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《南京航空航天大学》 2015年
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变循环发动机建模及性能寻优控制技术研究

王元  
【摘要】:可变涵道比的变循环发动机通过改变自身部件的几何尺寸来改变气动热力循环,以满足不同飞行条件下飞机对发动机的不同要求,在整个大飞行包线内都能提供较高的推力和较低的耗油率,相当于兼具了涡扇发动机和涡喷发动机的性能优势,具有极大的发展潜力,逐渐成为当前航空发动机领域的主流研究方向。本文以双外涵变循环发动机为研究对象,建立了部件级数值仿真数学模型,并在模型基础上开展了变循环发动机鲁棒控制和性能寻优控制技术的研究。论文首先研究了变循环发动机部件级模型的建立方法。针对变循环发动机的特征部件开展了建模方法研究,采用叶尖叶根分段建模技术建立了风扇数学模型,使之更适用于变循环发动机;基于流场分析,建立了活门角度、外涵道进口总压、动压与外涵道总压恢复系数之间的智能映射,完善了外涵模型。对建立的变循环发动机部件级模型进行了数值仿真,通过与参考文献数据对比验证了模型的有效性。针对变循环发动机部件级模型共同工作方程较多、方程求解难度较大的情况,提出了自校正Broyden拟牛顿法,结合牛顿法平方收敛和Broyden拟牛顿法超线性收敛特性,通过自适应调整计算步长和校正函数,在非线性系统中具有更好的计算性能。通过以变循环发动机部件级模型为对象的稳态和动态仿真计算,验证了自校正Broyden拟牛顿法相对于牛顿法和Broyden拟牛顿法对复杂计算环境更强的适应性和更快的收敛速度。此外,还设计了变循环发动机性能蜕化估计模块,利用卡尔曼滤波器的状态估计能力,对发动机性能蜕化进行估计。其次,论文研究了变循环发动机多变量鲁棒控制技术。从变循环发动机的诸多输出中通过基于鲁棒稳定性和条件数(RSCN)方法筛选出了被控参数,研究了变循环发动机的稳态控制规律的建立方法。为使系统获得鲁棒跟踪和干扰抑制能力,采用多目标微分进化算法对性能指标进行优化搜索,设计了三变量LQ/H∞控制器。以抗干扰能力强的自抗扰控制技术设计变循环发动机限制保护控制器,通过对主回路被控参数指令值的修正对多个约束参数实施限制保护。为验证三变量LQ/H∞控制器和限制保护控制器的控制性能,分别进行了变循环发动机过渡态控制仿真,以及不同工作模式间的切换控制仿真。仿真结果表明,本文设计的三变量LQ/H∞控制器具有良好的动态性能和鲁棒跟踪性,而限制保护控制器能够快速有效的通过对主回路指令值的修正达到对多个超出安全限制的约束参数限制保护的目的。在变循环发动机部件级模型和鲁棒控制系统的基础上,建立了变循环发动机性能寻优控制平台,研究了序列二次约束二次规划算法(SQCQP)在性能寻优控制中应用的可行性,提出采用DE算法求解QCQP子问题,使SQCQP算法在工程上更容易实现。开展了基于SQCQP算法的变循环发动机性能寻优控制,并与目前常用于航空发动机性能寻优的SQP算法进行比较,仿真结果表明SQCQP算法的寻优收敛速度快于SQP算法,验证了算法的有效性。在SQCQP算法的基础上结合序列线性方程组(SSLE)算法中构造方程组的思想,提出了序列方程组二次规划(SEQP)算法。为保证算法的收敛速度和收敛精度,算法精简了SQCQP算法子问题的二阶约束项,以迭代点轨迹预测的方式判断有效约束并构造非线性积极方程组,通过求解该方程组更新迭代点。通过对SEQP算法收敛性的分析证明了该算法的全局收敛能力和一定条件下的强收敛性。相比于传统SQP算法,SEQP算法的优化速度更快,同时优化收敛精度更高,在变循环发动机性能寻优控制中具有明显的优势。论文最后针对采用群体智能算法在性能寻优控制中的应用展开了研究。在自组织迁移算法和粒子群算法的基础上,提出了粒子迁移智能算法(PSMA),采用罚函数自适应调整策略及多领导者迁移策略,使得算法具有较强的求解带约束优化问题的能力。与多种典型群体智能算法进行通用函数测试对比,结果表明PSMA算法具有更高的收敛精度和更快的收敛速度。将PSMA算法应用于变循环发动机性能寻优控制中,通过与多种群体智能算法和非线性规划算法作对比,结果表明:PSMA算法相比其他群体智能算法具有更好的优化效果,而在包含等式约束的最小油耗控制和最低涡轮温度控制中的优化效果优于SQP算法,证明了PSMA算法在变循环发动机性能寻优控制中具有可行性。
【学位授予单位】:南京航空航天大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:V233.7

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