超燃沖壓發(fā)動機(jī)無擾切換控制方法研究.pdf

1、為了實(shí)現(xiàn)可應(yīng)用的長時(shí)間高超聲速飛行,必須研制與之配套的高超聲速動力系統(tǒng)。作為高超聲速飛行器的最佳動力裝置,當(dāng)前各軍事大國都將研制超燃沖壓發(fā)動機(jī)定位為國家目標(biāo),并競相開展了多項(xiàng)研究計(jì)劃和試驗(yàn)?？刂葡到y(tǒng)是超燃沖壓發(fā)動機(jī)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的如何將決定著發(fā)動機(jī)性能與安全可靠性的好壞,作為一種新型發(fā)動機(jī),目前還沒有形成系統(tǒng)和成熟的可應(yīng)用控制方法。本文針對超燃沖壓發(fā)動機(jī)控制中存在的快速響應(yīng)與安全性之間矛盾問題,系統(tǒng)地進(jìn)行了考慮安全限制因素

2、的超燃沖壓發(fā)動機(jī)調(diào)節(jié)/保護(hù)無擾切換控制理論和實(shí)驗(yàn)研究。
　　首先,開展了超燃沖壓發(fā)動機(jī)一維建模研究。為了刻畫超聲速燃燒的主要特征,揭示出起控制作用的物理過程,采用機(jī)理建模、數(shù)值計(jì)算等步驟和方法建立了超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室一維穩(wěn)態(tài)模型?；诜€(wěn)態(tài)模型,特性分析了隔離段反壓變化對進(jìn)氣道工作狀態(tài)的影響。確立了以燃燒室擴(kuò)張段壁面壓力分布曲線估計(jì)發(fā)動機(jī)推力的表征方式。結(jié)合超燃沖壓發(fā)動機(jī)動態(tài)特性分析給出了可作為多變量控制研究對象的發(fā)動機(jī)模型。提出

3、了超燃沖壓發(fā)動機(jī)控制總體結(jié)構(gòu),分析了發(fā)動機(jī)切換控制問題解決的技術(shù)要點(diǎn)?？刂颇Ｐ秃蛦栴}結(jié)構(gòu)為本文提供了研究基礎(chǔ)。
　　其次,開展了超燃沖壓發(fā)動機(jī)調(diào)節(jié)/保護(hù)切換控制方法研究。從理論研究的需要出發(fā),針對考慮安全邊界限制的超燃沖壓發(fā)動機(jī)多回路無擾切換控制問題,在切換控制系統(tǒng)框架內(nèi),給出了一種面向多變量系統(tǒng)基于優(yōu)化控制的無擾切換策略。描述了基于優(yōu)化控制的無擾切換設(shè)計(jì)原理,給出了無擾切換補(bǔ)償器設(shè)計(jì)方法。分析了無擾切換下切換系統(tǒng)的穩(wěn)定性,采用平

4、均駐留時(shí)間方法給出了切換系統(tǒng)穩(wěn)定性判定的充分條件和切換律設(shè)計(jì)。最后仿真部分,給出了包括與文獻(xiàn)方法對比分析和應(yīng)用于超燃沖壓發(fā)動機(jī)模型的兩個設(shè)計(jì)算例,通過仿真表明所提出方法提高了控制器輸出誤差的收斂精度和速度,適用于穩(wěn)態(tài)和動態(tài)切換,拓展了應(yīng)用范圍。
　　再次,繼續(xù)在切換控制系統(tǒng)框架內(nèi),針對具有參數(shù)不確定性和外部擾動影響的被控模型,進(jìn)一步研究了魯棒無擾切換問題,給出了兩種面向多變量系統(tǒng)基于模型匹配控制的魯棒無擾切換策略。描述了基于模型匹

5、配的無擾切換設(shè)計(jì)原理,定義了離線控制器的在線參考模型和模型匹配的誤差方程。綜合利用精確模型匹配、線性矩陣不等式和極點(diǎn)配置等理論方法給出了一種具有L1范數(shù)性能的魯棒無擾切換補(bǔ)償器參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。綜合利用自適應(yīng)和滑模控制理論,提出了一種基于等效控制律的自適應(yīng)滑模魯棒無擾切換補(bǔ)償器設(shè)計(jì)方法。利用共同Lyapunov函數(shù)法分析了切換閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過超燃沖壓發(fā)動機(jī)模型應(yīng)用算例均對兩種方法進(jìn)行了有效性和可行性驗(yàn)證,通過仿真表明所提出方法對模型

6、不確定性和擾動影響具有良好的魯棒性,并同時(shí)具有高水平的控制器輸出誤差的收斂精度和速度。
　　最后,開展了超燃沖壓發(fā)動機(jī)調(diào)節(jié)/保護(hù)切換控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。提出了基于無擾規(guī)則的發(fā)動機(jī)調(diào)節(jié)/保護(hù)控制方案,給出了實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮椭饕獌?nèi)容,介紹了超燃沖壓發(fā)動機(jī)控制實(shí)驗(yàn)臺。在實(shí)驗(yàn)部分,首先進(jìn)行了發(fā)動機(jī)單功能回路控制實(shí)驗(yàn)。確立了臺架實(shí)驗(yàn)控制模型;進(jìn)行了單回路控制器參數(shù)設(shè)計(jì)發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)。然后,進(jìn)行了發(fā)動機(jī)雙回路切換邏輯研究。給出了切換控制邏輯,設(shè)計(jì)了無擾