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涡轴发动机/旋翼综合建模、控制及优化研究

姚文荣  
【摘要】: 随着新一代直升机的各种性能不断提高,对直升机火控系统,操纵品质,生存性,敏捷性和机动性的要求越来越高,直升机各子系统的复杂程度大大增加,子系统间的耦合作用也大大加强,传统的将各子系统分割独立设计的方法已不能满足要求,只有采用综合设计和综合控制技术。发动机从功率涡轮输出经过主减速器带动旋翼,旋翼既是发动机的负载,又是使直升机产生升力、控制飞行速度以至飞行姿态的重要部件,可见发动机/旋翼系统对整个直升机性能影响至关重要。本文以直升机为对象,建立了直升机/发动机一体化综合仿真平台,并在此平台上进行涡轴发动机/旋翼控制及优化研究。 本文第一章首先介绍了直升机综合飞行/发动机控制研究,模型预测控制研究及最优化问题研究现状。第二章以黑鹰直升机数据为基础建立了直升机/发动机综合仿真平台,此平台可以在飞行包线内任意点开始仿真计算,并解决了发动机/旋翼扭振问题,为后续章节的展开提供了仿真平台。第三章采用统一建模语言(UML)建立了基于C++的优化算法库,包括单纯形算法求解线性规划(LP)问题、有效集算法求解二次规划问题(QP)及序列二次规划算法(SQP)求解一般非线性优化问题,为后续章节的研究提供了实时优化算法的保证。第四章进行了基于SQP的涡轴发动机非线性模型预测控制研究,采用神经元网络进行预测模型的计算,采用SQP算法进行在线滚动优化计算,并讨论了此控制器的实时性问题。第五章针对全局优化问题进行了填充函数方法(FFM)研究,提出了一种新的单参数填充函数算法,并利用此算法进一步进行非线性模型预测控制研究,设计了基于FFM的涡轴发动机非线性模型预测控制器。第六章分别采用LP和SQP算法对涡轴发动机进行了在线导叶角优化控制研究,讨论了在发动机性能寻优过程中的LP算法和SQP算法在实时性方面的差别,论述了SQP算法在实时性方面应优于LP算法。第七章针对发动机/旋翼系统进行了变旋翼转速综合优化控制研究,打破了传统的恒定旋翼及功率涡轮转速限制。第八章进行了全文总结,并对后续工作提出了展望。


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