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基于机载复合模型及SQP的发动机性能寻优控制研究

作　者: 王健康
导　师: 孙健国
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 航空宇航推进理论与工程
关键词: 航空发动机 性能寻优控制 优化实时性 发动机复合模型 优化模式 序列二次规划 飞机/推进综合控制
分类号: V233.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 57次
引　用: 1次
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内容摘要


航空发动机性能寻优控制是飞行/推进系统综合控制中极其重要的一项研究内容。根据飞行任务,利用飞机和发动机当前的综合信息,实时优化发动机工作点,使发动机在安全工作的同时最大限度地提升其潜力,从而提高飞机的综合性能。本文围绕航空发动机性能寻优这一主题,重点针对优化实时性,开展了系统而深入的探讨。本文主要包括三部分。第一部分是发动机复合模型的建立。本文基于部件级发动机模型,利用相似理论将模型简化,设计了适用全包线的发动机稳态复合模型。该模型一方面为了提高模型实时性而将大部分发动机部件线性化,另一方面考虑了在优化中发动机喷管等部件会存在几何不相似问题,对部分发动机部件用非线性建模以提高模型精度。第二部分提出将发动机复合模型与序列二次规划( SQP )算法结合应用于航空发动机性能寻优控制,以提高优化实时性。首先,在前人基于C++建立SQP优化算法库的基础上,将SQP算法应用到发动机性能寻优控制中;然后,分别在最大推力、最小油耗、最低涡轮温度三种优化模式下,将发动机复合模型与SQP算法结合应用;最后,通过在全包线内将其优化实时性及优化效果与用非线性模型优化进行比对,验证了该方案能够在具有较好优化效果的前提下,显著提高优化实时性。第三部分是将上述优化方案应用到飞机/推进综合系统中。本文在飞机不同的飞行任务下,包括爬升、平飞加速、平飞巡航等,针对不同的优化目标完成相应的优化控制,并进行大量的数字仿真,验证该方案具有良好的优化效果。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
图表清单  9-11
符号表  11-12
第一章 绪论  12-16
  1.1 航空发动机性能寻优控制的背景与意义  12
  1.2 国外研究概况  12-14
  1.3 国内研究概况  14
  1.4 本文的主要工作  14-15
  1.5 本文内容安排  15-16
第二章 发动机性能寻优控制的基础  16-22
  2.1 发动机部件级数学模型  16-18
  2.2 发动机性能寻优控制原理  18-20
  2.3 优化算法  20-21
  2.4 小结  21-22
第三章 机载航空发动机复合模型的建立  22-43
  3.1 引言  22-23
  3.2 航空发动机相似理论及其应用  23-24
  3.3 分段线化模型的建立  24-37
    3.3.1 模型线性化思想  24-25
    3.3.2 状态空间模型的建立  25-27
    3.3.3 增广LQR 控制器的设计  27-29
    3.3.4 PSM 矩阵设计  29-33
    3.3.5 非加力状态下分段线化模型的建立  33-35
    3.3.6 加力状态下分段线化模型的建立  35-37
  3.4 复合模型的建立  37-42
    3.4.1 进气道非线性模型  37
    3.4.2 风扇及压气机喘振裕度模型  37-39
    3.4.3 加力燃烧室与尾喷管模型  39-40
    3.4.4 发动机复合模型  40-41
    3.4.5 发动机复合模型精度验证  41-42
  3.5 小结  42-43
第四章 发动机复合模型和SQP 算法在PSC 中的结合应用  43-66
  4.1 线性搜索SQP 算法  43-45
  4.2 SQP 算法在发动机性能寻优控制中的应用  45-49
    4.2.1 基于发动机复合模型及部件级模型和的SQP 优化应用  45-46
    4.2.2 最大推力模式  46-48
    4.2.3 最小油耗模式  48-49
    4.2.4 最低涡轮温度模式  49
  4.3 基于发动机复合模型优化控制的数字仿真  49-59
    4.3.1 发动机未蜕化时的优化仿真  50-54
    4.3.2 发动机发生蜕化的优化仿真  54-59
  4.4 基于复合模型和非线性发动机模型寻优比较  59-64
    4.4.1 最大推力模式  59-61
    4.4.2 最小油耗模式  61-62
    4.4.3 最低涡轮温度模式  62-63
    4.4.4 优化实时性总体比较  63-64
  4.5 小结  64-66
第五章 飞机/推进综合系统的优化控制  66-76
  5.1 引言  66-67
  5.2 飞机/推进综合系统实时仿真模型  67-69
    5.2.1 飞机模型的初始化  67-68
    5.2.2 推进系统模型的初始化  68-69
  5.3 飞机/推进综合系统的优化控制  69-75
    5.3.1 平飞加速状态  70-72
    5.3.2 爬升状态  72-73
    5.3.3 巡航状态  73-75
  5.4 小结  75-76
第六章 总结与展望  76-77
  6.1 本文总结  76
  6.2 工作展望  76-77
参考文献  77-80
致谢  80-81
在学期间的研究成果及发表的论文  81-82
附录  82-85

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 航空发动机（推进系统） > 发动机附件系统 > 自动控制系统
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