超燃沖壓發(fā)動機無擾切換控制方法研究.pdf

1、為了實現(xiàn)可應用的長時間高超聲速飛行,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,當前各軍事大國都將研制超燃沖壓發(fā)動機定位為國家目標,并競相開展了多項研究計劃和試驗?？刂葡到y(tǒng)是超燃沖壓發(fā)動機的一項關鍵技術,控制系統(tǒng)設計的如何將決定著發(fā)動機性能與安全可靠性的好壞,作為一種新型發(fā)動機,目前還沒有形成系統(tǒng)和成熟的可應用控制方法。本文針對超燃沖壓發(fā)動機控制中存在的快速響應與安全性之間矛盾問題,系統(tǒng)地進行了考慮安全限制因素

2、的超燃沖壓發(fā)動機調(diào)節(jié)/保護無擾切換控制理論和實驗研究。
　　首先,開展了超燃沖壓發(fā)動機一維建模研究。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,采用機理建模、數(shù)值計算等步驟和方法建立了超燃沖壓發(fā)動機燃燒室一維穩(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氣道工作狀態(tài)的影響。確立了以燃燒室擴張段壁面壓力分布曲線估計發(fā)動機推力的表征方式。結(jié)合超燃沖壓發(fā)動機動態(tài)特性分析給出了可作為多變量控制研究對象的發(fā)動機模型。提出

3、了超燃沖壓發(fā)動機控制總體結(jié)構,分析了發(fā)動機切換控制問題解決的技術要點?？刂颇Ｐ秃蛦栴}結(jié)構為本文提供了研究基礎。
　　其次,開展了超燃沖壓發(fā)動機調(diào)節(jié)/保護切換控制方法研究。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計原理,給出了無擾切換補償器設計方法。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計。最后仿真部分,給出了包括與文獻方法對比分析和應用于超燃沖壓發(fā)動機模型的兩個設計算例,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、配的無擾切換設計原理,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償器參數(shù)化設計方法。綜合利用自適應和滑模控制理論,提出了一種基于等效控制律的自適應滑模魯棒無擾切換補償器設計方法。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)動機模型應用算例均對兩種方法進行了有效性和可行性驗證,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)動機調(diào)節(jié)/保護切換控制系統(tǒng)的實驗研究。提出了基于無擾規(guī)則的發(fā)動機調(diào)節(jié)/保護控制方案,給出了實驗目的和主要內(nèi)容,介紹了超燃沖壓發(fā)動機控制實驗臺。在實驗部分,首先進行了發(fā)動機單功能回路控制實驗。確立了臺架實驗控制模型;進行了單回路控制器參數(shù)設計發(fā)動機實驗。然后,進行了發(fā)動機雙回路切換邏輯研究。給出了切換控制邏輯,設計了無擾