控制系统仿真技术在燃气涡轮发动机中的应用研究

论文摘要

本文主要针对燃气涡轮发动机中控制系统仿真技术进行了细致的研究,利用仿真技术搭建了发动机综合控制系统试验平台和燃气轮机燃油系统的仿真模型,并对搭建的模型进行了仿真分析；在此基础上研究了控制系统仿真在燃气涡轮发动机中的应用,具体工作如下：利用半物理仿真技术搭建了用于某型涡扇发动机的燃气轮机的综合控制系统试验平台,设计了某型发动机控制系统仿真试验发动机平台,建立了小偏离发动机数学模型,并构成闭环仿真控制系统,随后在仿真综合试验平台上以某型发动机的控制系统开展了控制系统开环、闭环仿真试验研究,初步验证试验平台具有综合仿真试验能力,为发动机控制系统的研制和验证提供一个有力的保障。利用AMESim仿真软件建立燃气轮机燃油系统的仿真模型,它可以降低设计难度、缩短研制周期、提高科研效率,有利于系统设计的系统化、科学化,具有推广价值,并且建立的燃油系统方案合理,具有较高的可行性。本文建立了某型燃气涡轮发动机燃油及叶片角控制系统的AMESim仿真模型,并对供油规律及应急控制规律进行了仿真研究。结果显示供油流量特性符合燃机总体要求,控制稳定可靠,而应急流量特性可在紧急状态下迅速切断供油,保证燃机安全,应用仿真技术结果设计的燃油及叶片角控制系统满足燃机台架试车使用要求。在现有自动起动器结构的基础上,添加了高空修正模块,建立了自动起动器的数学模型并对改进的自动起动器进行仿真分析和试验。改进后的自动起动器不影响地面的起动供油规律,而且在某高度范围内可以有效地调节发动机空中起动时供油规律,通过仿真和试验验证说明了改进的自动起动器能补充高度对供油特性的影响,有效解决某型发动机空中起动存在富油状态的问题。针对某温控系统控制精度低、无反馈信号的缺点,以及系统滞环大和动态摩擦力影响大的问题,采用射流电液伺服阀代替直动式调节阀对温控系统进行了改进设计。并对改进的温控系统进行了仿真和试车验证,结果表明,改进后的温控系统精度高、滞环小、低压状态工作性能稳定,能显著地提高系统的性能。最后,设计了FADEC系统中燃油计量装置,采用了硬件的非相似余度设计提高燃油计量装置的可靠性,在国内具有一定先进性。对燃油计量装置实物进行了叶片角度和主燃油供油的动态试验,试验结果表明燃油计量装置基本实现了预定的设计目标,进一步完善后,即可投入实际应用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 控制系统仿真的特点与应用
• 1.1.1 控制系统仿真概念
• 1.1.1.1 控制系统
• 1.1.1.2 仿真
• 1.1.2 控制系统仿真分类
• 1.1.2.1 数学仿真
• 1.1.2.2 半物理仿真
• 1.1.2.3 物理仿真
• 1.1.3 控制系统仿真过程
• 1.1.4 控制系统仿真特点
• 1.1.5 控制系统仿真应用
• 1.1.5.1 控制系统分析、设计与试验
• 1.1.5.2 训练与教育
• 1.2 控制系统仿真在燃气涡轮发动机的研究现状
• 1.2.1 控制系统在燃气涡轮发动机中的研究进展
• 1.2.1.1 单变量控制和多变量控制
• 1.2.1.2 机械液压式控制器和数字电子控制器
• 1.2.1.3 推进系统各部分独立控制与综合控制
• 1.2.1.4 传统发动机控制和基于模型的智能数字发动机控制
• 1.2.2 仿真技术在燃气涡轮发动机的研究进展
• 1.3 燃气轮机的研究现状
• 1.3.1 燃气轮机概述
• 1.3.1.1 燃气轮机主要结构
• 1.3.1.2 燃气轮机工作原理
• 1.3.2 燃气轮机研究进展
• 1.3.2.1 世界燃气轮机发展现状
• 1.3.2.2 国内燃气轮机发展现状
• 1.4 本文的研究目的和内容
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究内容
• 第2章 用于航空发动机的燃气轮机数学模型建立
• 2.1 引言
