变循环发动机控制技术研究及仿真验证
发布时间：2021-03-06 16:30
目前,变循环发动机作为航空发动机最有前景的研究方向之一,其能够满足飞机特别是军用战斗机在不同飞行任务下的需求,并能够满足高单位推力与低耗油率两种有一定矛盾性的性能指标要求。本文针对带核心驱动风扇级的变循环发动机开展了变循环发动机部件级建模以及主要控制规律的研究工作,具体研究工作为:首先,通过分析发动机各个部件的数学模型,采用Matlab/Simulink软件建立了带核心驱动风扇级的变循环发动机的稳态和动态模型,该变循环发动机存在两种工作模式分别是单外涵模式和双外涵模式,并在此过程中考虑了相关部件的导叶角和导向器。通过仿真分析了该变循环发动机在两种模式之间的切换过程以及其因为变循环技术而带来的相关特性。采用一步最小二乘法和小扰动法建立了变循环发动机稳态工作点的线性化状态空间模型。其次,利用该变循环发动机部件级模型,依照常规涡扇发动机控制系统的设计方法,搭建了变循环发动机的控制系统仿真平台,设计了变循环发动机的主要控制规律,并通过仿真验证了在本文设计的控制规律作用下变循环发动机能够快速稳定从慢车状态运行到最大状态。其中,主要的控制规律是主燃油控制规律,包含了稳态点控制器、以线性控制器和低选...
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
典型变循环发动机的变几何结构示意图
图 2. 5 稳态模型使用的 N-R 求解器2.3 变循环发动机模型仿真验证将上一节介绍了各个部件的数学模型以及稳态和动态共同工作方程，本文采用各个部件独立建模的思想，通过使用 Matlab/Simulink 对每个部件建立一个对应的仿真模块，然后利用基于流量连续假设将各个部件链接起来，建立的变循环发动机的部件级模型如图 2. 6 所示。Simulink 中设定的仿真时间步长为 0.02 秒。Mode ChangingVCE ModelShaftInlet Fan Duct CDFSBypass MixerCompressor Burner HPT LPT Mixer AfterBurnerInputsOutputsNozzle[HPTW_Er][MixerPs_Er]1 [H][Ma0][At][Wfb][Wfaf][alpha_f][alpha_i][alpha_c][alpha_h][alpha_l][VABI3]234567[HPTW_Er][LPTW_Er][MixerPs_Er][NozW_Er]1234[Nh][Nl]89[H][Ma0][Wfb][Wfaf][alpha_f][alpha_i][alpha_h][PNF][PNC][PNC][Beta_f][Beta_i][Beta_h][alpha_c][PNC][Beta_c][CDFSW_Er] 5[Nhdot][Nldot]78PWhPWiPWcPWlPWf1PWf2NhNlNhdotNldot[PWh][PWi][PWc][PWl][PWf1][PWf2][Nh][Nl][Nhdot][Nldot]1/14600[PNF]1/18000[PNC][BPR1]10 [SV]HMa0S1GasPthCharOutInletOut[S2][InletOut]PNFGasPthCharInAlpha_FanFan_RlineW2_inGasPthCharOutS2Fan_StateW2FAN_Er[SV]SingleBeta_fBeta_iBeta_cBeta_hBeta_lW2_in[Beta_f][Beta_i][Beta_c][Beta_h][Beta_l]GasPthCharInS2_InW13S13S21PwOutW21GasPthInPNCAlphaBetaGasPthCharOutCDFS_StatePwOut[PWi][PWf1][PWf2][PWc]GasPthCharInPNCAlpha_cBe
图 3. 9 稳态点控制器与限制保护模块联合仿真图在带有限制保护和不带有限制保护产生的响应效果如下图所示。由于主控制乘以了大于1 的增益系数的缘故，其响应相应的得到了增强。在没有加入限制保护模块时，其х 超出了限制值，但是在加入限制保护模块后，由于激活了涡轮前温度限制控制器，保护了х 低于其限制值。在最后一个图中，显示了带限制保护的低选架构中，各个通道燃油流量变化率的比较以及控制过程中激活通道的变化，其中通道 1-3 分别表示主控制器、х 通道以及х 通道，主控制器在开始与结束均被激活了，即在稳态时真正工作的回路是主控制器回路。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于一步最小二乘法建立航空发动机状态变量模型[J]. 郑斐华,胡春艳,李伟,郭磊,刘存喜. 燃气轮机技术. 2017(04)
