小型无人直升机发动机控制系统设计

发动机转速控制是无人直升机飞行控制的基础,针对小型无人直升机使用的活塞式发动机,给出了一个发动机转速控制系统.通过对发动机输出功率特性、负载特性和动力学特性的分析,建立了发动机的数学模型.采用前馈与反馈的复合控制策略,并通过半物理实时仿真和发动机开车数据的验证,该控制系统具有较好的效果.      

基于LMI活塞式发动机恒转速H_∞动态输出反馈控制

汽油发动机具有非线性、时变时滞等特点, 传统PID控制方法很难保证发动机整个工作范围内恒转速控制的稳定性及性能要求.采用基于LMI(linear matrix inequality)的输出反馈H∞控制算法, 来实现活塞式汽油发动机的恒转速控制, 使其在负载扰动、工况变化和可变时间延迟的情况下都能保持期望的参考转速.离线仿真结果表明, 所设计的控制器满足小型无人直升机对发动机控制的抗干扰性、跟踪性要求, 并具有一定鲁棒性.      

一种无人直升机的双发动机控制策略

针对某无人直升机双发动机控制问题,提出两台发动机采用并联控制方式使其输出功率保持一致,利用两个发动机转速较高者替代旋翼转速作为转速反馈信号,提高旋翼转速的平稳性,并给出了影响旋翼转速平稳性的两个主要扰动因素总距和前飞速度的前馈补偿控制量的试验测量和计算方法;进一步利用两个发动机缸头温度差对其控制量进行差动补偿,从而使得两个发动机的输出功率趋于一致,提高传动系统的平稳性,抑制机身扭振.最后,通过地面系留试验和试飞试验验证了该控制策略的可行性和有效性.      

无人驾驶直升机发动机模糊自适应PID控制

针对某型无人驾驶直升机发动机控制的特点,提出恒量供油、恒速控制和总距前馈补偿控制的复合控制策略,在飞行控制计算机内建立发动机模糊自适应PID控制器,利用模糊规则和推理来在线调整PID参数,使发动机安全平滑启动,并在各种功率状态下保持输出轴转速恒定。经含实物仿真试验、地面试车、系留试验以及无人机整机试飞测试,所设计的发动机控制方案动态响应速度快,对总距变化等干扰的抑制作用强,能保证主旋翼在各种飞行状态下获得最佳的气动效率,改进无人直升机的飞行性能。      

基于预测扭矩前馈的涡轴发动机内模控制方法

基于内模原理设计了涡轴发动机功率涡轮转速控制器.针对主旋翼扭矩变化对功率涡轮转速的干扰,提出了一种基于极端学习机的扭矩预测方法.极端学习机训练基于动态仿真数据,其输入通过相关分析获得.基于内模原理的功率涡轮转速控制器采用极点配置的设计方法,将输入信号的内模直接加入控制器,实现鲁棒跟踪.扭矩前馈采用比例微分(PD)控制策略,实现对发动机负载变化干扰的有效补偿.数字仿真结果表明:极端学习机扭矩预测精度高,扭矩相对误差小于1.5‰,与不加前馈控制相比,所提出的控制方法减小了机动飞行过程中功率涡轮转速的超调或下垂30%以上.      

某型无人直升机带传动离合器控制系统

针对某型直升机无人化改装过程中带传动离合器的控制要求,探讨一种具有安全保护功能的控制系统.通过分析带传动离合器的操纵原理和控制特性,提出了控制系统的设计需求,确定了控制系统的总体方案.采用转速反馈和间歇接合的控制方法,实现离合器的自动接合,避免发动机转速降幅过大.通过采集着陆信号,采取硬件注销的方式,避免无人直升机在飞行中响应离合器分离等危险指令.采用转速反馈和磁电机间歇接地的控制方法,防止发动机在离合器未接合的情况下超速.在某型无人直升机上分别进行自动接合试验和超速保护试验,在地面模拟进行空中/地面保护试验.结果显示:自动接合试验中发动机最小转速为960r/min;超速保护试验中发动机瞬时最大转速为2016r/min,最小转速为1088r/min,超速持续时间为0.5s;空中/地面保护试验确认了地面状态指令正常执行和空中状态指令注销的功能.试验结果表明:该控制系统设计方案满足无人直升机的使用需求.      

涡轴发动机多发功率匹配控制研究

为解决涡轴发动机多发匹配控制问题,通过分析恒转速控制条件下多发匹配控制机理,以串级控制方案为基础,提出了1种适用于装有多台涡轴发动机的直升机的功率匹配控制策略。该策略通过飞行员手动切换匹配模式,兼顾直升机传动系统、发动机的寿命均衡和单发性能退化等因素,实现发动机间的功率匹配。桌面、半实物试验及配装直升机试飞试验的结果表明,提出的多发功率匹配控制策略简单、有效,能够实现多台发动机之间的功率匹配,并具有较强的工程应用价值。     

小型无人直升机活塞式电喷发动机冲速段的控制策略

针对小型无人直升机使用的活塞式电喷发动机的冲速段特性, 给出了折线法的转速指令控制策略, 并与常用的固定斜率转速指令增量的方法进行比较。通过开车试验数据分析, 折线法能够有效地解决冲速段的富油和冲速问题, 实现冲速段的转速控制, 并且具备较强的鲁棒性。      

