民用涡扇发动机自抗扰控制及参数优化研究

发布时间：2020-10-26 14:00

　　 航空飞行技术的不断发展和飞机使用频率的日益增长对航空发动机的性能及飞机运行的稳定性提出了更高的要求。航空发动机的整个工作过程是非常复杂的气动热力学过程,由于不同环境条件和状态下的气动热力学过程差别很大,因此航空发动机系统的数学模型通常处于不断变化之中,且具有极强的非线性特征。对于这样一个非线性时变系统,若不对其施加合理的控制手段,航空发动机将不能正常工作,因此航空发动机控制系统作为提升发动机性能、保护发动机部件、维持发动机稳定运行的机构,变得日益重要。现如今PID仍在航空发动机控制中占据主导地位。虽然PID控制具有较高的稳定裕度,但具有良好动态品质的裕度不大,且被动抗扰所需控制能量较高,因此本课题将研究基于自抗扰的航空发动机控制系统并对其进行参数优化,使系统具有较强的抗扰能力,最终实现以较低的控制能量维持良好发动机性能的目标。本文的主要研究内容和工作如下:第一,对民用涡扇发动机的数学模型进行了深入细致的研究。利用空气动力学原理和热力学原理,通过部件级建模技术建立了民用涡扇发动机的稳态和动态非线性模型。为了便于对发动机的控制系统进行研究与设计,本文进一步通过偏导数法对所建立的部件级非线性模型在稳态点处进行了线性化,并通过频谱分解法对其进行了降阶。进而通过对降阶后的模型进行归一化处理,解决了由于参数数量级不同而导致方程组求解病态的问题。第二,通过自抗扰控制技术设计并导出了涡扇发动机控制系统。本研究设计了涡扇发动机自抗扰控制系统的整体结构,进而针对每一个稳态点处的系统设计了相应的稳态自抗扰控制器,并给出了控制系统稳定的条件,然后将各稳态点处的控制器通过调度的方式构成发动机全状态下的稳态控制器。另外,本文对自抗扰控制器中的各项参数进行了详细的分析,利用带宽整定的方法对控制器参数进行了整定和赋值并进行了仿真验证,结果表明该方法得出的参数值能够使系统响应具有优良的特性,但控制信号的瞬时值容易出现激增而超出执行机构的承受界限。第三,利用自适应遗传算法研究了自抗扰控制器参数的优化问题。为了防止出现控制信号激增的情况,本文将系统响应的稳态特性、动态特性和对控制信号的约束项均包含在适应度函数之内。进而本文将优化设计后的自抗扰控制器与航空发动机控制领域常用的PID控制器进行了对比。仿真实验的结果表明,利用本文所设计的自适应遗传算法对上述稳态自抗扰控制器进行优化后,有效消除了控制信号的激增现象,保护了执行机构的安全,同时保证了系统响应具有良好的动态及稳态特性。最后,为实现对非线性发动机的直接控制,本文对各稳态点处的控制器进行了综合,结合增益调参法设计了非线性涡扇发动机的自抗扰控制系统。以发动机的高压转子转速为依据,对各稳态点处的自抗扰控制器参数进行实时插值运算,得到相应的非稳态点处的控制器参数并赋值给动态控制器,进而通过增益调度的方法将稳态控制器和动态控制器组合起来对非线性发动机施加控制作用。在稳态点附近通过稳态控制器控制,在非稳态点处由动态控制器控制。航空发动机模型参数的变化是非线性的,而本文通过插值运算得到的动态控制器也是非线性的,最后的仿真实验结果表明,本文所设计的航空发动机控制系统能够直接对非线性发动机进行有效的控制,在保证涡扇发动机的稳定运行的前提下,使发动机既具有良好的动态性能和稳态特性,又具有较强的主动抗干扰能力。
【学位单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V235.13
【部分图文】：

到目前为止，我们己经获得了发动机各部件的气动热力学方程，并可以计算??每个部件的进出口处的关键参数值。现在我们按照各部件的输入输出关系将其连??接起来，并根据图２－２所示的气体流通过程进行计算。??１８??

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本文编号：2857090