基于模糊预测的加热器模拟参数控制策略研究

发布时间：2020-06-10 07:06

【摘要】：高温风洞多通过燃烧加热器得到一定总温、总压、氧摩尔比的高焓气体,以开展高超声速系统的推进、材料、结构等的真实温度性能试验。现阶段国内各高温风洞均采用固定马赫数试验模式,而发展变马赫数运行能力,能够显著提升高温风洞的试验成熟度。为实现高温风洞变马赫数运行,必须解决燃烧加热器变模拟参数控制问题,使总温、总压、氧摩尔比等模拟参数均能跟踪预设的目标轨迹。由于高温风洞燃烧加热器(以下简称加热器)的模拟参数控制较为复杂,具有显著的非线性、多变量耦合、时变时滞等控制特性,目前常用的高温风洞控制策略难以实现良好的控制性能,因此开展加热器多变量变参数控制策略研究显得十分重要。本文以0.6m高温高超声速风洞的加热器系统为研究对象,针对该系统的结构组成与运行特点,合理划分模块部件,基于流体力学三大守恒方程建立了加热器模拟参数的动态数学模型,并进一步基于MATLAB/Simulink图形化编程语言建立了加热器系统仿真模型。对该模型设计了初步仿真实验,输出结果显示该控制对象具有非线性,且各变量间相互耦合。在0.6m高温高超声速风洞上设计并开展了验证性试验,风洞试验结果与仿真结果吻合较好,证明该仿真模型能够有效模拟加热器系统的运行控制过程,可以用于加热器模拟参数控制策略研究。针对加热器变参数控制的特点难点,将模糊预测控制算法用于加热器模拟参数控制。研究了预测控制方法和T-S模糊模型在线辨识方法,以T-S模糊模型作为广义预测控制的预测模型,实现了模糊预测控制,并设计推导了具体算法。针对加热器系统的输入约束问题,引入控制量柔化系数与设定值柔化系数,简化了约束条件描述,同时通过动态性能模糊指标实时调整柔化系数,提高了优化控制效率,并使该控制算法更加可行。仿真结果显示,基于T-S模糊模型的预测控制可以满足加热器模拟参数连续可变的控制要求,为相关风洞设备的建设提供了有价值的控制策略方案。
【图文】：

军事科学院硕士学位论文的马赫数变化。高温变马赫数风洞可以实现种参数的实时变化，能在地面对飞行器及动及空气流量等来流参数的动态模拟，最终可统及其飞行器的全飞行轨迹真实模拟。目前动机整机及部件关键技术将可在地面试验设飞行试验带来的研制成本和研制周期。

图 1.3 系统输入输出关系示意图0.6m 高温高超声速风洞的气源管道上依次布置有电动截止阀、气动快速阀、压力调节阀、流量计和文氏管，如图 1.4 所示。电动截止阀用于关断和开启气源，气动快速阀用于气流的快速开启和关闭，流量计用于气流流量的实时测量；一次试验中，文氏管的喉道保持不变，，通过压力调节阀将文氏管上游的压力调节并稳定在某一固定值，使得注入加热器系统的各种气体流量保持不变[5]。本文将研究利用此气体管道布局，通过压力调节阀调节压力来实现气体流量变化，并最终实现总温、总压、氧摩尔比等模拟参数按照预定趋势精确调节的控制策略与实施方法。除了上文所述的多变量耦合特性外，可预见的控制难点还包括：整个系统各部段间均存在不同程度的非线性；调节阀执行机构、管道容腔、燃烧室等均存在时滞性，且由于各气体介质物理性质、管道长度直径等的差异，不同输入量对应不同输出有不同的时滞，意味着系统具有多时滞性。截止阀 快速阀 调节阀 文丘里管P102P103P104P101高压气源涡轮流量计P105加热器图 1.4 气体流量控制布局图
【学位授予单位】：军事科学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V211.74

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本文编号：2705955