含安全边界的TBCC组合发动机控制研究.pdf

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1、硕士学位论文含安全边界的TBCC组合发动机控制研究CONTROLSTUDYFOROVER-UNDERTBCCENGINEWITHSAFETYBOUNDARIES马婧雪哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TH235.21学校代码：10213国际图书分类号：620密级：公开工学硕士学位论文含安全边界的TBCC组合发动机控制研究硕士研究生：马婧雪导师：常军涛教授申请学位：工学硕士学科：动力机械及工程所在单位：能源科学与工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TH235.21U.D.C:620Dissertatio

2、nfortheMasterDegreeinAcademicCONTROLSTUDYFOROVER-UNDERTBCCENGINEWITHSAFETYBOUNDARIESCandidate：MaJingxueSupervisor：Prof.ChangJuntaoAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：PowerMachineryandEngineeringAffiliation：SchoolofEnergyScienceandEngineeringDateofDefence：June,2018Deg

3、ree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要高超声速推进技术在军事打击、空天运输、空间开发等领域均有很强的应用价值，其相关技术在国防军事领域有着不可替代的地位。组合式推进系统由于工作包线宽广、应用价值高、可地面自起动等优点，作为最有希望的双级入轨第一级运载器受到美国、日本、德国、俄罗斯等多个军事强国的关注，各国均对该领域的关键技术开展了的探索与研究，其中部分国家已经开展了试验研究。就目前的研究进展来看，组合发动机推进技术还存在许多技术难题亟待攻关，其中非常重要的是组合发

4、动机控制问题，本文针对组合发动机在安全边界探究与控制方面面临的挑战，对关键技术开展了研究。首先，开展了TBCC组合发动机建模研究。通过部件级建模方法对外并联式组合进气道、涡轮发动机、冲压发动机建立集中参数数学模型，进而集成为TBCC组合发动机数学模型，通过定义安全裕度将安全特性引入模型当中，并在MatlabSimulink平台上实现了计算模型搭建。该计算模型可以实现组合发动机涡轮模态、冲压模态、模态转换过程的仿真计算，分析不同模态下的发动机特性，为后续的控制研究提供参考。其次，分析了TBCC组合发动机的安全特性及安全特性下的调节规律。确定了描述安全边界的可测量物理

5、量，得到了在工作马赫数下的安全边界取值，并分析了来流条件及几何因素对安全边界取值的影响。在安全边界的限制下，分析了固定几何时冲压发动机与涡轮发动机的燃油可行域，及几何变化对两发动机燃油可行域的影响，得到了在安全边界限制下的发动机燃油和几何调节规律。基于以上调节规律设计了一组给定推力输出的控制规律，该控制规律可用于开环控制也可为以后的闭环控制提供参考。再次，开展了TBCC组合发动机调节保护多模式切换控制研究。针对组合发动机的性能安全多工作模式，设计了一种全工作包线下保证性能与安全的多模式切换策略，将切换控制系统设计为包含底层子回路控制与上层无扰切换控制器的两层控制

6、结构。通过为每个子回路设计由实时参数与超参数决定的控制信号，并将各子回路控制信号输出组合，得到可在七个回路中选取两个合适在线回路的切换规则，解决了组合发动机复杂的多模式切换设计问题。最后，探讨了TBCC组合发动机多变量控制。采用基于H∞回路整形的多变量鲁棒控制方法对冲压发动机及涡轮发动机分别设计了两入两出的多变量控制器，通过多变量控制器同时控制推力与安全裕度。给出了多变量控制的模型结构，并I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文对多变量控制器的系统性能与鲁棒性进行了分析，之后分别在固定马赫数下和真实飞行轨迹下对多变量控制器的控制效果进行了验证。关键词：TBCC组合发动机；安

7、全边界；多模式切换控制；多变量控制II哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractHypersonicpropulsiontechnologyhassignificantapplicationvalueinthefieldofmilitaryattack,spacetransportation,spacedevelopment,etc.Itplaysanirreplaceableroleinthefieldofnationaldefenseandmilitary.Thecombinedpropulsionsystemisthemostpromisingfirs