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《国防科学技术大学》 2011年
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航空发动机模型求解算法及性能寻优控制中的参数估计研究

尹大伟  
【摘要】:航空发动机性能寻优控制(Performance-Seeking Control,PSC)旨在挖掘发动机潜力以充分发挥其性能,从而提高新一代战机的综合作战能力。发动机非线性数学模型是PSC中所有相关模型的基础。精确的机载发动机模型是PSC的关键,PSC通过参数估计技术保证模型的准确。本文主要针对性能寻优控制中的两项重要技术——发动机数学模型求解算法和参数估计开展研究。论文以解决这两项技术中存在的一些实际问题为目的,通过引入新理论和新方法,取得了一定成果。 建立并分析了发动机部件级解析模型。(1)根据元建模思想,应用Kriging方法建立了压气机特性元模型,在此基础上重构了未知换算转速下的压气机特性,扩充了特性数据表;(2)建立了涡扇发动机部件级模型,分析了建模中压气机特性插值和局部非线性方程(组)求解存在的问题,分别给出了通过特性变换和变量无因次化处理的解决方法;(3)建立了发动机共同工作方程组,分析了独立变量的选择方法;(4)分析了直接应用Newton-Raphson法求解模型时,算法对迭代初值要求过高,可能出现因插值超界、计算奇异导致迭代中断,以及因Jacobian矩阵条件数恶化导致计算发散等问题。 研究了应用传统优化算法求解发动机数学模型。(1)基于最小二乘准则,将发动机共同工作方程组的求解问题转化为非线性最小二乘问题,提出了基于优化理论求解该等价优化问题的思想;(2)以求解一般非线性最小二乘问题的Gauss-Newton ( G-N )法为基础,分别研究了带步长因子的G-N法和Levenberg-Marqurdt(L-M)法两类改进算法;(3)将G-N法及其改进算法迭代格式中的矩阵求逆问题转化为线性方程组求解问题,采用矩阵正交分解技术,以解决因矩阵条件数恶化导致的计算发散问题;(4)设计了结合带步长因子G-N法和L-M法优点的混合迭代优化算法,根据模型求解的数值实验,应用混合算法获得了满意精度解,而单独的带步长因子G-N法或L-M法求解结果并不理想。 研究了应用现代优化算法求解发动机数学模型。(1)提出了采用带边界约束的非线性最小二乘模型,以保证应用现代优化算法时求解过程不中断;(2)研究了标准粒子群(Particle Swarm Optimization,PSO)算法,选择并设计了可用于求解发动机模型的PSO算法参数;(3)研究量子粒子群(Quantum-behaved PSO,QPSO)算法,选择并设计了可用于求解发动机模型的QPSO算法收缩-扩张系数。根据合理参数设置下的模型求解数值实验,都得到了满意的计算精度,验证了这类算法用于求解发动机模型的可行性。 研究了性能寻优控制中参数的线性估计技术。(1)研究了离散自适应Kalman滤波算法,以解决状态模型误差不确定的问题;(2)基于可测参数的CA(Const与估计过程的可测参数偏离量间接估计方法,并且采用分散计算式,提高精度的同时也保证了计算速度;(3)针对集中式Kalman滤波估计性能退化参数存在的问题,设计了联邦滤波器,通过分布式计算模式的子滤波器和具有信息融合与分配作用的主滤波器,充分利用了测量信息,有效降低了计算量和提高了估计精度,并提高了系统的容错性。 研究了性能寻优控制中参数的非线性估计技术。(1)分析了部件性能退化原理,联立发动机共同工作方程和性能退化后的可测参数测量平衡方程,建立了发动机性能退化模型,将性能退化参数估计问题转化为解非线性方程组问题;(2)研究了应用抗差Kalman滤波对测量数据进行预处理的方法;(3)提出了应用现代优化算法求解性能退化模型,设计了引入变异操作的PSO和QPSO算法,以解决标准算法陷入局部最小的问题,完成了退化模型求解,并给出了获得满意估计结果时目标函数的收敛量级。 论文将种类丰富的优化算法引入发动机数学模型求解领域,一定程度上解决了传统数值方法存在的问题;提出的两种参数线性估计方法,均采用分布式计算模式,解决了集中式Kalman滤波算法存在的不足,并且符合发动机控制系统分布式发展趋势;初步研究了基于现代优化算法的参数非线性估计技术。所做研究对性能寻优控制的发展具有一定理论意义和工程应用价值,也能够为发动机仿真及故障诊断等相关研究提供一定技术支持与参考。
【学位授予单位】:国防科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:V233

【引证文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 李冬;王冠超;曹明川;;基于遗传算法的发动机气路性能模型修正研究[J];燃气涡轮试验与研究;2012年04期
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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3 胡金海;钱坤;谢寿生;何秀然;侯胜利;;基于CAN总线的航空发动机智能执行机构的设计[J];传感技术学报;2006年06期
