可变桨距微型涡桨发动机控制系统设计与试验研究

发布时间：2020-06-02 15:44

【摘要】：微型燃气涡轮发动机作为一种特殊的航空发动机,已经广泛应用于无人机、巡航导弹以及航模领域。具有燃油量和可调桨距角输入的微型涡桨发动机试验系统是航空发动机建模、多变量控制和先进控制规律的理想研究平台。传统大型发动机的变桨距机构较为复杂,对于微型涡桨发动机来说成本高且安装空间有限,因而市面所售的微型涡桨发动机都是定桨距的。本文建立了可变桨距微型涡桨发动机试验平台,并在该试验平台上开展了控制器设计、建模与控制规律研究。论文基于德国SPT10微型涡桨发动机搭建了带可变桨距机构的试验平台,设计的变桨距机构实现了桨距角的自由调节。在分析原装控制器的基础上自主研制了电子控制器,并开展了台架试车,成功实现了微型涡桨发动机的可靠起动,并进一步在慢车以上状态实现了基本的燃油和桨距角双变量控制,其中,燃油采用开环供给,用来控制发动机功率水平,桨距角作为闭环控制量控制螺旋桨转速保持恒定,台架试验结果表明,该控制系统在燃油输入改变时可以保持螺旋桨转速恒定,误差不超过1.37%,控制精度高。为了降低在变桨距微型涡桨发动机试验平台上直接开展先进控制规律的研究风险,本文设计了硬件在环仿真系统,并阐述了关键部件接口模拟器的软硬件设计方法。为了提高硬件在环仿真系统的仿真置信度,本文提出了改进的动态系数法并建立了基于开环台架试车数据的变桨距微型涡桨发动机数学模型。在核心机转速模型的基础上,提出将发动机输出功率设计成螺旋桨转速与核心机转速为自变量的函数,然后通过转子动力学方法迭代求解获取螺旋桨转速模型的方法。结果表明,所建模型与试车数据的误差不超过8%,并且具有良好的实时性。本文提出了一种涡桨发动机变转速控制的设计思路。首先分析涡桨发动机稳态特性图中各个工作点耗油率、功率和发动机转速之间的关系,在稳态特性图中规划出工作线作为发动机推力管理系统(ETMS)的设计依据。然后采用参考模型滑模多变量控制算法设计控制律来控制发动机转速跟随ETMS给出的转速指令。论文还研究了最小耗油率工作线的寻优,并与ETMS设计方法和参考模型滑模多变量控制算法结合设计了变转速控制系统,将其应用到微型涡桨发动机模型上,试验结果表明该方法与通常采用的恒转速控制系统相比,可以使平均耗油率下降2.37%,同时该方法可以使飞行员只需通过一个手杆来操纵涡桨飞机,可以大大减轻飞行员的操作负担。
【图文】：

可变桨距微型涡桨发动机控制系统设计与试验研究本文通过建立可变桨距的微型涡桨发动机试验平台获取了发动机试车数据，并在此基础上对微型涡桨发动机建模与控制展开研究。1.2 可变桨距微型涡桨发动机的国内外研究现状与发展趋势1.2.1 微型燃气涡轮发动机为了具有更好的隐身性能、更广泛的适用范围和更低的成本，巡航导弹、无人攻击机、侦察机、精确制导炸弹等先进武器将向小型化发展，，而微型涡轮发动机作为这些武器的小型化的可选动力之一，备受各国关注。国外对微型涡喷发动机研究较早，目前已经研制出很多型号的微型涡喷发动机，如 JetCat 公司的 P-80 Hammer，美国 GWN(Golden West)公司的 FD3/67LS，RAM（R.A. Microjets）公司的 RAM 500/750、T60/T100，法国 JPX 公司的 T-260K、T-260P、T-250P，日本的 SophiaJ-850、J-450、J-450S，荷兰 AMT 公司的 Olympus、Pegasus、Pegasus 等[10][11]。随着加工工艺和材料的发展，一批先进的微型涡喷发动机不断呈现，目前推重比已经超过 10，比如捷克的 TJ100 和美国哈密尔顿标准公司的 SWB-100 发动机[12]，分别如图 1.1 和 1.2 所示。

可变桨距微型涡桨发动机控制系统设计与试验研究本文通过建立可变桨距的微型涡桨发动机试验平台获取了发动机试车数据，并在此基础上对微型涡桨发动机建模与控制展开研究。1.2 可变桨距微型涡桨发动机的国内外研究现状与发展趋势1.2.1 微型燃气涡轮发动机为了具有更好的隐身性能、更广泛的适用范围和更低的成本，巡航导弹、无人攻击机、侦察机、精确制导炸弹等先进武器将向小型化发展，而微型涡轮发动机作为这些武器的小型化的可选动力之一，备受各国关注。国外对微型涡喷发动机研究较早，目前已经研制出很多型号的微型涡喷发动机，如 JetCat 公司的 P-80 Hammer，美国 GWN(Golden West)公司的 FD3/67LS，RAM（R.A. Microjets）公司的 RAM 500/750、T60/T100，法国 JPX 公司的 T-260K、T-260P、T-250P，日本的 SophiaJ-850、J-450、J-450S，荷兰 AMT 公司的 Olympus、Pegasus、Pegasus 等[10][11]。随着加工工艺和材料的发展，一批先进的微型涡喷发动机不断呈现，目前推重比已经超过 10，比如捷克的 TJ100 和美国哈密尔顿标准公司的 SWB-100 发动机[12]，分别如图 1.1 和 1.2 所示。
【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】：2019
【分类号】：V235.12

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本文编号：2693393