长征四号系列运载火箭测发控系统技术发展与展望

地面测发控系统是运载火箭系统工程中重要的组成部分,随着科技的不断进步,以及高密度发射、快速性测试和低成本运营的迫切要求,为满足可靠、智能、高效、经济的目标而不断发展。本文回顾了长征四号系列运载火箭测发控系统的发展历程,对历代测发控系统产品和技术路线进行了分析,总结存在的主要问题,提出了电气动力一体化测发技术、远程测发技术、全箭综合健康管理技术和快速测发技术等关键技术作为未来测发控技术研究方向和应用模式,为地面测发控系统的后续发展提供参考。     

运载火箭测发控系统服务器集群虚拟化的设计与实现

利用虚拟化技术构建运载火箭测发控系统,通过对测发控系统计算机资源需求进行分析,使用服务器集群将系统所有计算机资源池化,按照测发控业务需求对计算机资源进行了划分。设置系统业务虚拟机（VM）,利用虚拟桌面管理软件Fusion Access进行管理控制,实时监测服务器集群运行情况,故障自动报警。利用系统服务器集群高可用性（HA）和容错技术（FT）功能,消除了运载火箭测发过程的单点故障。通过实验验证,该系统提高了测发控系统计算机资源利用率,摆脱系统对计算机硬件资源的依赖。计算机状态迁移、负载动态均衡及故障隔离等功能,减少了计算机系统宕机的频率,降低设备维修成本,提高了系统高可靠性。     

基于直升机/涡轴发动机综合仿真平台的发动机非线性模型预测控制

 基于具有可靠置信度的直升机/涡轴发动机综合仿真平台,研究了涡轴发动机带约束优化的非线性模型预测控制(NMPC)技术。首先通过设计多输出迭代约简最小二乘支持向量回归机(RRLSSVR),训练具有较好实时性、精度及泛化能力的内嵌式预测模型,在高度0~5 km、前飞速度0~75 m/s范围内模型精度达5‰。其次,考虑了扭矩、燃油流量、动力涡轮转速、燃气涡轮转速等综合信息及相关约束对控制效果的影响,利用在线序列二次规划(SQP)算法实现滚动优化控制,而后加入目标转速偏差的积分项以消除静差,保证输出恒定。最后,通过对直升机进行机动飞行大扰动仿真验证了该预测控制器对扰动的抑制能力,相比传统串级PID控制,能够显著降低动力涡轮转速下垂/超调量,达到更好的控制品质。     

基于直升机/发动机非线性综合仿真模型的ALQR控制器设计

构建了UH-60A直升机六自由度非定常、非线性气动力模型以及完整的直升机/涡轴发动机非线性综合仿真模型。使用增广LQR方法设计了直升机飞行控制器,包线内大量仿真结果及与 控制器效果的对比表明该控制器解耦性能、指令跟踪性能优越,鲁棒性强。此外,该控制器设计过程简单和调参方便。借助上述综合仿真模型研究了发动机闭环系统与直升机的功率匹配关系,数字仿真表明,发动机能够满足直升机机常规飞行任务下的功率需求,功率涡轮转速下垂量满足直升机飞行操纵品质规范（ADS-33E）的要求。     

基于压力信号分析的轴流式压气机失速预测

为了得到压气机工作状态的稳定观测点,并建立压气机近喘失速工作状态与压气机压力信号的相关关系,本文针对低速双级轴流式压气机,分别进行了均匀进气及畸变进气条件下不同转速的近喘失速试验,实时动态测量标定压气机由正常工作到失速工况下压力信号,并在时域内提出了一种基于自相关系数的压气机失速预测算法,对进口、出口以及压气机首级转子叶尖位置压力信号预测分析。结果表明所提出的预测算法具有良好的失速预测能力,且发现叶尖处离叶片前缘20%的位置,最适宜作为压气机失速预测的观测点,此时压气机叶尖压力自相关性数据与压气机喘振裕度具有明显的单调相关性。     

