进口畸变下的航空发动机稳定性控制研究

发布时间：2017-08-15 07:26

  本文关键词：进口畸变下的航空发动机稳定性控制研究

  更多相关文章： 航空发动机 进口畸变 发动机稳定性控制 控制规律优化 线性变参数 多项式平方和 畸变容限控制 自适应裕度控制

【摘要】：随着现代先进战术飞机的隐身性能和机动性能的提高,航空发动机将经受更高的畸变度,这与发动机性能要求的提高形成了尖锐的矛盾。借助于进口畸变相关稳定性控制技术研究,不仅可以缓解这一矛盾,还可以根据进口畸变条件实时调整发动机工作状态,在满足稳定性要求的同时最大限度提升发动机性能。本文围绕进口畸变下的航空发动机稳定性控制这一主题,开展含有进口畸变影响的发动机部件级建模、进口畸变下的稳定性控制规律优化、发动机线性变参数(LPV)控制算法以及稳定性控制系统设计研究。(1)研究了含有进口畸变影响的航空发动机部件级模型建立方法及LPV建模方法。以现有的部件级建模方法为基础,通过进口畸变对发动机影响的机理分析,提出了考虑进口畸变的部件特性插值及总压修正方法,建立了含有进口畸变影响的航空发动机非线性部件级模型。在建立的线性模型基础之上,通过多项式拟合的方法分别建立了传递函数形式和状态空间形式的LPV模型,为控制系统设计奠定了基础。(2)研究了发动机稳定性控制规律优化方法。针对双变量稳定性控制规律优化问题,提出了变增量线性规划(LP)优化方法。引入变增量系数,使得优化算法在优化初期增加收敛速度,在优化后期提高精度,解决了LP优化方法易陷入局部最小点等问题。对发动机优化性能的分析表明,该方法优化路径明确,获得的结果准确可靠。针对四变量稳定性控制规律优化,提出了带边界缓冲区的差分进化(DEBZ)优化方法。通过增加边界缓冲区来保留进化过程中约束边界处的个体,使得进化过程更加快速有效。该方法对求解多峰值、多维约束函数优化问题具有较快的收敛速度和较高的收敛精度,提高了航空发动机稳定性控制规律优化的准确性。优化获得的稳定性控制规律能够满足不同畸变下的限制要求,最大限度的提升推力性能。(3)提出了基于系统广义距离的多胞形鲁棒变增益控制方法。将系统广义距离用于凸分解系数求解,使得多胞模型能够更加准确的描述被控对象,从而提高控制精度。利用该方法设计的中间状态高压转速控制器要优于分区H?控制器和几何距离调度策略下的鲁棒变增益控制器。为了进一步提高LPV控制器在大工作范围内的控制效果,提出了基于状态重置的切换多胞LPV控制方法。通过状态重置切换方法实现分区设计变增益控制器,提高了控制精度并降低计算复杂性和保守性。设计了中间状态全包线内的高压转速和压比控制器,相比较多胞形鲁棒变增益控制方法,该方法更易实现,并具有更优的控制性能。(4)综合考虑航空发动机大转速范围的变化和控制器的可实现问题,提出了一种鲁棒LPV/PI控制方法。将LPV控制和PI控制结构相结合,根据传递函数模型下的鲁棒稳定条件推导闭环系统鲁棒稳定的多项式平方和(SOS)约束条件,通过求解SOS规划问题获得LPV/PI控制器。该方法不仅在理论上保证了控制器的鲁棒稳定性,还具有方法直观、可靠性高及易于实现等优点。基于SOS规划开展了增益调度控制方法研究,提出了基于公共Lyapunov函数的发动机增益调度控制方法和基于参数依赖Lyapunov函数的发动机增益调度控制方法。分别采用单Lyapunov函数和参数依赖Lyapunov函数分析控制器稳定性,给出了发动机增益调度系统鲁棒稳定的SOS约束条件,并将其用于发动机大转速范围变化时转速和压比的控制,仿真结果表明在全转速范围内均具有较好的控制效果。(5)针对基于传感器的传统控制模式和基于模型的智能控制模式,分别提出了涡扇发动机畸变容限控制方法和发动机自适应裕度控制方法。在现有发动机控制系统基础上,加入稳定性控制规律使得控制系统能够实时改变发动机控制目标以满足畸变变化的要求,从而实现涡扇发动机畸变容限控制。该控制方法对原有主控制回路影响较小,并且能够保证发动机在稳定工作的同时最大限度的提升性能。以可用裕度计算模块的输出能够跟踪上需用裕度估算模型的输出为原则,使得控制系统具有根据畸变条件调整发动机工作状态的能力,从而实现发动机自适应裕度控制。该控制系统能根据风扇裕度要求实时调整发动机工作点,充分挖掘了发动机性能潜力。
【关键词】：航空发动机 进口畸变 发动机稳定性控制 控制规律优化 线性变参数 多项式平方和 畸变容限控制 自适应裕度控制
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V233.7
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-19
• 第一章 绪论19-32
• 1.1 选题必要性和意义19-20
• 1.2 航空发动机先进控制系统研究现状20-21
• 1.3 航空发动机稳定性控制技术研究现状21-25
• 1.4 LPV控制研究现状25-28
• 1.4.1 LPV控制方法25-27
• 1.4.2 SOS方法及其在LPV控制中的应用27-28
• 1.5 论文研究内容28-32
• 1.5.1 论文研究思路28-30
• 1.5.2 论文内容安排30-32
• 第二章 考虑进口畸变影响的发动机部件级模型及LPV模型32-52
• 2.1 引言32-33
• 2.2 含有进口畸变影响的部件级模型33-42
• 2.2.1 部件级建模方法33-34
• 2.2.2 进口畸变下的发动机模型34-39
• 2.2.3 仿真分析39-42
• 2.3 传递函数形式的多项式LPV模型42-46
• 2.3.1 频率响应法获取传递函数模型42-44
• 2.3.2 发动机多项式LPV模型44-45
• 2.3.3 仿真分析45-46
• 2.4 状态空间形式的多项式LPV模型46-51
• 2.4.1 状态变量线性模型46-49
• 2.4.2 发动机多项式LPV模型49-50
• 2.4.3 仿真分析50-51
• 2.5 本章小结51-52
• 第三章 进口畸变条件下发动机稳定性控制规律优化方法52-68
• 3.1 引言52-53
• 3.2 基于变增量LP算法的两变量控制规律优化53-60
• 3.2.1 优化问题描述53-54
• 3.2.2 变增量LP优化方法54-57
• 3.2.3 优化性能分析57-59
• 3.2.4 两变量控制规律优化结果59-60
• 3.3 基于DEBZ的四变量控制规律优化60-67
• 3.3.1 优化问题描述60-61
• 3.3.2 带边界缓冲区的差分进化算法61-63
• 3.3.3 优化性能分析63-66
• 3.3.4 四变量控制规律优化结果66-67
• 3.4 本章小结67-68
• 第四章 发动机中间状态多胞形鲁棒变增益控制方法68-88
• 4.1 引言68-69
• 4.2 多胞形鲁棒变增益控制69-77
• 4.2.1 多胞形鲁棒变增益控制原理69-71
• 4.2.2 利用间隙度量求解凸分解系数71-72
• 4.2.3 中间状态高压转速LPV控制器设计72-74
• 4.2.4 仿真验证与分析74-77
• 4.3 基于切换多胞LPV的鲁棒变增益控制77-87
• 4.3.1 切换多胞LPV系统77-78
• 4.3.2 状态重置的切换多胞LPV控制原理78-81
• 4.3.3 中间状态多变量切换多胞LPV控制81-84
• 4.3.4 仿真验证与分析84-87
• 4.4 本章小结87-88
• 第五章 基于SOS规划的发动机过渡态增益调度控制方法88-114
• 5.1 引言88
• 5.2 SOS规划88-90
• 5.3 基于传递函数的鲁棒LPV/PI控制90-95
• 5.3.1 传递函数结构下的鲁棒稳定性90-91
• 5.3.2 基于SOS规划的鲁棒LPV/PI控制方法91-93
• 5.3.3 发动机LPV/PI控制器设计93
• 5.3.4 仿真分析93-95
• 5.4 基于状态空间的鲁棒增益调度控制95-112
• 5.4.1 混合灵敏度LPV/ H_∞控制95-101
• 5.4.2 基于公共Lyapunov函数的发动机增益调度控制101-107
• 5.4.3 基于参数依赖Lyapunov函数的发动机增益调度控制107-112
• 5.5 本章小结112-114
• 第六章 涡扇发动机稳定性控制系统设计114-133
• 6.1 引言114
• 6.2 涡扇发动机畸变容限控制114-122
• 6.2.1 控制系统结构114-115
• 6.2.2 畸变指数预测模块115-117
• 6.2.3 双变量稳定性控制仿真分析117-120
• 6.2.4 四变量稳定性控制仿真分析120-122
• 6.3 发动机自适应裕度控制122-132
• 6.3.1 控制结构123-124
• 6.3.2 需用裕度估算模型124-126
• 6.3.3 可用裕度计算模块126-127
• 6.3.4 仿真分析127-132
• 6.4 本章小结132-133
• 第七章 总结与展望133-137
• 7.1 研究工作总结133-135
• 7.2 创新点135-136
• 7.3 展望136-137
• 参考文献137-149
• 致谢149-150
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文150

