進(jìn)口畸變下的航空發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性控制研究
發(fā)布時(shí)間：2017-08-15 07:26
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【摘要】：隨著現(xiàn)代先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)的隱身性能和機(jī)動(dòng)性能的提高,航空發(fā)動(dòng)機(jī)將經(jīng)受更高的畸變度,這與發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求的提高形成了尖銳的矛盾。借助于進(jìn)口畸變相關(guān)穩(wěn)定性控制技術(shù)研究,不僅可以緩解這一矛盾,還可以根據(jù)進(jìn)口畸變條件實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài),在滿足穩(wěn)定性要求的同時(shí)最大限度提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能。本文圍繞進(jìn)口畸變下的航空發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性控制這一主題,開(kāi)展含有進(jìn)口畸變影響的發(fā)動(dòng)機(jī)部件級(jí)建模、進(jìn)口畸變下的穩(wěn)定性控制規(guī)律優(yōu)化、發(fā)動(dòng)機(jī)線性變參數(shù)(LPV)控制算法以及穩(wěn)定性控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。(1)研究了含有進(jìn)口畸變影響的航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件級(jí)模型建立方法及LPV建模方法。以現(xiàn)有的部件級(jí)建模方法為基礎(chǔ),通過(guò)進(jìn)口畸變對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)影響的機(jī)理分析,提出了考慮進(jìn)口畸變的部件特性插值及總壓修正方法,建立了含有進(jìn)口畸變影響的航空發(fā)動(dòng)機(jī)非線性部件級(jí)模型。在建立的線性模型基礎(chǔ)之上,通過(guò)多項(xiàng)式擬合的方法分別建立了傳遞函數(shù)形式和狀態(tài)空間形式的LPV模型,為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。(2)研究了發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性控制規(guī)律優(yōu)化方法。針對(duì)雙變量穩(wěn)定性控制規(guī)律優(yōu)化問(wèn)題,提出了變?cè)隽烤�性規(guī)劃(LP)優(yōu)化方法。引入變?cè)隽肯禂?shù),使得優(yōu)化算法在優(yōu)化初期增加收斂速度,在優(yōu)化后期提高精度,解決了LP優(yōu)化方法易陷入局部最小點(diǎn)等問(wèn)題。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化性能的分析表明,該方法優(yōu)化路徑明確,獲得的結(jié)果準(zhǔn)確可靠。針對(duì)四變量穩(wěn)定性控制規(guī)律優(yōu)化,提出了帶邊界緩沖區(qū)的差分進(jìn)化(DEBZ)優(yōu)化方法。通過(guò)增加邊界緩沖區(qū)來(lái)保留進(jìn)化過(guò)程中約束邊界處的個(gè)體,使得進(jìn)化過(guò)程更加快速有效。該方法對(duì)求解多峰值、多維約束函數(shù)優(yōu)化問(wèn)題具有較快的收斂速度和較高的收斂精度,提高了航空發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性控制規(guī)律優(yōu)化的準(zhǔn)確性。優(yōu)化獲得的穩(wěn)定性控制規(guī)律能夠滿足不同畸變下的限制要求,最大限度的提升推力性能。(3)提出了基于系統(tǒng)廣義距離的多胞形魯棒變?cè)鲆婵刂品椒ā⑾到y(tǒng)廣義距離用于凸分解系數(shù)求解,使得多胞模型能夠更加準(zhǔn)確的描述被控對(duì)象,從而提高控制精度。利用該方法設(shè)計(jì)的中間狀態(tài)高壓轉(zhuǎn)速控制器要優(yōu)于分區(qū)H?控制器和幾何距離調(diào)度策略下的魯棒變?cè)鲆婵刂破鳌榱诉M(jìn)一步提高LPV控制器在大工作范圍內(nèi)的控制效果,提出了基于狀態(tài)重置的切換多胞LPV控制方法。通過(guò)狀態(tài)重置切換方法實(shí)現(xiàn)分區(qū)設(shè)計(jì)變?cè)鲆婵刂破?提高了控制精度并降低計(jì)算復(fù)雜性和保守性。設(shè)計(jì)了中間狀態(tài)全包線內(nèi)的高壓轉(zhuǎn)速和壓比控制器,相比較多胞形魯棒變?cè)鲆婵刂品椒?該方法更易實(shí)現(xiàn),并具有更優(yōu)的控制性能。(4)綜合考慮航空發(fā)動(dòng)機(jī)大轉(zhuǎn)速范圍的變化和控制器的可實(shí)現(xiàn)問(wèn)題,提出了一種魯棒LPV/PI控制方法。