【摘要】：螺旋槳電推進(jìn)系統(tǒng)是臨近空間飛艇能量轉(zhuǎn)換的最后環(huán)節(jié),是臨近空間飛艇的動(dòng)力來源。螺旋槳電推進(jìn)系統(tǒng)由電機(jī)、減速器和螺旋槳組成,各子系統(tǒng)涉及不同的學(xué)科,這種多學(xué)科交叉特征必然帶來系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)綜合性能評(píng)價(jià)的復(fù)雜性。本文主要進(jìn)行了推進(jìn)系統(tǒng)效率提升方法研究以及推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能測(cè)試方法研究:具體研究?jī)?nèi)容如下:(1)開展了臨近空間飛艇推進(jìn)系統(tǒng)效率提升方法研究1)為增加飛艇任務(wù)載荷量,提出了臨近空間飛艇平臺(tái)螺旋槳電推進(jìn)系統(tǒng)最佳功率單元概念,在此基礎(chǔ)上利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了推進(jìn)、能源分系統(tǒng)性能指標(biāo)對(duì)任務(wù)載荷的敏度分析。進(jìn)行推進(jìn)系統(tǒng)最佳功率單元設(shè)計(jì)的目的是合理配置臨近空間飛艇的推進(jìn)系統(tǒng)方案,盡可能的增加飛艇的任務(wù)載荷量,側(cè)面提高推進(jìn)系統(tǒng)整體效率。首先,利用多準(zhǔn)則決策方法對(duì)飛艇推進(jìn)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方案進(jìn)行了研究。根據(jù)最優(yōu)拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法以及響應(yīng)面法,建立了推進(jìn)系統(tǒng)的重量和效率的近似模型。然后以最小能源系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)總重量為目標(biāo),建立了最佳功率單元優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。對(duì)于一定長(zhǎng)度的飛艇,利用多島遺傳算法得到了相應(yīng)的推進(jìn)系統(tǒng)最佳功率單元,設(shè)計(jì)結(jié)果表明:在最佳功率單元下,推進(jìn)系統(tǒng)和能源系統(tǒng)總重減小了11.5%。此外,利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了推進(jìn)、能源分系統(tǒng)性能指標(biāo)對(duì)任務(wù)載荷的敏度分析,得到影響任務(wù)載荷的分系統(tǒng)指標(biāo)的優(yōu)先序列,其中推進(jìn)系統(tǒng)效率影響程度最大,占35%。2)根據(jù)電機(jī)和螺旋槳特性,提出了推進(jìn)系統(tǒng)總體參數(shù)優(yōu)化匹配的通用性方法。通過分析螺旋槳以及永磁無刷直流電機(jī)的特性,根據(jù)兩者力矩、轉(zhuǎn)速平衡關(guān)系得到了推進(jìn)系統(tǒng)總體參數(shù)匹配的一般性方法。利用推進(jìn)系統(tǒng)總體參數(shù)匹配方法,對(duì)功率30kw、槳徑6.8m減驅(qū)推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了部件參數(shù)匹配設(shè)計(jì),匹配設(shè)計(jì)結(jié)果顯示:電機(jī)和螺旋槳的額定轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的效率均在各自最大效率點(diǎn)附近,推進(jìn)系統(tǒng)整體效率高。隨后,通過分析不同額定工況點(diǎn)下推進(jìn)系統(tǒng)性能,進(jìn)一步說明額定工況點(diǎn)合理選取的重要性。分析表明,只有設(shè)計(jì)合適的工況點(diǎn),才能夠確保推進(jìn)系統(tǒng)在一定工作范圍內(nèi)均能保持全功率匹配,維持高的工作效率。(2)開展了臨近空間飛艇推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性驗(yàn)證方法研究1)在Matlab/Simulink環(huán)境下建立了推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能仿真模型,利用仿真模型對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能仿真研究,驗(yàn)證了推進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)匹配合理性;并依據(jù)仿真結(jié)果,發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)有推進(jìn)系統(tǒng)方案存在不能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)高度范圍內(nèi)全功率匹配的問題,據(jù)此提出了基于變減速比減速器的新型推進(jìn)系統(tǒng)方案。首先,根據(jù)永磁無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型建立了電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)電機(jī)仿真模型;根據(jù)空氣螺旋槳理論建立了螺旋槳的性能計(jì)算模型。