空发动机性能寻优控制仿真,结果表明:在最小油耗和最低涡轮温度模式下, DMOM的寻优速度相比遗传算法(GA)和粒子群算法(PSO)提高了2倍以上;同时DMOM的优化精度相比自组织迁移算法(SOMA)提高了60%以上,相比可行性序列二次规划(FSQP)算法提高了20%以上.验证了DMOM相比其他优化算法有更强的跳出局部最优的能力,在航空发动机最小油耗和最低涡轮温度这类多峰值寻优问题中具有明显的优势.      

涡扇发动机全包线加速控制计划改进方法研究

加速控制计划直接影响了发动机的响应速度以及运行安全。为了提高发动机响应能力,提出了一种基于等温度线的发动机全包线加速控制计划。分别针对稳态和动态过程开展相似换算误差分析,证明并验证了关键参数在等风扇进口温度时,具有较高相似换算精度的规律。基于此换算误差理论,提出全包线加速控制计划改进方法,该方法在不同等风扇进口温度下设计多条加速控制计划,再通过线性插值得到包线内不同等温线下的加速控制计划。结果表明,改进后的加速控制计划相比于传统单点优化得到的加速控制计划,发动机加速至最大转速的98%所需的时间减少了7.2%,最大转速提升了1%,且风扇、压气机喘振裕度和涡轮前温度等均未超出限制值。因此,该方法相比于传统单点优化方法既提升了在包线内获取的加速控制计划的精度,又确保了发动机在包线内安全稳定工作的前提下更好的发挥加速性能。     

涡扇发动机加减速特性显式与隐式计算方法

为了探索一种便于进行涡扇发动机过渡态控制规律设计的性能计算模型,提出了基于部件法的涡扇发动机加减速的显式格式和隐式格式计算方法,该方法通过在发动机计算模型中直接给定喘振裕度限制值、燃烧室油气比限制值和涡轮进口总温的限制值,计算出最优的加减速特性,进而获得发动机的最优加减速控制规律。计算模型针对不同的给定值,选择了不同的燃烧室容积效应模型。证明了对一般的涡扇发动机,隐式格式计算模型中,给定压气机喘振裕度算法的解是唯一的。以某涡扇发动机在地面的加减速过程为例,按最优加减速控制规律计算,显式格式算法和隐式格式算法的结果误差小于1.3%.对给定高压转子转速加速率的加速特性也进行了验算,计算结果与最优加速过程的结果误差小于1.7%.本文提出的加减速特性计算方法可为涡扇发动机的过渡态开环和闭环控制规律设计提供便捷的手段。     

A study on optimal control of the aero-propulsion system acceleration process under the supersonic state

In order to solve the aero-propulsion system acceleration optimal problem, the necessity of inlet control is discussed, and a fully new aero-propulsion system acceleration process control design including the inlet, engine, and nozzle is proposed in this paper. In the proposed propulsion system control scheme, the inlet, engine, and nozzle are simultaneously adjusted through the FSQP method. In order to implement the control scheme design, an aero-propulsion system component-level model is built to simulate the inlet working performance and the matching problems between the inlet and engine. Meanwhile, a stabilizing inlet control scheme is designed to solve the inlet con-trol problems. In optimal control of the aero-propulsion system acceleration process, the inlet is an emphasized control unit in the optimal acceleration control system. Two inlet control patterns are discussed in the simulation. The simulation results prove that by taking the inlet ramp angle as an active control variable instead of being modulated passively, acceleration performance could be obviously enhanced. Acceleration objectives could be obtained with a faster acceleration time by 5%.     