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 朱旭津;航空发动机先进控制概念和高稳定性发动机控制系统研制[J];燃气涡轮试验与研究;2002年03期

2 胡骏;均匀与非均匀进气条件下多级轴流压气机性能计算—周向畸变的影响[J];航空动力学报;2000年03期

3 袁春飞,孙健国,熊智,李松林;推进系统优化控制模式研究[J];航空动力学报;2004年01期

4 王曦,林永霖,吴永康;H_∞控制在飞行/推进综合控制系统中的应用[J];航空动力学报;2004年05期

5 虞忠伟,陈辉堂,王月娟;基于LMI方法的机器人LPV鲁棒H_∞控制器设计[J];控制与决策;2001年02期

6 蔡元虎;王鹏;王占学;乔渭阳;;进气畸变对发动机压缩部件气动稳定性的影响[J];推进技术;2006年03期

7 李华聪;王鑫;韩小宝;孙有田;;航空发动机线性变参数建模方法研究[J];推进技术;2007年04期

8 徐志高,关正西,张炜;模糊神经网络在导弹动力系统多故障诊断中的应用[J];弹箭与制导学报;2005年01期

9 罗南华;王伟;;基于动态递归模糊神经网络的水轮发电机组建模[J];控制与决策;2007年10期

10 李文强;马建军;李鹏;郑志强;;基于LPV的变增益控制技术及其在航空航天领域的应用[J];航空兵器;2009年02期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 李文强;LPV系统鲁棒变增益控制研究及其应用[D];国防科学技术大学;2009年

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本文编号：676953