進口畸變下的航空發(fā)動機穩(wěn)定性控制研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代先進戰(zhàn)術飛機的隱身性能和機動性能的提高，航空發(fā)動機將經(jīng)受更高的畸變度，這與發(fā)動機性能要求的提高形成了尖銳的矛盾。借助于進口畸變相關穩(wěn)定性控制技術研究，不僅可以緩解這一矛盾，還可以根據(jù)進口畸變條件實時調(diào)整發(fā)動機工作狀態(tài)，在滿足穩(wěn)定性要求的同時最大限度提升發(fā)動機性能。本文圍繞進口畸變下的航空發(fā)動機穩(wěn)定性控制這一主題，開展含有進口畸變影響的發(fā)動機部件級建模、進口畸變下的穩(wěn)定性控制規(guī)律優(yōu)化、發(fā)動機線性變參數(shù)（LPV）控制算法以及穩(wěn)定性控

2、制系統(tǒng)設計研究。
　　（1）研究了含有進口畸變影響的航空發(fā)動機部件級模型建立方法及LPV建模方法。以現(xiàn)有的部件級建模方法為基礎，通過進口畸變對發(fā)動機影響的機理分析，提出了考慮進口畸變的部件特性插值及總壓修正方法，建立了含有進口畸變影響的航空發(fā)動機非線性部件級模型。在建立的線性模型基礎之上，通過多項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)設計奠定了基礎。
　　（2）研究了發(fā)動機穩(wěn)定性控制規(guī)律優(yōu)化

3、方法。針對雙變量穩(wěn)定性控制規(guī)律優(yōu)化問題，提出了變增量線性規(guī)劃（LP）優(yōu)化方法。引入變增量系數(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等問題。對發(fā)動機優(yōu)化性能的分析表明，該方法優(yōu)化路徑明確，獲得的結(jié)果準確可靠。針對四變量穩(wěn)定性控制規(guī)律優(yōu)化，提出了帶邊界緩沖區(qū)的差分進化（DEBZ）優(yōu)化方法。通過增加邊界緩沖區(qū)來保留進化過程中約束邊界處的個體，使得進化過程更加快速有效。該方法對求解多峰值、多

4、維約束函數(shù)優(yōu)化問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)動機穩(wěn)定性控制規(guī)律優(yōu)化的準確性。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增益控制方法。將系統(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確的描述被控對象，從而提高控制精度。利用該方法設計的中間狀態(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)度策略下的魯棒變增益控制器。為了進

5、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。通過狀態(tài)重置切換方法實現(xiàn)分區(qū)設計變增益控制器，提高了控制精度并降低計算復雜性和保守性。設計了中間狀態(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增益控制方法，該方法更易實現(xiàn)，并具有更優(yōu)的控制性能。
　?。?）綜合考慮航空發(fā)動機大轉(zhuǎn)速范圍的變化和控制器的可實現(xiàn)問題，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)

6、傳遞函數(shù)模型下的魯棒穩(wěn)定條件推導閉環(huán)系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定的多項式平方和（SOS）約束條件，通過求解SOS規(guī)劃問題獲得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、可靠性高及易于實現(xiàn)等優(yōu)點。
　　基于SOS規(guī)劃開展了增益調(diào)度控制方法研究，提出了基于公共Lyapunov函數(shù)的發(fā)動機增益調(diào)度控制方法和基于參數(shù)依賴Lyapunov函數(shù)的發(fā)動機增益調(diào)度控制方法。分別采用單Lyapunov函數(shù)和參數(shù)依賴Lyapuno

7、v函數(shù)分析控制器穩(wěn)定性，給出了發(fā)動機增益調(diào)度系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定的SOS約束條件，并將其用于發(fā)動機大轉(zhuǎn)速范圍變化時轉(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。
　?。?）針對基于傳感器的傳統(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)動機畸變?nèi)菹蘅刂品椒ê桶l(fā)動機自適應裕度控制方法。在現(xiàn)有發(fā)動機控制系統(tǒng)基礎上，加入穩(wěn)定性控制規(guī)律使得控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r改變發(fā)動機控制目標以滿足畸變變化的要求，從而實現(xiàn)渦扇發(fā)動機畸變?nèi)菹?/p>