• 2.2 面向对象的燃气轮机稳态仿真
• 2.2.1 部件级稳态模型研究
• 2.2.1.1 部件级数学模型及其SIMULINLK实现
• 2.2.1.2 燃气轮机稳态共同工作方程
• 2.2.1.3 稳态共同方程的求解方法
• 2.2.2 稳态SIMULINK模型构建与仿真
• 2.2.3 仿真结果分析
• 2.3 面向对象的燃气轮机动态仿真
• 2.3.1 燃气轮机动态性能仿真方法
• 2.3.1.1 变比热的计算方法
• 2.3.1.2 燃烧室油气比的计算方法
• 2.3.2 SIMULINK动态仿真模型实现
• 2.3.2.1 面向对象的部件模块设计
• 2.3.2.2 整体动态仿真模型建立
• 2.3.3 动态仿真实例验证
• 2.3.4 动态模型进一步改进方法
• 2.3.4.1 可调导叶（VSV）
• 2.3.4.2 放气阀（BOV）
• 2.3.4.3 涡轮可变面积喷嘴（VAN）
• 2.4 本章小结
• 第3章 综合控制系统试验平台设计和仿真试验的研究
• 3.1 引言
• 3.2 综合控制系统试验平台设计
• 3.2.1 试验平台建设目的
• 3.2.2 试验平台组成
• 3.2.3 试验平台的关键技术及解决途径
• 3.2.3.1 适用于控制系统仿真的模型
• 3.2.3.2 模型输入参数的采集
• 3.2.3.3 模型输出参数的转换控制
• 3.3 燃气轮发动机综合控制系统仿真试验平台
• 3.4 燃气轮发动机数学模型建立
• 3.5 半物理仿真试验
• 3.5.1 起动试验
• 3.5.2 全系统开环试验
• 3.5.3 动态响应试验
• 3.5.4 全系统闭环试验
• 3.5.4.1 不连综合调节器的模型调试
• 3.5.4.2 连综合调节器模型调试
• 3.6 本章小结
• 第4章 燃气轮机燃油系统控制与仿真的研究
• 4.1 引言
• 4.2 燃油系统设计要求
• 4.3 燃油系统设计
• 4.3.1 燃油系统原理设计
• 4.3.2 参数设计
• 4.3.3 性能分析
• 4.3.3.1 压力特性分析
• 4.3.3.2 计量活门控制特性分析
• 4.3.3.3 叶片角度控制特性分析
• 4.4 燃油与叶片角控制系统方案
• 4.4.1 燃油与叶片角控制系统功能
• 4.4.2 燃油与叶片角控制系统设计
• 4.4.3 系统控制原理
• 4.5 燃油与叶片角控制系统仿真研究
• 4.5.1 控油窗口结构流量仿真
• 4.5.2 计量活门动态控制特性仿真
• 4.5.3 燃油控油装置流量特性仿真
• 4.5.4 燃油控油装置流量应急特性仿真
• 4.6 本章小结
• 第5章 控制系统仿真在燃气涡轮发动机的应用
• 5.1 引言
• 5.2 航空发动机空中起动供油规律仿真
• 5.2.1 自动起动器原理
• 5.2.2 自动起动器方案改进
• 5.2.3 自动起动器建模
• 5.2.3.1 原型结构建模
• 5.2.3.2 改进结构建模
• 5.2.4 自动起动器仿真分析
• 5.2.5 自动起动器试验验证
• 5.3 射流管电液伺服阀对发动机温度控制的影响
• 5.3.1 现有温度控制系统及改进方案
• 5.3.2 CSDY射流管电液伺服阀原理
• 5.3.3 CSDY射流管电液伺服阀性能试验
• 5.3.4 射流管电液伺服阀试车验证
• 5.4 燃油计量装置在FADEC系统中的影响
• 5.4.1 某型燃机的控制要求和规律
• 5.4.2 某型燃机FADEC系统方案
• 5.4.3 燃油计量装置方案
• 5.4.4 燃油计量装置工作原理
• 5.4.4.1 燃油控油装置工作原理
• 5.4.4.2 叶片角调节装置工作原理
• 5.4.5 燃油计量装置特点
• 5.4.6 燃油计量装置试验结果
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间已发表和在投的论文
• 攻读博士学位期间立功
• 攻读博士学位期间获奖
• 个人简历