涡扇发动机的建模与切换控制

发布时间：2017-08-15 01:14

  本文关键词：涡扇发动机的建模与切换控制

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【摘要】：航空发动机是一个非常复杂的气动热力学被控对象,在航空发动机运行的时候存在非常多的安全边界,各个安全边界之间往往存在相互制约的关系,传统的控制方法很难满足设计目标的要求。航空发动机的控制属于多目标的控制,本文选取两个控制目标,即设计合适的控制器,实现对高压转子转速的跟踪并且使温度保持在安全边界之内。基于安全保护的切换控制方法,针对系统控制目标设计多个控制器分别满足各性能指标,并且良好的切换律使得系统在总体性能上达到最优。切换方法的引入在一定程度上解决了安全边界相互影响制约的问题,简化了控制器的设计过程。本文首先研究了某型号的分开排气式涡轮风扇发动机的建模问题,根据发动机内部各环节的气动热力学原理,对发动机各部件分别建立模型,部件级的非线性模型在控制器设计时不易直接使用,因此基于航空发动机部件级非线性模型建立了发动机的连续系统小偏差模型(平衡流形展开模型)并对其进行了控制器的设计和仿真研究。为了便于分析系统稳定性,将涡扇发动机的连续系统模型进行离散化处理,得到离散的线性参变模型(LPV)。对于得到的系统构造一个共同的李雅普诺夫函数,通过求解一系列线性矩阵不等式,给出了保证系统稳定的条件。系统的数值仿真显示高压转子转速实现了对目标的快速跟踪,同时涡轮前温度保持在安全边界内,证明了所设计的切换控制器的有效性。
【关键词】：航空发动机 多目标 切换控制 线性变参数 共同李雅普诺夫函数
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V235.13
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 绪论8-21
• 1.1 航空发动机8-11
• 1.1.1 航空发动机概述8-9
• 1.1.2 航空发动机控制的发展与研究现状9-11
• 1.2 切换系统11-18
• 1.2.1 切换系统概述11-13
• 1.2.2 切换系统的研究内容13-18
• 1.2.3 切换系统与航空发动机18
• 1.3 线性变参数系统18-19
• 1.3.1 线性变参数系统概述18-19
• 1.3.2 线性变参数系统与航空发动机19
• 1.4 本文主要工作19-21
• 2 预备知识21-25
• 2.1 李雅普诺夫稳定性21-22
• 2.2 线性变参数系统(LPV)的稳定性22-23
• 2.3 线性矩阵不等式(LMI)23-25
• 3 航空发动机建模25-37
• 3.1 涡轮风扇发动机结构简介25-26
• 3.2 涡扇发动机部件级模型的建立26-30
• 3.2.1 涡扇发动机进气道特性26
• 3.2.2 涡扇发动机风扇特性26-27
• 3.2.3 涡扇发动机高压压气机特性27
• 3.2.4 涡扇发动机燃烧室特性27-28
• 3.2.5 涡扇发动机高压涡轮特性28
• 3.2.6 涡扇发动机低压涡轮特性28-29
• 3.2.7 涡扇发动机尾喷管特性29-30
• 3.3 涡轮风扇发动机中的共同工作方程30-31
• 3.4 平衡流形的计算31-32
• 3.5 涡扇发动机线性化模型32-35
• 3.5.1 涡扇发动机线性化模型表示32-33
• 3.5.2 涡扇发动机线性化模型系数的求取33-35
• 3.6 平衡流形展开模型35-36
• 3.7 小结36-37
• 4 基于平衡流形展开模型的优化切换控制器设计37-46
• 4.1 引言37
• 4.2 控制系统简介37-38
• 4.3 控制器设计38-42
• 4.3.1 度保护回路控制器设计38-39
• 4.3.2 转速调节回路控制器设计39-40
• 4.3.3 滤波环节的设计40
• 4.3.4 切换律设计40-42
• 4.4 涡扇发动机控制系统仿真验证42-45
• 4.5 结论45-46
• 5 航空发动机离散模型控制器设计与稳定性分析46-61
• 5.1 引言46
• 5.2 涡扇发动机离散模型的建立46-48
• 5.3 切换控制器的设计48-51
• 5.3.1 温度保护控制回路48-49
• 5.3.2 高压转子转速调节回路49
• 5.3.3 滤波环节及切换律设计49-51
• 5.4 涡扇发动机稳定性分析51-55
• 5.5 共同李雅普诺夫函数计算时保守性的降低方法55-58
• 5.5.1 顶点去除法55-57
• 5.5.2 切换LPV方法57-58
• 5.6 离散涡扇发动机系统数值仿真58-60
• 5.7 结论60-61
• 结论61-62
• 参考文献62-65
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况65-66
• 致谢66-67

【参考文献】

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1 刘熊;航空发动机模糊控制系统多目标优化设计研究[D];南京航空航天大学;2006年

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本文编号：675604