非线性反演控制律在航空发动机多变量控制中的应用

主要研究了非线性反演控制规律设计方法在航空发动机控制中的应用.首先基于小偏差线化模型建立了航空发动机的非线性仿射模型, 讨论了非线性反演控制规律的设计方法.最后, 针对某型涡扇发动机运用非线性反演控制规律设计方法设计了双转子转速控制规律, 并给出了仿真结果, 仿真结果表明这种控制规律的设计方法在航空发动机控制中是可行的.      

功率提取法在涡喷发动机起动特性模拟及控制规律设计中的应用

针对涡喷发动机起动控制规律的特点,将涡轮发动机加、减速控制规律设计的功率提取法模型,应用于航空涡喷发动机起动控制规律的设计.结合低转速部件特性预测方法和改进的功率提取法,给出了涡喷发动机起动控制规律设计的约束条件和设计步骤.该模型可以用于起动带转过程中起动机带转功率的预测,以及全包线范围内、全气候条件下的涡喷发动机起动控制规律的快速、准确设计.计算结果表明,根据功率提取法模型设计的起动控制规律与实际的发动机起动控制规律吻合较好,该方法具有较好的工程应用价值.      

大涵道比涡扇发动机涡轮监视温度容错解析

提出了对大涵道比涡扇发动机涡轮监视温度的容错解析方法,以避免由于涡轮监视温度传感器故障造成的发动机控制降级,或未检测到故障导致发动机超温.解析方法包含两种:一种是基于涡轮排气总温的解析方法作为主解析方法;另一种是基于空气流量模型的解析方法作为余度解析方法,用于在主解析温度与测量温度差异较大时进行比较取真.使用发动机试车数据进行了方法验证,结果显示:主解析方法的稳态计算误差不超过0.33%;余度解析方法的稳态计算误差不超过0.8%.这表明两种解析方法都是有效的,可以用于发动机容错控制.      

涡扇发动机起动控制规律设计的功率提取法

根据涡轮发动机加减速控制规律设计的功率提取法原理,结合低转速部件特性预测方法,建立了用于双轴分排涡扇发动机起动控制规律研究设计的功率提取法模型,并编制了相应的计算程序。利用程序设计了某型双轴分排涡扇发动机单一状态和起动包线内的起动控制规律,并进行了相应的分析。计算结果表明,功率提取法能够应用于涡扇发动机起动控制规律的设计,并具有较高的计算精度。     

基于飞机/发动机性能一体化的发动机控制规律优化设计方法研究

针对发动机控制规律的选取对飞机/发动机性能一体化设计的影响,基于飞机/发动机性能一体化设计方法,开展了发动机控制规律优化设计方法研究。从先进战斗机飞行任务出发,开展了飞机/发动机性能一体化设计方法研究,进行约束分析和任务分析,以起飞总重最低为目标优选飞机/发动机设计方案,验证了设计方法的合理性。采用飞机/发动机性能一体化设计方法,分别研究了不同节流比和不同控制规律设计对飞机/发动机性能一体化设计的影响。研究表明:在飞机/发动机性能一体化设计过程中,采用合理的发动机最大状态控制规律同时选取恰当的发动机节流比,可以有效扩大约束可行域,同时能够降低发动机的燃油消耗量,降低飞机起飞总重。     

固体推进剂吸气式涡轮发动机控制规律与特性

建立了用于控制规律研究的单变量控制和双变量控制的固体推进剂吸气式涡轮火箭发动机(SPATR)特性计算模型,并编制了相应的计算程序。计算模型中采用了以试验数据为基础的燃烧室出口总温计算方法。利用程序分别计算了燃气流量不可调、燃气流量可调、尾喷管喉部面积可调以及燃气流量和尾喷管均可调的不同控制规律的SPATR发动机速度特性,并分析了其特点。对SPATR发动机进行了双变量控制规律设计,得到了相应的燃气流量调节比和尾喷管喉部面积调节比。计算结果表明,按照所设计的双变量控制规律进行控制,SPATR具有很宽的飞行包线和更好的推力特性和比冲特性。     