基于需用功率预测的直升机/发动机综合控制方法

为了提高涡轴发动机在直升机飞行状态突变时的响应速度,提出一种基于需用功率预测的直升机/发动机综合控制方 法。通过逐步回归分析法对直升机需用功率影响最大的5个变量进行选取,并以这5个变量为输入量,根据多元拟合方法建立直 升机需用功率预测模型,基于所建立的预测模型,采用预测需用功率信号在发动机控制回路的燃气涡轮转速指令位置进行前馈线 性补偿,设计了直升机/发动机综合控制方法。经过UH-60A综合仿真平台验证,结果表明：所提出的综合控制方法相比于传统串 级PID控制方法,可以有效减少动力涡轮转速超调量或下垂量60%以上;相比加入总距前馈的控制方法,可以减小动力涡轮转速 超调量或下垂量20%以上;可以有效加快发动机响应速度,缩短发动机响应时间1 s以上,极大提高了发动机的稳定性及鲁棒性。     

无人直升机高精度位置控制

为了提高无人直升机在有限平台着陆时的位置控制精度,提出了一种高精度的位置控制策略。首先分析了无人直升机高精度位置控制的难点以及常规位置控制策略存在的不足;其次,基于非线性反馈PID的原理,并结合无人直升机着陆阶段位置控制的特殊性,确定了高精度的位置控制方案以及控制参数的设计方法。仿真结果表明,在强扰动环境下,高精度位置控制策略比常规位置控制策略具有更高的位置控制精度和更强的扰动抑制能力,对提高着陆的安全性有非常重要的意义。     

基于多入多出平衡流形展开模型的涡扇发动机反馈线性化滑模控制

针对涡扇发动机内部状态大范围变化条件下,单点线性控制器控制效果不佳而线性变参数控制器求解困难的问题,提出了一种基于多入多出平衡流形展开模型的涡扇发动机反馈线性化滑模变结构控制。首先,采用多入多出平衡流形展开模型辨识技术,获得仿射型的涡扇发动机数学模型。随后,利用反馈线性化将平衡流形展开模型解耦,经过坐标变换获得可用于控制系统设计的线性结果,考虑了具有误差项和饱和函数的指数趋近滑模控制律来提高控制系统的鲁棒性,完成了基于平衡流形展开模型的多变量涡扇发动机反馈线性化滑模控制器设计。最后,在非线性部件级模型上开展了控制器验证。在平衡流形展开模型设计工况,增益控制和滑模控制的控制效果表明,基于平衡流形展开模型的反馈线性化方法能够获得涡扇发动机良好的控制效果。同时,在平衡流形展开模型稳定但精度无法保证的非设计飞行工况,反馈线性化滑模控制器能够进一步抑制不确定性的影响,保证转子转速和发动机压比的跟踪控制效果。     

叶片丢失后发动机整机响应模拟试验与仿真

依据大涵道比涡扇发动机结构设计了叶片丢失试验台,开展了一系列模拟叶片丢失试验,并采用显式有限元方法进行了数值仿真,研究了发动机叶片丢失后整机结构响应与载荷传递规律。结果表明:丢失叶片与机匣存在叶尖与叶身两次撞击,对应的加速度曲线存在两个响应峰值;转子转速越高,加速度响应幅值越大。叶片飞断后转子不平衡载荷传递路径为前轴承支承-中轴承支承-中介支板-机匣结构;叶片撞击机匣导致的冲击载荷则由风扇机匣向后传递,最终传给吊装结构;发动机承受的载荷是由不平衡和冲击影响耦合得到,其中冲击载荷为主要部分。该研究为掌握真实发动机叶片丢失下整机响应规律提供了试验模拟方法与数值仿真分析工具。      

小型涡喷发动机故障分析及控制系统改进

针对小型高速无人机配装的小型涡喷发动机发生的空中停车故障,以发动机转速异常为顶层事件,以导致顶层事件发生的全部可能性为基本事件建立故障树,结合发动机控制原理及对遥测数据进行仔细分析,确认发动机转速采集信道出现问题导致发动机控制系统进入边界控制,而边界条件设置不合理导致发动机工作在超速超温状态,最终失效.通过采取增加转速采集备份信道、改进ECU控制保护算法、修改ECU档位油门限幅等措施有效地排除了此类故障,提高了发动机工作的可靠性.     

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.      

活塞式发动机安装架载荷与强度研究

为了拓展活塞式发动机安装架适航审定思路,对《正常类、实用类、特技类和通勤类飞机适航规定》(CCAR23-R3)、《航空发动机适航规定》(CCAR-33-R2)及甚轻型(AC-21-05)、超轻型(AC-21-06)飞机适航标准中规定的活塞式飞机发动机安装架设计要求进行分析,给出了活塞式发动机安装架结构设计载荷工况计算、强度分析和试验验证方法。结果表明:活塞式发动机安装架主要采用超静定多路传力桁架结构设计;活塞式发动机安装架正常载荷工况共11组;活塞式发动机安装架静强度分析主要考虑管材拉压弯剪及焊接接头与螺栓连接接头强度。     

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%.      

涡扇发动机加速过程的模糊控制

采用一种连续型比例积分公式的模糊控制器控制涡扇发动机加速过程，为了使控制满足加速过程最大转速，高压涡轮进口最大温度，压气机最低允许喘振裕度等约束条件并改善加速性能，利用遗传算法对模糊控制器中的3个量化因子进行了优化，优化后的模糊控制器完全可以加速过程要求，具有较好的动态性能，适当划分飞行包线后还可扩展到整个飞行包线。