变旋翼转速飞行器与发动机系统建模与控制研究

发布时间：2020-05-24 20:45

【摘要】：变旋翼转速飞行器在当今各个领域应用广泛,一个高品质的飞行控制系统能有效地增强变旋翼转速飞行器的机动性,同时带有预测功能的发动机控制系统能提高发动机的响应速度和抗干扰能力。本文以典型的变旋翼转速飞行器直升机为研究对象,在建立变旋翼转速飞行器/发动机综合模型的基础上,着手从飞行控制和发动机控制两方面开展研究工作。首先,在涡轴发动机部件级模型的基础上,针对起动过程复杂非线性特性的建模难题,基于级累叠方法,获得压气机低转速特性数据,同时根据相似原理外推出燃气涡轮、自由涡轮低转速部件特性,将冷转动模型和部件级模型相结合,建立了涡轴发动机起动模型。然后基于叶素法建立了变旋翼转速飞行器飞行动力学模型,将其与涡轴发动机模型结合,共同构成了变旋翼转速飞行器/发动机综合模型。其次,为了进一步提高变旋翼转速飞行器机动性和灵敏性,采取解耦能力强的非线性动态逆方法设计飞行控制律,引入参考模型和积分抗饱和模块进一步完善飞行控制,针对动态逆方法鲁棒性较差的缺点,提出了增量式动态逆的方法加以改进。然后基于非线性动态逆原理,根据时标分离的原则分别设计了角速度控制器、姿态角控制器和航迹控制器并进行了仿真验证,仿真结果表明所设计的飞行控制律满足飞行控制要求。最后,为了抑制自由涡轮转速超调或下垂,提出并设计了一种基于燃油流量和导叶调节的涡轴发动机预测控制规律,采用神经网络建立扭矩预测模型和发动机预测模型,将自由涡轮转速恒定保持100%和减小自由涡轮提供的扭矩与旋翼需求扭矩之差加入到目标函数中,采取FSQP优化算法进行滚动优化。最后与传统串级PID控制方法进行比较,结果表明,所设计的预测控制器能够有效地减小自由涡轮的超调和下垂量。
【图文】：

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7图 2. 1 涡轴发动机结构及特征截面示意图2.1.2 起动模型发动机由静到动，必须依靠外来动力，因此地面起动时必须有起动机。在地面起动发动机，通常需要进行下述三个阶段[30]。如图 2.2 所示。图 2. 2 地面起动过程图 2.2 中STM为起动机的扭矩，TM 为涡轮扭矩，CM 为压气机扭矩，，mη 为带动附件及/C mM η 为起动过程的阻力矩,mη 为克服摩擦的效率，第一阶段：在没有燃油供给燃烧室的时候，由起动机把发动机的转子加速到接近转速1n 。当转速达到1n 时，燃烧室内喷入燃油并点燃。第二阶段：燃油在燃烧室内燃烧，涡轮开始产生功率，当转速达到1n 的时候，此时涡轮产生的扭矩与负载扭矩相等，此时的转速称为最小平衡转速。当转速大于最小平衡转速时，TM 大于 /C mM η 发动机可单独加速

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图 2. 2 地面起动过程机的扭矩，TM 为涡轮扭矩，CM 为压气机扭矩,mη 为克服摩擦的效率，供给燃烧室的时候，由起动机把发动机的转内喷入燃油并点燃。室内燃烧，涡轮开始产生功率，当转速达到此时的转速称为最小平衡转速。当转速大于最速，但为了迅速可靠地起动，通常在这一阶段动机转速达到2n 时，起动机断开，然后发动到慢车状态in[30]。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V233.7;V249.1

【参考文献】