航空发动机全权限数控系统研究和试飞验证

以某型发动机为控制对象,研究航空发动机全权限数字电子控制系统(FADEC)。对数控系统的总体结构、控制规律、故障诊断及余度设计、电子控制器、液压机械装置、控制软件开发等关键技术分别进行了讨论。通过试飞,验证了该数控系统功能和性能及其关键技术。试飞结果表明,使用全权限数字电子控制系统取代传统的液压机械调节器不仅扩展了发动机控制系统的控制功能,同时也更有效地发挥了航空发动机的性能,改善了发动机的操纵性、维护性和可靠性。      

变延迟的活塞发动机控制系统设计与试验

针对应用于无人机的活塞发动机,通过对其工作状态的分解和工作状态分析。根据不同的工作状态设计了不同的控制律,并针对活塞发动机的延迟问题,设计了变延迟的控制系统。应用该系统可以有效地解决活塞发动机的定转速控制问题,也可以解决多发动机的转速一致控制。通过试验结果表明本文中设计的控制策略可以有效地实现发动机的状态切换和平稳控制,可以广泛应用于无人机活塞发动机的转速控制。     

涡扇发动机加减速控制规律设计的定状态法

为便于开展涡扇发动机过渡态控制规律的正向设计,提出了一种基于模型的定状态控制规律设计方法。通过固定发动机加减速过程中的转速状态量,逆向求解满足物理约束条件的最优燃油量,获得发动机最优加减速控制规律。以某涡扇发动机为例,使用该方法基于部件级模型动态仿真分别设计了发动机过渡态开环油气比控制规律与闭环转子加速度控制规律,结果表明:两种控制规律仿真结果基本一致,满足最短加减速时间的要求,发动机高、低压转速仿真曲线与设计状态一致,发动机涡轮出口总温、燃烧室余气系数和喘振裕度等主要参数均未超限,验证了所提出的涡扇发动机加减速控制规律定状态设计方法的正确性和有效性。      

涡扇发动机加减速控制规律设计的功率提取法

为了简单、快速和准确地设计双轴涡扇发动机加、减速控制规律,提出了一种加、减速控制规律设计的新方法——功率提取法:在发动机稳态特性计算模型的基础上,分别从高、低压转子提取额外功率,使得高压压气机工作点(线)沿等换算转速线移动,并保证低压转子转速满足预定的要求,在同时考虑风扇和压气机喘振裕度限制、涡轮进口总温限制以及燃烧室熄火边界的条件下,利用适当的描述形式,可以快速而准确地获得最优双轴涡扇发动机加、减速控制规律.对某型涡扇发动机加速控制规律的改进设计结果表明,提出的加、减速控制规律的设计方法具有直观、快速、准确而有效的优点.      

Fault processing policy based on dual-redundant control law for aero-engine control sensors

A fault processing policy was proposed for the circumstance under which all the dual-redundant closed-loop feedback control sensors went wrong. This policy was based on dual-redundant control law and may maintain the performance of turbofan engines. When pair of controlling sensors went wrong and the primary control law was unable to implement, control system performs the backup control law instead of the primary one so that the fault sensors were isolated from the closed control loop. This fault processing policy may not only avoid increasing engine weight and cost with the additional sensors hardware, but also avoid the error of analytical sensor signal. It can improve the engine mission reliability and control quality.     

微型涡喷发动机控制算法研究

针对微型涡喷发动机的工作过程,在研究发动机控制规律的基础上,开发了微型涡喷发动机起动过程、加减速过程、稳态过程和停车过程的控制程序;结合微型涡喷发动机的数字电子控制器,采用动态预估自适应滞后补偿控制规律,完成了控制软件设计.发动机地面试车试验表明,该控制程序可满足发动机控制要求.     