[2]基于蜂群算法的变循环发动机最小耗油率优化[J]. 骆广琦,李游,吴涛,胡砷纛,曾剑臣. 航空发动机. 2016(01)
[3]基于滑模控制方法的航空发动机控制系统改进设计[J]. 徐清诗,郭迎清. 航空发动机. 2015(06)
[4]航空发动机超声速巡航性能寻优控制研究[J]. 孙丰勇,张海波,叶志锋,郑前钢. 推进技术. 2015(08)
[5]GE公司变循环发动机的发展[J]. 刘红霞. 航空发动机. 2015(02)
[6]变循环发动机组合变几何调节方案[J]. 骆广琦,李游,刘琨,吴涛,胡砷纛. 航空动力学报. 2014(10)
[7]燃气涡轮发动机加减速控制计划最优设计方法[J]. 施洋,屠秋野,蔡元虎,邱超,谭智勇. 航空动力学报. 2013(11)
[8]挠性卫星的自适应模糊滑模控制[J]. 管萍,陈家斌. 航天控制. 2004(04)
[9]变循环发动机[J]. 方昌德. 燃气涡轮试验与研究. 2004(03)
[10]动态滑模控制及其在移动机器人输出跟踪中的应用[J]. 晁红敏,胡跃明. 控制与决策. 2001(05)
博士论文
[1]变循环发动机控制规律设计方法研究[D]. 贾琳渊.西北工业大学 2017
[2]变循环发动机特性分析及其与飞机一体化设计研究[D]. 周红.西北工业大学 2016
[3]变循环发动机建模与分布式控制研究[D]. 谢振伟.西北工业大学 2016
[4]变循环发动机建模及性能寻优控制技术研究[D]. 王元.南京航空航天大学 2015
硕士论文
[1]自适应循环发动机建模及控制规律研究[D]. 杨宇飞.南京航空航天大学 2017
[2]变循环发动机多变量控制及性能寻优[D]. 徐佩佩.南京航空航天大学 2016
[3]基于SQP方法的航空发动机过渡态最优控制研究[D]. 胡欢.南京航空航天大学 2015
[4]涡轴发动机多变量滑模控制设计与仿真研究[D]. 龚仁吉.南京航空航天大学 2013
[5]变循环发动机多变量控制及性能寻优[D]. 薛益春.南京航空航天大学 2012
[6]变循环发动机建模及控制规律研究[D]. 苟学中.南京航空航天大学 2012
[7]离散时间系统滑模变结构控制理论若干问题研究[D]. 罗刘敏.东北大学 2009
[8]变循环发动机控制半物理仿真研究[D]. 赵敏静.北方工业大学 2008
[9]基于混合仿真平台的智能变结构控制及其应用研究[D]. 刘品杰.河北工业大学 2007
本文编号：3067432
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
典型变循环发动机的变几何结构示意图
图 2. 5 稳态模型使用的 N-R 求解器2.3 变循环发动机模型仿真验证将上一节介绍了各个部件的数学模型以及稳态和动态共同工作方程，本文采用各个部件独立建模的思想，通过使用 Matlab/Simulink 对每个部件建立一个对应的仿真模块，然后利用基于流量连续假设将各个部件链接起来，建立的变循环发动机的部件级模型如图 2. 6 所示。Simulink 中设定的仿真时间步长为 0.02 秒。Mode ChangingVCE ModelShaftInlet Fan Duct CDFSBypass MixerCompressor Burner HPT LPT Mixer AfterBurnerInputsOutputsNozzle[HPTW_Er][MixerPs_Er]1 [H][Ma0][At][Wfb][Wfaf][alpha_f][alpha_i][alpha_c][alpha_h][alpha_l][VABI3]234567[HPTW_Er][LPTW_Er][MixerPs_Er][NozW_Er]1234[Nh][Nl]89[H][Ma0][Wfb][Wfaf][alpha_f][alpha_i][alpha_h][PNF][PNC][PNC][Beta_f][Beta_i][Beta_h][alpha_c][PNC][Beta_c][CDFSW_Er] 