然后根據(jù)電機(jī)、減速器以及螺旋槳之間的轉(zhuǎn)速和力矩平衡關(guān)系,建立了螺旋槳電推進(jìn)系統(tǒng)仿真模型。利用仿真模型研究推進(jìn)系統(tǒng)高空時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng),及推進(jìn)系統(tǒng)不同高度、速度下的動(dòng)態(tài)性能。仿真結(jié)果表明,現(xiàn)有推進(jìn)系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)飛艇設(shè)計(jì)高度范圍內(nèi)的全功率匹配。因此,提出了基于變減速比減速器的的推進(jìn)系統(tǒng)方案,并利用仿真手段得到各個(gè)飛行高度下減速器的最佳速比情況。2)為在地面驗(yàn)證飛艇設(shè)計(jì)高度下推進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,本文自主設(shè)計(jì)并研制了能夠同一時(shí)序模擬螺旋槳慣量、力矩以及拉力特性的螺旋槳通用負(fù)載模擬器。由于環(huán)境差異巨大,難以在地面開展設(shè)計(jì)高度下的推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn),導(dǎo)致設(shè)計(jì)高度下推進(jìn)系統(tǒng)各部件無法進(jìn)行參數(shù)匹配驗(yàn)證。此外,現(xiàn)有負(fù)載模擬器只能單一模擬負(fù)載特性,不能同時(shí)模擬螺旋槳的慣量、拉力以及力矩特性。針對(duì)這些問題,本文提出了螺旋槳地面通用負(fù)載模擬器概念。通過分析推進(jìn)系統(tǒng)性能指標(biāo),設(shè)計(jì)并搭建了可以同一時(shí)序模擬螺旋槳慣量、拉力以及力矩特性的負(fù)載模擬器:慣量通過基礎(chǔ)慣量盤加電慣量模擬、拉力用電動(dòng)缸模擬、力矩由力矩電機(jī)模擬,通過設(shè)計(jì)的測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各加載單元的協(xié)同控制。3)為提高加載精度,本文對(duì)負(fù)載模擬器試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了同軸度調(diào)試、摩擦力矩/轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量,并完成了負(fù)載模擬器有效性和通用性驗(yàn)證。首先利用水準(zhǔn)儀以及同軸度測(cè)量表對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了同軸度調(diào)試。為了校正加載力矩以及電慣量補(bǔ)償力矩,本文基于虛擬儀器的平衡力矩法以及加減速法,得到了系統(tǒng)摩擦力矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系以及系統(tǒng)的固有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。此外,將負(fù)載模擬器輸出特性分別與試驗(yàn)以及仿真結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證了負(fù)載模擬器的有效性以及通用性,模擬加載精度在2.5%以內(nèi)。4)提出了基于負(fù)載模擬器的推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試方法,并利用自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)進(jìn)行不同工況下推進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性驗(yàn)證。首先利用負(fù)載模擬器對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)高度下的加減速特性以及抗突風(fēng)性能進(jìn)行了研究,然后通過模擬不同工況下螺旋槳特性,獲得不同高度、風(fēng)速以及轉(zhuǎn)速下的推進(jìn)系統(tǒng)電流、電壓、輸入功率、輸出功率、電機(jī)效率、系統(tǒng)效率等性能數(shù)據(jù),得到這些性能與工況之間的關(guān)系。最后,論文提出了利用自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)進(jìn)行推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性驗(yàn)證的方法,并對(duì)飛艇不同工況下推進(jìn)系統(tǒng)電流、力矩以及效率特性進(jìn)行了驗(yàn)證研究。結(jié)果表明,建立的辨識(shí)模型吻合度達(dá)到0.998以上。本文重點(diǎn)開展了飛艇推進(jìn)系統(tǒng)總體參數(shù)匹配與測(cè)試方法研究,提出的研究方法適用于目前飛艇推進(jìn)系統(tǒng)的參數(shù)匹配設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)特性測(cè)試,搭建的負(fù)載模擬器試驗(yàn)臺(tái)已開始為國(guó)內(nèi)相關(guān)科研單位的推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試,工程應(yīng)用價(jià)值大。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V274

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本文編號(hào)：2489362