4 张伟;钱坤;谢寿生;;航空发动机智能温度传感器最优分布式决策研究[J];传感技术学报;2007年03期
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10 石永生;陈家琪;;基于高斯变异的量子粒子群算法[J];电脑与信息技术;2010年06期
中国博士学位论文全文数据库 前8条
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2 张丽平;粒子群优化算法的理论及实践[D];浙江大学;2005年
3 钟一文;智能优化方法及其应用研究[D];浙江大学;2005年
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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2 郭涛;用于航空发动机MBC控制的部件性能跟踪滤波器研究[D];西北工业大学;2003年
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4 周新宇;WS—9发动机试车性能计算分析[D];西北工业大学;2004年
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6 欧阳舟;航空发动机部件性能跟踪滤波器研究[D];西北工业大学;2004年
7 王芳;航空发动机性能寻优控制研究[D];西北工业大学;2005年
8 袁鸯;发动机自适应建模及神经网络控制[D];南京航空航天大学;2005年
9 窦建平;面向对象的航空发动机建模与仿真[D];南京航空航天大学;2005年
10 李家瑞;航空发动机建模技术研究[D];南京航空航天大学;2005年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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4 焦俊;陈无畏;李绍稳;王继先;;基于改进PSO的智能车辆转向自适应PID控制[J];安徽大学学报(自然科学版);2008年06期
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6 高洪;孟舒;查为民;李玲纯;张海涛;;6-3-3并联机构物理样机结构优化[J];安徽工程大学学报;2011年03期
7 李兵方;胡水玲;;浅析多元凸函数的分析学性质[J];安康学院学报;2011年03期
8 燕峰,李世国;汽车座椅的设计与优化[J];鞍山科技大学学报;2004年05期
9 卢飞龙;何希勤;;M矩阵与其逆的Hadamard积的特征值下界[J];辽宁科技大学学报;2010年05期
10 杨欣毅;田宇;朱旭程;周源;李冠军;;Numerical Simulation and Performance Analysis on Windmill Starting Process of Small Turbojet Engine[J];Journal of China Ordnance;2011年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
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4 杨光友;张道德;;基于PSO和L-M优化方法的奇偶问题学习算法[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
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6 ;An Aero-engine Full Flight Envelope Robust Control System with Control Law[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
7 段练;张玉斌;;坐标改进型粒子群算法在应用层组播中的应用[A];煤炭机电与自动化实用技术[C];2012年
8 刘俊宏;谷德峰;赖育网;易东云;;单通道测量条件下的DORIS实时定轨方法研究[A];第二届中国卫星导航学术年会电子文集[C];2011年
9 杨霖;张永学;;增广无迹卡尔曼滤波在定位解算中的应用[A];第三届中国卫星导航学术年会电子文集——S07北斗/GNSS用户终端技术[C];2012年
10 许竞;姜波;;摄像机运动下特征点追踪方法研究[A];2011下一代自动测试系统学术研讨会论文集[C];2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张杏莉;几何约束求解关键问题研究[D];山东科技大学;2010年
2 王婷;EMD算法研究及其在信号去噪中的应用[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 夏全喜;车载组合导航系统关键技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 戴运桃;粒子群优化算法研究及其在船舶运动参数辨识中的应用[D];哈尔滨工程大学;2010年