將LPV控制和PI控制結(jié)構(gòu)相結(jié)合,根據(jù)傳遞函數(shù)模型下的魯棒穩(wěn)定條件推導(dǎo)閉環(huán)系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定的多項(xiàng)式平方和(SOS)約束條件,通過(guò)求解SOS規(guī)劃問(wèn)題獲得LPV/PI控制器。該方法不僅在理論上保證了控制器的魯棒穩(wěn)定性,還具有方法直觀、可靠性高及易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)�；赟OS規(guī)劃開(kāi)展了增益調(diào)度控制方法研究,提出了基于公共Lyapunov函數(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)增益調(diào)度控制方法和基于參數(shù)依賴Lyapunov函數(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)增益調(diào)度控制方法。分別采用單Lyapunov函數(shù)和參數(shù)依賴Lyapunov函數(shù)分析控制器穩(wěn)定性,給出了發(fā)動(dòng)機(jī)增益調(diào)度系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定的SOS約束條件,并將其用于發(fā)動(dòng)機(jī)大轉(zhuǎn)速范圍變化時(shí)轉(zhuǎn)速和壓比的控制,仿真結(jié)果表明在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均具有較好的控制效果。(5)針對(duì)基于傳感器的傳統(tǒng)控制模式和基于模型的智能控制模式,分別提出了渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)畸變?nèi)菹蘅刂品椒ê桶l(fā)動(dòng)機(jī)自適應(yīng)裕度控制方法。在現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上,加入穩(wěn)定性控制規(guī)律使得控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)改變發(fā)動(dòng)機(jī)控制目標(biāo)以滿足畸變變化的要求,從而實(shí)現(xiàn)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)畸變?nèi)菹蘅刂�。該控制方法�?duì)原有主控制回路影響較小,并且能夠保證發(fā)動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定工作的同時(shí)最大限度的提升性能。以可用裕度計(jì)算模塊的輸出能夠跟蹤上需用裕度估算模型的輸出為原則,使得控制系統(tǒng)具有根據(jù)畸變條件調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的能力,從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)自適應(yīng)裕度控制。該控制系統(tǒng)能根據(jù)風(fēng)扇裕度要求實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn),充分挖掘了發(fā)動(dòng)機(jī)性能潛力。
【關(guān)鍵詞】：航空發(fā)動(dòng)機(jī) 進(jìn)口畸變 發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性控制 控制規(guī)律優(yōu)化 線性變參數(shù) 多項(xiàng)式平方和 畸變?nèi)菹蘅刂?/strong> 自適應(yīng)裕度控制
【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
【目錄】：
- 摘要4-6
- ABSTRACT6-19
- 第一章 緒論19-32
- 1.1 選題必要性和意義19-20
- 1.2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀20-21
- 1.3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性控制技術(shù)研究現(xiàn)狀21-25
- 1.4 LPV控制研究現(xiàn)狀25-28
- 1.4.1 LPV控制方法25-27
- 1.4.2 SOS方法及其在LPV控制中的應(yīng)用27-28
- 1.5 論文研究?jī)?nèi)容28-32
- 1.5.1 論文研究思路28-30
- 1.5.2 論文內(nèi)容安排30-32
- 第二章 考慮進(jìn)口畸變影響的發(fā)動(dòng)機(jī)部件級(jí)模型及LPV模型32-52
- 2.1 引言32-33
- 2.2 含有進(jìn)口畸變影響的部件級(jí)模型33-42
- 2.2.1 部件級(jí)建模方法33-34
- 2.2.2 進(jìn)口畸變下的發(fā)動(dòng)機(jī)模型34-39
- 2.2.3 仿真分析39-42
- 2.3 傳遞函數(shù)形式的多項(xiàng)式LPV模型42-46
- 2.3.1 頻率響應(yīng)法獲取傳遞函數(shù)模型42-44
- 2.3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)多項(xiàng)式LPV模型44-45
- 2.3.3 仿真分析45-46
- 2.4 狀態(tài)空間形式的多項(xiàng)式LPV模型46-51
