本文選題：變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)　切入點(diǎn)：數(shù)學(xué)模型　出處：《南京航空航天大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：可變涵道比的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)通過改變自身部件的幾何尺寸來改變氣動(dòng)熱力循環(huán),以滿足不同飛行條件下飛機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的不同要求,在整個(gè)大飛行包線內(nèi)都能提供較高的推力和較低的耗油率,相當(dāng)于兼具了渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的性能優(yōu)勢(shì),具有極大的發(fā)展?jié)摿?逐漸成為當(dāng)前航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的主流研究方向。本文以雙外涵變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象,建立了部件級(jí)數(shù)值仿真數(shù)學(xué)模型,并在模型基礎(chǔ)上開展了變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)魯棒控制和性能尋優(yōu)控制技術(shù)的研究。論文首先研究了變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)部件級(jí)模型的建立方法。針對(duì)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的特征部件開展了建模方法研究,采用葉尖葉根分段建模技術(shù)建立了風(fēng)扇數(shù)學(xué)模型,使之更適用于變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī);基于流場(chǎng)分析,建立了活門角度、外涵道進(jìn)口總壓、動(dòng)壓與外涵道總壓恢復(fù)系數(shù)之間的智能映射,完善了外涵模型。對(duì)建立的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)部件級(jí)模型進(jìn)行了數(shù)值仿真,通過與參考文獻(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證了模型的有效性。針對(duì)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)部件級(jí)模型共同工作方程較多、方程求解難度較大的情況,提出了自校正Broyden擬牛頓法,結(jié)合牛頓法平方收斂和Broyden擬牛頓法超線性收斂特性,通過自適應(yīng)調(diào)整計(jì)算步長和校正函數(shù),在非線性系統(tǒng)中具有更好的計(jì)算性能。通過以變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)部件級(jí)模型為對(duì)象的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算,驗(yàn)證了自校正Broyden擬牛頓法相對(duì)于牛頓法和Broyden擬牛頓法對(duì)復(fù)雜計(jì)算環(huán)境更強(qiáng)的適應(yīng)性和更快的收斂速度。此外,還設(shè)計(jì)了變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)性能蛻化估計(jì)模塊,利用卡爾曼濾波器的狀態(tài)估計(jì)能力,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能蛻化進(jìn)行估計(jì)。其次,論文研究了變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)多變量魯棒控制技術(shù)。從變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的諸多輸出中通過基于魯棒穩(wěn)定性和條件數(shù)(RSCN)方法篩選出了被控參數(shù),研究了變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)控制規(guī)律的建立方法。為使系統(tǒng)獲得魯棒跟蹤和干擾抑制能力,采用多目標(biāo)微分進(jìn)化算法對(duì)性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化搜索,設(shè)計(jì)了三變量LQ/H∞控制器。以抗干擾能力強(qiáng)的自抗擾控制技術(shù)設(shè)計(jì)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)限制保護(hù)控制器,通過對(duì)主回路被控參數(shù)指令值的修正對(duì)多個(gè)約束參數(shù)實(shí)施限制保護(hù)。為驗(yàn)證三變量LQ/H∞控制器和限制保護(hù)控制器的控制性能,分別進(jìn)行了變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)過渡態(tài)控制仿真,以及不同工作模式間的切換控制仿真。仿真結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的三變量LQ/H∞控制器具有良好的動(dòng)態(tài)性能和魯棒跟蹤性,而限制保護(hù)控制器能夠快速有效的通過對(duì)主回路指令值的修正達(dá)到對(duì)多個(gè)超出安全限制的約束參數(shù)限制保護(hù)的目的。在變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)部件級(jí)模型和魯棒控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,建立了變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)性能尋優(yōu)控制平臺(tái),研究了序列二次約束二次規(guī)劃算法(SQCQP)在性能尋優(yōu)控制中應(yīng)用的可行性,提出采用DE算法求解QCQP子問題,使SQCQP算法在工程上更容易實(shí)現(xiàn)。開展了基于SQCQP算法的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)性能尋優(yōu)控制,并與目前常用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能尋優(yōu)的SQP算法進(jìn)行比較,仿真結(jié)果表明SQCQP算法的尋優(yōu)收斂速度快于SQP算法,驗(yàn)證了算法的有效性。在SQCQP算法的基礎(chǔ)上結(jié)合序列線性方程組(SSLE)算法中構(gòu)造方程組的思想,提出了序列方程組二次規(guī)劃(SEQP)算法。為保證算法的收斂速度和收斂精度,算法精簡(jiǎn)了SQCQP算法子問題的二階約束項(xiàng),以迭代點(diǎn)軌跡預(yù)測(cè)的方式判斷有效約束并構(gòu)造非線性積極方程組,通過求解該方程組更新迭代點(diǎn)。通過對(duì)SEQP算法收斂性的分析證明了該算法的全局收斂能力和一定條件下的強(qiáng)收斂性。相比于傳統(tǒng)SQP算法,SEQP算法的優(yōu)化速度更快,同時(shí)優(yōu)化收斂精度更高,在變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)性能尋優(yōu)控制中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。論文最后針對(duì)采用群體智能算法在性能尋優(yōu)控制中的應(yīng)用展開了研究。在自組織遷移算法和粒子群算法的基礎(chǔ)上,提出了粒子遷移智能算法(PSMA),采用罰函數(shù)自適應(yīng)調(diào)整策略及多領(lǐng)導(dǎo)者遷移策略,使得算法具有較強(qiáng)的求解帶約束優(yōu)化問題的能力。與多種典型群體智能算法進(jìn)行通用函數(shù)測(cè)試對(duì)比,結(jié)果表明PSMA算法具有更高的收斂精度和更快的收斂速度。將PSMA算法應(yīng)用于變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)性能尋優(yōu)控制中,通過與多種群體智能算法和非線性規(guī)劃算法作對(duì)比,結(jié)果表明:PSMA算法相比其他群體智能算法具有更好的優(yōu)化效果,而在包含等式約束的最小油耗控制和最低渦輪溫度控制中的優(yōu)化效果優(yōu)于SQP算法,證明了PSMA算法在變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)性能尋優(yōu)控制中具有可行性。
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【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V233.7

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本文編號(hào)：1651434