5 丁国强;惯性导航系统传递对准技术关键问题研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
6 王小旭;非线性SPKF滤波算法研究及其在组合导航中的应用[D];哈尔滨工程大学;2010年
7 谭佳琳;粒子群优化算法研究及其在海底地形辅助导航中的应用[D];哈尔滨工程大学;2010年
8 张涛;GPS/SINS超紧密组合导航系统的关键技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
9 张勤拓;机载导弹SINS动基座传递对准技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
10 田峰敏;水下地形导航模型求解与导航区初选策略研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张小亮;非线性规划的信赖域算法[D];河南理工大学;2010年
2 李华英;航空发动机多变量鲁棒控制方法研究[D];南昌航空大学;2010年
3 徐芳芳;优化问题的PVD算法研究[D];山东科技大学;2010年
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6 肖小城;粒子群算法求解作业车间调度问题的研究[D];郑州大学;2010年
7 易明;地震作用下渡槽结构的动力可靠度分析[D];郑州大学;2010年
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【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前2条
1 李本威;尹大伟;王永华;马力;樊照远;;某型涡扇发动机状态模型修正[J];海军航空工程学院学报;2008年02期
2 付尧明;傅强;;非线性航空发动机性能参数估计方法研究[J];机械设计与制造;2006年08期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 苏三买;遗传算法及其在航空发动机非线性数学模型中的应用研究[D];西北工业大学;2002年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 马力;杨天南;薛庆增;;基于影响系数矩阵的某型发动机稳态模型修正[J];沈阳航空航天大学学报;2014年02期
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 朱立伟;基于鱼群算法的大跨度斜拉桥模型修正算法研究[D];哈尔滨工业大学;2013年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 曲强,陈雪波;基于MATLAB的模拟退火算法的实现[J];鞍山科技大学学报;2003年03期
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10 胡金海;钱坤;谢寿生;何秀然;侯胜利;;基于CAN总线的航空发动机智能执行机构的设计[J];传感技术学报;2006年06期
中国博士学位论文全文数据库 前5条
1 李艳君;拟生态系统算法及其在工业过程控制中的应用[D];浙江大学;2001年
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3 王志胜;信息融合估计理论及其在航天器控制中的应用研究[D];西北工业大学;2002年
4 李晓磊;一种新型的智能优化方法-人工鱼群算法[D];浙江大学;2003年
5 冯斌;群体智能优化算法及其在生化过程控制中的应用研究[D];江南大学;2005年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 庞大海;X型发动机控制系统最优加速控制研究[D];西北工业大学;2001年
2 马会民;带矢量推力的涡扇发动机实时数学模型及智能控制研究[D];西北工业大学;2001年
3 袁晓辉;基于遗传算法的非线性规划问题求解[D];武汉理工大学;2002年
4 王信德;某型涡扇发动机自适应建模研究[D];南京航空航天大学;2003年
5 杨林美;一种改进的遗传算法在非线性规划中的应用[D];成都理工大学;2003年
6 陈伟静;某型航空发动机数控仿真系统软件设计研究[D];西北工业大学;2003年
7 刘和周;改进的进化蚁群算法在超深亚微米VLSI电路绕障布线问题中的应用[D];电子科技大学;2003年
8 穆雪峰;多学科设计优化代理模型技术的研究和应用[D];南京航空航天大学;2004年
9 牟路勇;基于DSP的航空发动机电子控制器设计研究[D];南京航空航天大学;2004年
10 陈耀楚;X型涡扇发动机过渡态寻优控制[D];西北工业大学;2004年
【相似文献】
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1 蒋磊;杨朔;;子方阵法在燃气轮机故障数学模型建立过程中的应用[J];科学技术与工程;2008年06期
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