5[Nhdot][Nldot]78PWhPWiPWcPWlPWf1PWf2NhNlNhdotNldot[PWh][PWi][PWc][PWl][PWf1][PWf2][Nh][Nl][Nhdot][Nldot]1/14600[PNF]1/18000[PNC][BPR1]10 [SV]HMa0S1GasPthCharOutInletOut[S2][InletOut]PNFGasPthCharInAlpha_FanFan_RlineW2_inGasPthCharOutS2Fan_StateW2FAN_Er[SV]SingleBeta_fBeta_iBeta_cBeta_hBeta_lW2_in[Beta_f][Beta_i][Beta_c][Beta_h][Beta_l]GasPthCharInS2_InW13S13S21PwOutW21GasPthInPNCAlphaBetaGasPthCharOutCDFS_StatePwOut[PWi][PWf1][PWf2][PWc]GasPthCharInPNCAlpha_cBe
图 3. 9 稳态点控制器与限制保护模块联合仿真图在带有限制保护和不带有限制保护产生的响应效果如下图所示。由于主控制乘以了大于1 的增益系数的缘故，其响应相应的得到了增强。在没有加入限制保护模块时，其х 超出了限制值，但是在加入限制保护模块后，由于激活了涡轮前温度限制控制器，保护了х 低于其限制值。在最后一个图中，显示了带限制保护的低选架构中，各个通道燃油流量变化率的比较以及控制过程中激活通道的变化，其中通道 1-3 分别表示主控制器、х 通道以及х 通道，主控制器在开始与结束均被激活了，即在稳态时真正工作的回路是主控制器回路。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于一步最小二乘法建立航空发动机状态变量模型[J]. 郑斐华,胡春艳,李伟,郭磊,刘存喜. 燃气轮机技术. 2017(04)
[2]基于蜂群算法的变循环发动机最小耗油率优化[J]. 骆广琦,李游,吴涛,胡砷纛,曾剑臣. 航空发动机. 2016(01)
[3]基于滑模控制方法的航空发动机控制系统改进设计[J]. 徐清诗,郭迎清. 航空发动机. 2015(06)
[4]航空发动机超声速巡航性能寻优控制研究[J]. 孙丰勇,张海波,叶志锋,郑前钢. 推进技术. 2015(08)
[5]GE公司变循环发动机的发展[J]. 刘红霞. 航空发动机. 2015(02)
[6]变循环发动机组合变几何调节方案[J]. 骆广琦,李游,刘琨,吴涛,胡砷纛. 航空动力学报. 2014(10)
[7]燃气涡轮发动机加减速控制计划最优设计方法[J]. 施洋,屠秋野,蔡元虎,邱超,谭智勇. 航空动力学报. 2013(11)
[8]挠性卫星的自适应模糊滑模控制[J]. 管萍,陈家斌. 航天控制. 2004(04)
[9]变循环发动机[J]. 方昌德. 燃气涡轮试验与研究. 2004(03)
[10]动态滑模控制及其在移动机器人输出跟踪中的应用[J]. 晁红敏,胡跃明. 控制与决策. 2001(05)
博士论文
[1]变循环发动机控制规律设计方法研究[D]. 贾琳渊.西北工业大学 2017
[2]变循环发动机特性分析及其与飞机一体化设计研究[D]. 周红.西北工业大学 2016
[3]变循环发动机建模与分布式控制研究[D]. 谢振伟.西北工业大学 2016
[4]变循环发动机建模及性能寻优控制技术研究[D]. 王元.南京航空航天大学 2015
硕士论文
[1]自适应循环发动机建模及控制规律研究[D]. 杨宇飞.南京航空航天大学 2017
[2]变循环发动机多变量控制及性能寻优[D]. 徐佩佩.南京航空航天大学 2016
[3]基于SQP方法的航空发动机过渡态最优控制研究[D]. 胡欢.南京航空航天大学 2015
[4]涡轴发动机多变量滑模控制设计与仿真研究[D]. 龚仁吉.南京航空航天大学 2013
[5]变循环发动机多变量控制及性能寻优[D]. 薛益春.南京航空航天大学 2012
[6]变循环发动机建模及控制规律研究[D]. 苟学中.南京航空航天大学 2012
[7]离散时间系统滑模变结构控制理论若干问题研究[D]. 罗刘敏.东北大学 2009
[8]变循环发动机控制半物理仿真研究[D]. 赵敏静.北方工业大学 2008
[9]基于混合仿真平台的智能变结构控制及其应用研究[D]. 刘品杰.河北工业大学 2007
本文编号：3067432
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