航空发动机调节/保护系统多目标控制问题研究

论文摘要

在飞行包线内,随着航空推进系统的环境和工作状态(如巡航、最大、加速以及减速等状态)的变化,航空发动机的气动热力过程将发生很大的变化,不同工作状态下控制性能也呈现不同的要求。本文针对航空发动机控制所面临的快速响应与安全性之间的矛盾,研究了航空发动机调节/保护的控制策略。首先,通过分析航空发动机的控制任务、运行过程中的安全边界,根据航空发动机运行时工况的复杂性,以及控制中的快速响应与安全性之间的矛盾,提出了具有状态约束、输出量约束、或状态与输出之间的组合函数约束的航空发动机调节/保护多目标的控制问题。阐述了这个多目标的控制问题本质上可归属于一个多模型的控制问题。在系统结构上设置多个控制回路,并按照某种切换规则进行切换的控制模式。将安全性和快速响应的指标要求分解,在航空发动机正常运行时,投入正常的控制回路,保证发动机的性能要求;在系统运行逼近安全边界时,则切换到保护控制回路,保证发动机的安全要求。从而通过在相对简单的控制器之间的切换,解决航空发动机的快速响应和安全性之间的矛盾。其次,分析了航空发动机多回路切换的规则。针对目前存在于航空发动机中的Min/Max规则进行了分析。分析了Min/Max规则对发动机动态响应能力与安全性上带来的优势,详细阐述了Min/Max切换规则机理,指出了Min/Max切换规则的不足之处。在完成对Min/Max切换规则的分析之后,论文给出一种改进型的规则,此种规则消除了前者的不足。并从理论上分析了这种切换规则本质上属于状态依赖的切换规则,通过实时判断被控制对象运行过程中所处的状态进而选择控制发动机的回路。最后给出了基于Lyapunov函数的多回路稳定性条件。然后,针对某型涡扇发动机的控制问题,给出基于平衡流形展开模型结构的表征涡扇发动机安全边界的特征参数,分析其控制系统要求与各控制回路的动态特性。仿真结果表明利用多回路切换控制方法在不影响系统安全性的前提条件下,可提高涡扇发动机的动态响应能力。最后,将多回路切换控制应用于冲压发动机控制系统设计当中。研究了冲压发动机控制系统的设计要求与设计限制因素,给出了各个子控制回路的特性,确定了各子控制回路的被控参数以及控制模型,分析了冲压发动机实际运行过程中存在的摄动因素,通过对典型工况的仿真表明利用多回路切换控制的设计方法在保证安全的前提条件下,可使发动机获得更好的性能。同时可降低闭环系统的增益,有效抑制外干扰的影响作用。从这个角度上看,如果单回路设计的控制器不能使一个系统具有良好的H∞性能指标γ,可在给定的控制器之间使用切换技术实现这一目的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景与意义
• 1.2 航空发动机控制面临的问题
• 1.3 航空发动机控制技术研究现状
• 1.3.1 航空发动机控制技术发展
• 1.3.2 航空发动机控制理论的发展
• 1.3.3 航空发动机保护控制研究现状
• 1.3.4 航空发动机控制规律的多目标特点分析
• 1.4 切换系统控制研究
• 1.4.1 切换系统研究的发展
• 1.4.2 切换系统稳定性研究
• 1.5 论文的主要内容和章节安排
• 第2章 航空发动机调节/保护多目标控制问题
• 2.1 引言
• 2.2 航空发动机运行要求
• 2.2.1 航空发动机控制任务
• 2.2.2 航空发动机控制的多目标问题
• 2.2.3 航空发动机工作安全边界
• 2.3 调节/保护控制措施
• 2.3.1 多回路切换的作用
• 2.3.2 多回路切换的意义
• 2.4 航空发动机多回路控制系统结构及模型
• 2.4.1 多回路切换系统的建模
• 2.4.2 航空发动机多回路结构
• 2.4.3 航空发动机多回路模型
• 2.5 鲁棒切换控制器设计
• ∞控制的基本概念'>2.5.1 H_∞控制的基本概念
• 2.5.2 混合灵敏度优化思路
• 2.5.3 切换控制器设计
• 2.6 本章小结
• 第3章 航空发动机多回路切换规则研究
• 3.1 引言
• 3.2 切换规则的重要性
• 3.3 Min/Max切换规则分析
• 3.3.1 Min/Max规则切换结构
• 3.3.2 Min/Max规则的切换机理
• 3.3.3 Min/Max规则的与控制器参数的关系
• 3.3.4 外扰动下的频繁切换
• 3.3.5 积分器饱和的影响
• 3.4 基于系统状态的切换规则
• 3.4.1 状态依赖切换规则的特点
• 3.4.2 状态依赖切换的稳定性
• 3.5 多回路切换稳定性分析
• 3.5.1 多回路切换稳定性条件
• 3.5.2 稳定性分析实例
• 3.6 本章小结
• 第4章 涡扇发动机多回路切换控制研究
• 4.1 引言
• 4.2 换算参数表示的涡扇发动机模型
• 4.2.1 相似理论的应用
• 4.2.2 部件级模型
• 4.2.3 发动机部件的共同工作方程
• 4.3 基于平衡流形展开模型的发动机性能参数表示
• 4.3.1 涡扇发动机平衡流形及其展开模型
• 4.3.2 喘振裕度的平衡流形展开模型表示
• 4.3.3 涡轮进口温度的平衡流形展开模型表示
• 4.4 涡扇发动机切换控制系统设计
• 4.4.1 各回路加权函数的选取
• 4.4.2 各回路控制器设计与鲁棒性验证
• 4.5 切换仿真分析
• 4.5.1 加速控制与喘振保护控制切换仿真
• 4.5.2 加速控制与温度保护切换仿真
• 4.6 本章小结
• 第5章 冲压发动机多回路切换控制研究
• 5.1 引言
• 5.2 冲压发动机控制系统的设计要求与限制
• 5.2.1 控制系统设计要求
• 5.2.2 设计限制因素
• 5.3 冲压发动机控制结构
• 5.3.1 主推力控制
• 5.3.2 进气道保护控制
• 5.3.3 燃烧室超温保护控制
• 5.3.4 其它控制结构
• 5.4 各控制回路被控参数的选择
• 5.5 冲压发动机切换控制系统设计
• 5.5.1 各回路加权函数的选取
• 5.5.2 各回路控制器设计
• 5.6 切换仿真分析
• 5.6.1 推力与燃烧室超温保护控制切换仿真
• 5.6.2 扰动存在时切换控制与单回路控制仿真
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1
• 附录2
• 附录3
• 附录4
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 攻读博士学位期间参与的科研项目
• 致谢
• 个人简历