变循环航空发动机自适应控制技术研究

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1、学校代码10699分类号V231.3密级学号2014100166西北工业大学博士学位论文(学位研究生)题目变循环航空发动机自适应控制技术研究作者李嘉学科、专业航空宇航科学与技术指导教师李华聪教授申请学位日期2017年04月西北工业大学博士学位论文(学位研究生)题目：变循环航空发动机自适应控制技术研究作者：李嘉学科专业：航空宇航科学与技术研究方向：航空发动机控制指导教师：李华聪教授2017年04月ResearchontheAdaptiveControlTechnologyofVariableCycleAeroengineByL

2、IjiaADissertationSubmittedtotheFacultyoftheNorthwesternPolytechnicalUniversityInPartialFullfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDOCTORofPHILOSOPHYinPropulsionTheoryandEngineeringofAeronauticsandAstronauticsAcademicAdvisorProf.LIHUAcongSchoolofEngineandEnergyNorth

3、westernPolytechnicalUniversityXi’an,P.R.ChinaDec.2017摘要摘要由于变循环航空发动机的变几何流路特点，使其成为当前能够最大程度发挥气动热力循环部件性能的最具潜力的推进系统之一，其工作包线大以及工作模式多变的特点要求控制系统达到高精度多变量控制要求等。为了深入掌握这一先进航空发动机控制系统关键技术，尤其推进先进控制理论在变循环航空发动机控制领域的应用，本文系统的研究了自适应控制方法及其在变循环航空发动机稳态多变量控制中的运用。为此，针对变循环航空发动机多变量控制、建模不确定性以

4、及外部随机干扰等问题开展了如下内容：1.变循环航空发动机非线性部件模型建模方法研究。在部件法建模框架下，开展了变几何特性、外涵道稳态特性映射关系、可变几何部件性能计算方法等基础研究，进而基于功率平衡方程、能量平衡方程以及流量平衡方程等，通过提出的以发散系数为算法切换指标的粒子群与Broyden拟牛顿混合求解算法来解决发动机共同工作方程迭代求解过程中遇到的初值依赖和收敛效率问题等，最终建立了高精度的变循环航空发动机数学模型并与Gasturb仿真结果对比验证了稳态特性，进而对发动机性能进行了仿真分析。2.变循环航空发动机控制系统

5、方案研究。总结了包括压气机喘振裕度、CDFS喘振裕度、涡轮前温度以及燃油流量等限制范围，并确定了变循环航空发动机双外涵、单外涵所对应的最佳工作状态。此外，分析了双涵道变循环航空发动机双涵工作模式的巡航控制规律，总结了加减速计划和模式切换计划等过渡态规律。另外，基于小偏离泰勒展开的方法推导了变循环航空发动机线性空间控制模型，给出了飞行包线若干稳态设计点的线性空间控制模型求解结果并进行了仿真对比，为后续开展相关多变量控制方法奠定了模型数据基础。3.建模不确定下模型参考自适应控制方法及变循环航空发动机应用研究。针对存在建模不确定情

6、况下的变循环航空发动机多变量自适应控制器设计问题，给出了一种伺服鲁棒LQR(RSLQR)基准最优律下的增广模型参考自适应跟踪补偿设计方法。首先分析了RSLQR控制中罚函数变化对系统动态根轨迹的影响并给出设计指导。基于所建立的变循环航空发动机线性不确定模型，在基准控制器的反馈控制结构框架下，将确定具有期望闭环动态的参考模型、基于李亚普诺夫函数严格稳定证明下建立存在建模不确定性的自适应律等作为技术突破，实现了系统跟踪误差渐进为零的目标，以改善建模不确定性动态跟踪问题。最后，将该方法应用至变循环航空发动机并给出了仿真分析。4.变循

7、环航空发动机鲁棒自适应控制方法研究。针对变循环航空发动机大范围工作包线下的复杂外部扰动现象，给出了一种基于射影算子修正的自适应律设计方法。首先以死区修正、修正、e修正等鲁棒自适应控制方法设计了多变量控制器，验证了存在不匹配随机噪声下系统的控制品质。为了消除自适应律动态过程中控制参数的小幅漂移及系统的积分饱和特性等，提出了一种基于射影理论下的变循环鲁棒自适应控制器设计I西北工业大学博士研究生学位论文方法。该方法将干扰条件下的状态误差动态方程的解限制于设定的凸集邻域内，利用射影算子域实现自适应参数阵列的列元素上限均处于有限紧集

8、内，以保证系统的一致有界，从而实现了系统状态误差动态方程不大于零的稳定性要求。最后，将该控制器应用至变循环航空发动机并给出了仿真分析。5.变循环航空发动机自适应控制技术验证。在所建立的不同稳态点的小偏离线性模型基础上，对比了不同控制算法的控制效果，以验证所提出的基于射影算子的鲁棒自适应控制