航空发动机非线性与优化控制设计方法研究

发布时间：2017-09-09 22:41

  本文关键词：航空发动机非线性与优化控制设计方法研究

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【摘要】：航空发动机是一个复杂的热力-机械系统,具有强非线性的特点,但由于恶劣复杂的高温高压的工作环境,使得其相应控制单元无法满足计算要求而应用相对复杂先进的控制算法,所以传统的航空发动机控制一直采用相对可靠且无需大量复杂在线运算的增益调度计划方法。随着相关技术领域的不断突破以及非线性控制理论的不断完善,航空发动机非线性控制技术研究渐渐成为热点问题。本文首先对针对未来航空发动机技术极其控制技术发展趋势做了阐述,对航空发动机模型辨识技术、非线性控制理论及航空发动机过渡态优化等发展现状做了概括。其次,基于某型涡扇发动机部件级模型,应用NARX非线性模型结构,针对模型运行数据进行了非线性模型辨识。应用相关评价准则,选择较优模型,同时针对辨识结果进行了误差对比分析,分析结果表明,辨识模型满足进一步的研究分析。再次,应用非线性广义最小方差控制方法,针对上节辨识得到的非线性、非解析模型设计了控制系统中参考信号模型、传感器模型以及加入了延迟环节,最终设计了非线性控制器。为了对比控制效果,设计了传统PID控制器。仿真结果表明,二者输出量效果基本相同,但控制量区别较大,非线性广义最小方差控制器明显优于PID控制器。进一步将干扰噪声加入了控制系统,验证控制系统的抗干扰能力。仿真结果表明,控制系统具有一定的抑制干扰能力。接下来,为了考虑发动机实际工作过程中受到的诸多限制条件,从优化算法的角度,应用二次规划算法中的有效集算法针对航空发动机的燃油流量及尾喷管面积进行控制量优化。仿真结果表明,优化出的控制规律可以实现发动机工作状态的变换。最后,将基于非线性广义最小方差的控制器同优化算法优化的控制律进行对比研究,结果表明二者各有所长,侧重点略有不同。NGMV控制更加关注控制系统的完整性,而ASM则较多的考虑了发动机处于不同工作状态时,其他重要参数的变化情况。NGMV控制设计较ASM计算便捷,响应速度较ASM略快,且将实际传感器,输入信号等加以考虑。ASM优化计算时间较长,实时性效果较差,但误差较低。
【关键词】：航空发动机 NARX非线性模型辨识 非线性广义最小方差控制 过渡态优化算法 对比研究
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V233.7
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-13
• 第一章 绪论13-23
• 1.1 研究背景13-14
• 1.2 国内外研究现状14-21
• 1.2.1 先进航空发动机及其控制技术发展趋势14-17
• 1.2.2 航空发动机模型辨识17-18
• 1.2.3 非线性控制理论18-20
• 1.2.4 航空发动机过渡态优化20-21
• 1.3 研究目标与主要内容21-23
• 第二章 航空发动机非线性模型辨识技术研究23-36
• 2.1 非线性辨识技术概述23-24
• 2.2 NARX非线性辨识原理24-27
• 2.3 非线性NARX模型辨识27-31
• 2.3.1 涡扇发动机部件级模型27-28
• 2.3.2 NARX模型辨识28-31
• 2.4 模型验证及误差31-35
• 2.4.1 评价准则原理31-32
• 2.4.2 模型辨识结果32-33
• 2.4.3 误差分析33-35
• 2.5 本章小结35-36
• 第三章 基于非线性广义最小方差方法的航空发动机控制研究36-48
• 3.1 非线性广义最小方差控制理论简介36-37
• 3.1.1 最小方差控制36-37
• 3.1.2 广义最小方差控制37
• 3.1.3 非线性广义最小方差控制37
• 3.2 基于NGMV方法的航空发动机控制理论分析37-42
• 3.2.1 控制系统中相关模块参数描述38-39
• 3.2.2 非线性广义最小方差控制器设计39-42
• 3.3 基于NGMV方法的航空发动机控制仿真研究42-46
• 3.3.1 无干扰噪声情况下控制器效果对比42-45
• 3.3.2 加干扰噪声情况下控制器效果对比45-46
• 3.4 本章小结46-48
• 第四章 基于有效集算法的航空发动机过渡态最优控制研究48-67
• 4.1 二次规划优化理论概述48-49
• 4.2 有效集算法推导49-51
• 4.3 基于优化算法的航空发动机控制研究51-56
• 4.3.1 涡扇发动机加、减速过程分析52-53
• 4.3.2 涡扇发动机控制量优化算法实现53-56
• 4.4 涡扇发动机控制量优化仿真分析56-66
• 4.4.1 慢车状态加速至最大状态56-59
• 4.4.2 最大状态减速至慢车状态59-63
• 4.4.3 基于ASM算法优化的慢车状态至最大状态间控制鲁棒性研究63-66
• 4.5 本章小结66-67
• 第五章 基于两种控制策略的航空发动机控制对比研究67-72
• 5.1 基于ASM算法的发动机其他状态加、减速优化67-70
• 5.2 基于NGMV控制与ASM优化算法的对比70-71
• 5.3 本章小结71-72
• 第六章 总结与展望72-74
• 6.1 本文总结72
• 6.2 展望与建议72-74
• 参考文献74-80
• 致谢80-81
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文81

【参考文献】

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本文编号：823187