基于跨阻抗前置放大器的宽频带感应式磁传感器的设计与验证

本文建立了一种基于跨阻抗前置放大器的磁传感器信号传递模型, 并在该模型的基础上推导出磁传感器的灵敏度和噪声理论值. 根据理论推导的结果, 进一步研究了感应式磁传感器设计方法, 以带宽0.01～10 kHz, 噪声1 fT·Hz^–1/2 (1～10 kHz)作为设计目标设计了一个感应式磁传感器, 并对这一传感器进行了性能验证试验. 在处理频率响应测试数据时设计了一种基于信号调制的处理方法, 有效提取特定频率得到幅值和相位, 并降低了随机噪声的干扰, 磁传感器–3 dB带宽达到了0.01～10 kHz. 在评估传感器噪声时, 采用双探头差分的方法消除了环境的干扰, 设计了相位差分析的评估方法, 确认在哪些频带双探头探测的信号是同源的, 在这些频带采用差分法评估是有效的. 评估的结果是, 传感器在1～10 kHz 实现了1 fT·Hz^–1/2噪声水平.     

涡轴发动机/直升机综合控制仿真平台设计

建立了UH-60直升机/T700涡轴发动机综合控制数字仿真平台。基于VC++环境开发了包含UH-60直升机/T700涡轴发动机综合实时模型的上位机程序,与运行机载涡轴发动机+旋翼实时模型及在线优化控制模式的下位机程序。两者基于TCP/IP协议实时通讯,可进行模拟实际直/发综合优化控制的数字仿真实验。在该数字仿真环境下,分别给出了提高直升机常规飞行性能的多种优化控制模式仿真、变旋翼转速优化控制以及快速功率跟随控制模式仿真,充分表明该平台可为新一代直/发综合系统的开发研制提供一个可靠的前期数字仿真验证。     

基于稀疏自动编码器的发动机机载模型建模方法研究

为解决分段线性化机载模型精度不足的问题,提出并设计了基于稀疏自动编码器的大包线、具有10输入11输出的发动机机载自适应模型,该模型由稳态、动态两部分组合而成。首先基于一种新的相似准则进行建模所需样本数据的压缩,在保留主要信息的同时,大大降低了数据量及采样时间。用BP算法对简化后的样本数据进行了机载模型稳态部分的建模。针对机载模型动态部分所需样本数据量巨大、BP算法难以训练的问题,建立了基于稀疏自动编码器的动态机载模型。引入准稳态判断逻辑,在动态过程使用稀疏自动编码器的动态机载模型,在稳态过程使用基于BP算法的稳态机载模型。仿真结果表明,所建立的发动机机载模型具有优良的动稳态精度,且实时性好、存储量小,其中动态精度小于1%,稳态精度小于0.6%,一次模型计算时间不大于1ms,模型存储量不大于100kB。     

航空发动机组件化建模技术

提出了使用组件化开发通用航空发动机仿真平台的思想:从发动机结构的角度将发动机模型分解成多个组件;从软件功能的角度将仿真软件的辅助部分也分解成多个组件.在此基础上开发了涡扇发动机的仿真平台,取得了良好的效果.所建立的仿真系统实现了模块化、层次化,易于维护和改进,可扩展性强,提高了代码重用率,体现了该框架的灵活性.      

一种超声速状态下机载推进系统模型的建模方法

为了满足机载航空推进系统模型对精度、实时性及数据存储量的苛刻要求,提出了一种机载模型建模方法.对传统的机载稳态模型建立过程中使用的相似准则进行了充分讨论,得出了一种具备更高建模精度的相似准则.在新的相似准则基础上,建立了包含泰勒展开式中非线性2阶项的高精度稳态变量模型,有效解决了分段线性稳态变量模型在大包线、变状态条件下精度难以保证的问题;为了解决超声速状态下安装推力与发动机净推力差别较大的问题,建立了考虑外流特性的简化进气道模型,给出了一种计算安装推力的方法,即由简化发动机模型计算安装推力中符合相似准则的部分,由进气道模型计算溢流阻力、放气阻力及发动机推力中不符合相似准则的部分.仿真结果表明:基于新的相似准则所建立的机载模型具有大包线、变状态适应性,输出参数误差均在0.5%以内.