【摘要】：微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)作為一種特殊的航空發(fā)動機(jī),已經(jīng)廣泛應(yīng)用于無人機(jī)、巡航導(dǎo)彈以及航模領(lǐng)域。具有燃油量和可調(diào)槳距角輸入的微型渦槳發(fā)動機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)是航空發(fā)動機(jī)建模、多變量控制和先進(jìn)控制規(guī)律的理想研究平臺。傳統(tǒng)大型發(fā)動機(jī)的變槳距機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜,對于微型渦槳發(fā)動機(jī)來說成本高且安裝空間有限,因而市面所售的微型渦槳發(fā)動機(jī)都是定槳距的。本文建立了可變槳距微型渦槳發(fā)動機(jī)試驗(yàn)平臺,并在該試驗(yàn)平臺上開展了控制器設(shè)計(jì)、建模與控制規(guī)律研究。論文基于德國SPT10微型渦槳發(fā)動機(jī)搭建了帶可變槳距機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)平臺,設(shè)計(jì)的變槳距機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了槳距角的自由調(diào)節(jié)。在分析原裝控制器的基礎(chǔ)上自主研制了電子控制器,并開展了臺架試車,成功實(shí)現(xiàn)了微型渦槳發(fā)動機(jī)的可靠起動,并進(jìn)一步在慢車以上狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了基本的燃油和槳距角雙變量控制,其中,燃油采用開環(huán)供給,用來控制發(fā)動機(jī)功率水平,槳距角作為閉環(huán)控制量控制螺旋槳轉(zhuǎn)速保持恒定,臺架試驗(yàn)結(jié)果表明,該控制系統(tǒng)在燃油輸入改變時可以保持螺旋槳轉(zhuǎn)速恒定,誤差不超過1.37%,控制精度高。為了降低在變槳距微型渦槳發(fā)動機(jī)試驗(yàn)平臺上直接開展先進(jìn)控制規(guī)律的研究風(fēng)險,本文設(shè)計(jì)了硬件在環(huán)仿真系統(tǒng),并闡述了關(guān)鍵部件接口模擬器的軟硬件設(shè)計(jì)方法。為了提高硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的仿真置信度,本文提出了改進(jìn)的動態(tài)系數(shù)法并建立了基于開環(huán)臺架試車數(shù)據(jù)的變槳距微型渦槳發(fā)動機(jī)數(shù)學(xué)模型。在核心機(jī)轉(zhuǎn)速模型的基礎(chǔ)上,提出將發(fā)動機(jī)輸出功率設(shè)計(jì)成螺旋槳轉(zhuǎn)速與核心機(jī)轉(zhuǎn)速為自變量的函數(shù),然后通過轉(zhuǎn)子動力學(xué)方法迭代求解獲取螺旋槳轉(zhuǎn)速模型的方法。結(jié)果表明,所建模型與試車數(shù)據(jù)的誤差不超過8%,并且具有良好的實(shí)時性。本文提出了一種渦槳發(fā)動機(jī)變轉(zhuǎn)速控制的設(shè)計(jì)思路。首先分析渦槳發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)特性圖中各個工作點(diǎn)耗油率、功率和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系,在穩(wěn)態(tài)特性圖中規(guī)劃出工作線作為發(fā)動機(jī)推力管理系統(tǒng)(ETMS)的設(shè)計(jì)依據(jù)。然后采用參考模型滑模多變量控制算法設(shè)計(jì)控制律來控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨ETMS給出的轉(zhuǎn)速指令。論文還研究了最小耗油率工作線的尋優(yōu),并與ETMS設(shè)計(jì)方法和參考模型滑模多變量控制算法結(jié)合設(shè)計(jì)了變轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng),將其應(yīng)用到微型渦槳發(fā)動機(jī)模型上,試驗(yàn)結(jié)果表明該方法與通常采用的恒轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)相比,可以使平均耗油率下降2.37%,同時該方法可以使飛行員只需通過一個手桿來操縱渦槳飛機(jī),可以大大減輕飛行員的操作負(fù)擔(dān)。
【圖文】：

可變槳距微型渦槳發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究本文通過建立可變槳距的微型渦槳發(fā)動機(jī)試驗(yàn)平臺獲取了發(fā)動機(jī)試車數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上對微型渦槳發(fā)動機(jī)建模與控制展開研究。1.2 可變槳距微型渦槳發(fā)動機(jī)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢1.2.1 微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)為了具有更好的隱身性能、更廣泛的適用范圍和更低的成本，巡航導(dǎo)彈、無人攻擊機(jī)、偵察機(jī)、精確制導(dǎo)炸彈等先進(jìn)武器將向小型化發(fā)展，，而微型渦輪發(fā)動機(jī)作為這些武器的小型化的可選動力之一，備受各國關(guān)注。國外對微型渦噴發(fā)動機(jī)研究較早，目前已經(jīng)研制出很多型號的微型渦噴發(fā)動機(jī)，如 JetCat 公司的 P-80 Hammer，美國 GWN(Golden West)公司的 FD3/67LS，RAM（R.A. Microjets）公司的 RAM 500/750、T60/T100，法國 JPX 公司的 T-260K、T-260P、T-250P，日本的 SophiaJ-850、J-450、J-450S，荷蘭 AMT 公司的 Olympus、Pegasus、Pegasus 等[10][11]。隨著加工工藝和材料的發(fā)展，一批先進(jìn)的微型渦噴發(fā)動機(jī)不斷呈現(xiàn)，目前推重比已經(jīng)超過 10，比如捷克的 TJ100 和美國哈密爾頓標(biāo)準(zhǔn)公司的 SWB-100 發(fā)動機(jī)[12]，分別如圖 1.1 和 1.2 所示。

可變槳距微型渦槳發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究本文通過建立可變槳距的微型渦槳發(fā)動機(jī)試驗(yàn)平臺獲取了發(fā)動機(jī)試車數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上對微型渦槳發(fā)動機(jī)建模與控制展開研究。1.2 可變槳距微型渦槳發(fā)動機(jī)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢1.2.1 微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)為了具有更好的隱身性能、更廣泛的適用范圍和更低的成本，巡航導(dǎo)彈、無人攻擊機(jī)、偵察機(jī)、精確制導(dǎo)炸彈等先進(jìn)武器將向小型化發(fā)展，而微型渦輪發(fā)動機(jī)作為這些武器的小型化的可選動力之一，備受各國關(guān)注。國外對微型渦噴發(fā)動機(jī)研究較早，目前已經(jīng)研制出很多型號的微型渦噴發(fā)動機(jī)，如 JetCat 公司的 P-80 Hammer，美國 GWN(Golden West)公司的 FD3/67LS，RAM（R.A. Microjets）公司的 RAM 500/750、T60/T100，法國 JPX 公司的 T-260K、T-260P、T-250P，日本的 SophiaJ-850、J-450、J-450S，荷蘭 AMT 公司的 Olympus、Pegasus、Pegasus 等[10][11]。隨著加工工藝和材料的發(fā)展，一批先進(jìn)的微型渦噴發(fā)動機(jī)不斷呈現(xiàn)，目前推重比已經(jīng)超過 10，比如捷克的 TJ100 和美國哈密爾頓標(biāo)準(zhǔn)公司的 SWB-100 發(fā)動機(jī)[12]，分別如圖 1.1 和 1.2 所示。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V235.12

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本文編號：2693393