涡扇发动机加力过程非线性最优控制研究

1引言航空发动机加力过程控制通常分为接通加力和断开加力两个不同的过程,是目前的研究热点[1,2]。然而,航空发动机的加力过程参数变化剧烈,将对发动机控制系统产生很大的扰动,严重时会造成发动机喘振、超温以及超转。另一方面,发动机的加力过程是一个大偏离且具有较强非线性的     

基于复合模型及FSQP算法的发动机性能寻优控制试验

提出了一种在保证优化效果前提下提高发动机在线性能寻优实时性的方法,即一方面基于相似理论建立了适用于非加力状态的发动机复合稳态模型,在优化过程中替代原部件级模型以缩短优化计算时间,另一方面采用先进的可行性序列二次规划算法寻求全局最优解,以提高优化精度。最终实现了上述方案在最小油耗模式及最大推力模式下的数字仿真及半物理模拟验证,相比于传统的基于发动机部件级模型进行性能寻优控制,其优化精度相当,但优化实时性得到大幅度提高,从仿真结果可以看出上述方案的有效性及可行性。     

基于遗传算法的涡扇发动机多变量加速寻优控制

研究了变几何涡扇发动机不等式约束下的遗传算法最优加速控制规律，在全飞行包线内进行了仿真计算。通过分析多变量变几何涡扇发动机加速过程的特点和性能要求，用离散化加速模型结合遗传算法，使得加速过程最优。仿真计算表明该控制律可以保证变几何涡扇发动机在全飞行包线内稳定工作，且加速时间最短。     

基于变导叶调节的涡扇发动机加速过程优化控制

提出了一种利用变导叶调节,基于可行序列二次规划算法的涡扇发动机加速过程优化控制方法,研究发现,通过在发动机加速过程中对压缩部件导叶角度的适应性调节,可以优化压气机和风扇在过渡态的空气流量,使得燃油在满足各方面约束条件下以最大可能的速度增加,从而提升了发动机加速性能.最后,与常规两变量加速过程优化方法进行了对比研究:在相同目标函数和约束条件下,分别进行了两控制量(主燃油和尾喷管喉道面积)、增加风扇导叶调节或压气机变导叶的三控制量的加速优化控制仿真,结果表明,所提出的方法在优化过程中可以使得燃油最大可能速率高于常规方法,且发现压气机导叶角在优化过程的作用优于风扇导叶角,优化后的工作点加速路径紧贴喘振裕度限制边界,且各个约束严格在可行域范围内,3种方案的加速时间分别为5.5,4.9s和4.5s.     

涡扇发动机自适应加减速控制研究

针对涡扇发动机加减速过程特性参数变化大的不确定系统,提出一种带执行机构的涡扇发动机自适应加减速伺服控制设计方法。采用变阻尼修正的自适应控制规律,抑制了自适应加减速过程中的参数漂移。在自适应加减速控制算法中,设计目标是使被控对象的输出能够伺服跟踪任意加减速指令信号,这一指令与涡扇发动机加减速过程中对带有条件限制的指令要求一致,为使控制系统具有加减速伺服跟踪和对外界扰动信号抑制的能力,在控制回路中内嵌积分环节,实现闭环加速伺服跟踪鲁棒性能,结果表明:自适应控制适用于涡扇发动机过渡态控制。在仿真时,在系统中加入白噪声干扰的情况下,自适应参数被限制在±0.003的范围内,没有出现参数漂移现象;在快速加减速过程中,加减速燃油流量未出现大幅超调和下垂,加减速时间不超过4 s。     

基于N-dot的涡扇发动机加速控制器设计

针对双转子民用涡扇发动机,进行基于转子加速度的加速控制器设计研究。采用常规的PI控制器结构,针对结构中所需的转子加速度指令,给出了1种满足要求的设计方法,并将PI控制参数的求解过程转化为带约束的非线性优化问题,利用模式搜索算法求解。构建包含稳态控制器和加速控制器的涡扇发动机闭环控制回路,进行加速过程仿真测试。结果表明:所设计的加速控制器满足涡扇发动机加速过程的性能要求,对于工程设计与应用具有一定的参考价值。     

SQP方法在航空发动机加速过程控制中的应用研究

本文研究了采用非线性规划方法中的序列二次规划最优化方法解决涡轮风扇发动机加速过程的最优控制问题。在研究中,考虑了发动机加速过程中的压气机喘振边界、涡轮最高温度限制、转子最高转速限制、燃烧富油熄火限制等各种约束条件,以及执行机构的惯性、延迟等机械特性。仿真结果表明:应用序列二次规划法进行加速最优控制是可行的,发动机在加速过程中能准确地沿着各约束边界进行加速,从而充分发挥了发动机的潜力,大大地改善了发动机的加速性。