一种涡扇发动机加减速转速变化率闭环控制技术

针对涡扇发动机加减速的特点和控制需求,在对比现有控制算法的基础上提出一种新的转速变化率(N-dot)闭环控制技术。通过引入积分补偿,消除了原理性稳态误差,且控制参数机理清晰,易于设计,具备较高的工程应用价值。针对控制回路切换带来积分饱和的技术难点,设计工程实用的输出回归抗积分饱和方法,实现与其它控制器协调工作。基于涡扇发动机开展了Matlab桌面仿真研究和台架试验验证,结果表明,本文提出的控制技术能够取得满意的控制效果:N-dot反馈能够很好跟随N-dot期望指令,跟随误差在当前期望值的±10%以内,控制算法对噪声不敏感,对于涡扇发动机加减速过程多控制回路切换场景,不存在回路干扰和积分饱和现象。     

变循环发动机模态转换建模及控制规律设计方法研究

为了实现变循环发动机快速可靠的模态转换,本文发展了变循环发动机模态转换过渡态模型及控制规律设计方法。在变循环发动机动态数值仿真程序的基础上,针对模态选择阀与涵道引射器这两个模态转换过程中的关键变几何部件,建立了高精度的气流突扩局部损失模型。首次提出了可考虑模态选择阀堵塞对发动机性能影响的模态选择阀堵塞模型,消除了由于模型不精确造成的模态转换参数波动。在建立的变循环发动机数学模型的基础上,提出了基于直接推力控制技术的模态转换控制规律设计方法,考虑了变循环发动机的8个可调参数,采用差分进化算法对模态转换过程进行了优化。结果表明,本文提出的模态转换控制规律设计方法可以实现变循环发动机快速平稳的模态转换,双外涵转单外涵的参数变化规律与单外涵转双外涵的参数变化规律基本类似,推力在0.6秒就稳定在目标推力值,其余参数大多在1.4秒之后才趋于稳定。本文提出的变循环发动机模态转换控制规律设计方法还可应用于常规航空发动机的加/减速过渡态控制规律设计中。     

直升机自转进入和退出发动机控制逻辑的设计

直升机自转进入和退出是直升机机动飞行经常遇到的状态,它的特性是由直升机旋翼和发动机的安装特性共同决定的,该状态的发动机控制是典型的直升机与发动机的综合控制。本文介绍了直升机自转进入和退出发动机控制逻辑的设计和验证。     

一种涡轮发动机加速控制规律设计的新方法

 提出了一种涡喷、涡扇发动机加速控制规律快速设计的新方法：在发动机稳态特性计算模型的基础上,通过额外增加转子提取功率,使得发动机稳态工作点（线）靠近喘振边界,在同时考虑燃烧室富油熄火边界、涡轮进口总温限制以及压气机喘振裕度限制的条件下,利用适当的控制规律描述形式并结合发动机工程研制中的经验,能够快速而准确地获得涡喷、涡扇发动机加速控制规律。对某型涡喷发动机加速控制规律的改进的计算结果表明,提出的加速控制规律的设计方法准确而有效。     

一种涡轴发动机系统应急状态快速响应控制方法

针对直升机应急状态下特殊快速响应需求,基于涡轮放气原理,提出了一种新的应急状态快速响应控制方法.在应急状态下,除了燃油控制外,同时将涡轮放气量作为发动机控制变量,采用多变量鲁棒方法设计了应急状态直升机/涡轴发动机三变量快速响应控制器,该综合控制方法不仅实现了直升机垂飞通道的控制,而且在保持输出功率通道稳定,即自由涡轮转速恒定的前提下,借助于涡轮放气实现了燃气涡轮转速的闭环控制,有效实现了发动机功率快速跟随能力.最后,以直升机UH-60/涡轴发动机T700综合模型为对象,仿真验证了在直升机应急状态急升-急降过程中,直升机垂飞速度、发动机自由涡轮转速以及燃气涡轮转速跟踪指令的情况,结果表明:相比传统的PID(proportional integration differential)控制,基于快速响应控制方法建立的闭环系统响应迅速,动静态品质良好,能够达到直升机应急状态的特殊设计要求.      

直升机自转下滑训练过程发动机的控制规律

为确定直升机自转下滑训练过程发动机的控制规律,分析了采用正常控制规律进入自转状态时涡轴发动机的变化过程,提出了在现有控制规律基础上增强动力涡轮转速控制模块中总矩"提前器"作用和适当放宽速率限制值的控制对策.仿真结果表明,改进后的控制规律能够基本满足直升机对发动机状态控制的要求,为解决直升机发动机在自转训练情况下的控制问题提供了一条有效的技术途径.