- 2.4.1 狀態(tài)變量線性模型46-49
- 2.4.2 發(fā)動(dòng)機(jī)多項(xiàng)式LPV模型49-50
- 2.4.3 仿真分析50-51
- 2.5 本章小結(jié)51-52
- 第三章 進(jìn)口畸變條件下發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性控制規(guī)律優(yōu)化方法52-68
- 3.1 引言52-53
- 3.2 基于變?cè)隽縇P算法的兩變量控制規(guī)律優(yōu)化53-60
- 3.2.1 優(yōu)化問(wèn)題描述53-54
- 3.2.2 變?cè)隽縇P優(yōu)化方法54-57
- 3.2.3 優(yōu)化性能分析57-59
- 3.2.4 兩變量控制規(guī)律優(yōu)化結(jié)果59-60
- 3.3 基于DEBZ的四變量控制規(guī)律優(yōu)化60-67
- 3.3.1 優(yōu)化問(wèn)題描述60-61
- 3.3.2 帶邊界緩沖區(qū)的差分進(jìn)化算法61-63
- 3.3.3 優(yōu)化性能分析63-66
- 3.3.4 四變量控制規(guī)律優(yōu)化結(jié)果66-67
- 3.4 本章小結(jié)67-68
- 第四章 發(fā)動(dòng)機(jī)中間狀態(tài)多胞形魯棒變?cè)鲆婵刂品椒?/span>68-88
- 4.1 引言68-69
- 4.2 多胞形魯棒變?cè)鲆婵刂?/span>69-77
- 4.2.1 多胞形魯棒變?cè)鲆婵刂圃?/span>69-71
- 4.2.2 利用間隙度量求解凸分解系數(shù)71-72
- 4.2.3 中間狀態(tài)高壓轉(zhuǎn)速LPV控制器設(shè)計(jì)72-74
- 4.2.4 仿真驗(yàn)證與分析74-77
- 4.3 基于切換多胞LPV的魯棒變?cè)鲆婵刂?/span>77-87
- 4.3.1 切換多胞LPV系統(tǒng)77-78
- 4.3.2 狀態(tài)重置的切換多胞LPV控制原理78-81
- 4.3.3 中間狀態(tài)多變量切換多胞LPV控制81-84
- 4.3.4 仿真驗(yàn)證與分析84-87
- 4.4 本章小結(jié)87-88
- 第五章 基于SOS規(guī)劃的發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)渡態(tài)增益調(diào)度控制方法88-114
- 5.1 引言88
- 5.2 SOS規(guī)劃88-90
- 5.3 基于傳遞函數(shù)的魯棒LPV/PI控制90-95
- 5.3.1 傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)下的魯棒穩(wěn)定性90-91
- 5.3.2 基于SOS規(guī)劃的魯棒LPV/PI控制方法91-93
- 5.3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)LPV/PI控制器設(shè)計(jì)93
- 5.3.4 仿真分析93-95
- 5.4 基于狀態(tài)空間的魯棒增益調(diào)度控制95-112
- 5.4.1 混合靈敏度LPV/ H_∞控制95-101
- 5.4.2 基于公共Lyapunov函數(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)增益調(diào)度控制101-107
- 5.4.3 基于參數(shù)依賴Lyapunov函數(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)增益調(diào)度控制107-112
- 5.5 本章小結(jié)112-114
- 第六章 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)114-133
- 6.1 引言114
- 6.2 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)畸變?nèi)菹蘅刂?/span>114-122
- 6.2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)114-115
- 6.2.2 畸變指數(shù)預(yù)測(cè)模塊115-117
- 6.2.3 雙變量穩(wěn)定性控制仿真分析117-120
- 6.2.4 四變量穩(wěn)定性控制仿真分析120-122
- 6.3 發(fā)動(dòng)機(jī)自適應(yīng)裕度控制122-132
- 6.3.1 控制結(jié)構(gòu)123-124
- 6.3.2 需用裕度估算模型124-126
- 6.3.3 可用裕度計(jì)算模塊126-127
- 6.3.4 仿真分析127-132
- 6.4 本章小結(jié)132-133
- 第七章 總結(jié)與展望133-137
- 7.1 研究工作總結(jié)133-135
- 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)135-136
- 7.3 展望136-137
- 參考文獻(xiàn)137-149
- 致謝149-150
- 在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文150
【參考文獻(xiàn)】
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，本文編號(hào)：676953
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