变循环发动机建模与非线性控制方法研究

摘要

为了把握航空动力装置发展方向，进一步研究航空动力装置设计、验证技术，本文以变循环发动机为研究对象，着重研究了其物理结构、建模手段和控制方法。
　　首先本文进行了变循环发动机物理结构设计，通过对比分析确定了主动调节模式选择活门、后涵道引射器以及前涵道引射器被动调节的物理结构设计方案。为解决变循环发动机在不同工作模式下风扇整体建模不合理问题，引入了风扇叶根叶尖模型；同时还研究了模式选择活门建模方法、可调静子部件特性曲线获取方法。采用容积动力法在Matlab软件Simulink平台上建立了变循环发动机部件级模型，通过与NASA数据、试验数据对比，对建立的部件级模型进行了正确性验证，确保所建模型的有效性。
　　其次本文基于部件级模型研究了非线性模型辨识技术，首先研究了NARX模型辨识，分别选取了Sigmoid网络、Wavelet网络进行仿真计算，发现NARX模型辨识参数选取困难，辨识精度仍有提高空间；随后引入了动态神经网络时间序列预测方法，仿真计算表明这种方法精度较高，输出值最大相对误差能控制在0.7％以内，但解析性较差；最后进行了基于Hammerstein-Wiener模型结构的非线性模型辨识方法仿真，结果表明其与NARX模型辨识有一定的相似性。通过对这些方法总结，本文提出了一种基于Hammerstein-Wiener的递推模型，通过简化模型、引入遗传算法实现了模型参数化辨识，提高了模型精度的同时也使模型具有一定解析性，最终模型最大相对误差能控制在0.5%以内。并基于这种递推模型对全包线范围模型辨识进行了仿真研究，通过分析非辨识数据点情况下模型精度，提出了包线分割方法。
　　最后本文对变循环发动机非线性控制方法进行了研究，采用广义预测控制方法，选择最小方差形式性能指标进行最优控制律求解。通过引入卡尔曼滤波器、饱和函数模块完成了控制器结构设计，分析了控制器中参数选取方法及其对控制性能的影响，最终选定一组参数对变循环发动机进行了控制仿真计算，结果表明：广义预测控制方法是一种较为有效的非线性控制方法，与PID控制器相比有一定优势。

目录

声明

注 释 表

缩 略 词

第一章 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文研究内容

第二章 变循环发动机建模与控制方法综述

2.1变循环发动机部件级建模方法

2.2基于变循环发动机的动态模型辨识方法

2.3变循环发动机控制策略方法

2.4本章小结

第三章 基于Matlab的变循环发动机建模思想

3.1变循环发动机结构分析

3.2变循环发动机建模关键技术

3.3基于Simulink的变循环发动机部件级建模

3.4本章小结

第四章 变循环发动机非线性模型辨识方法研究

4.1非线性模型辨识的基本条件

4.2基于NARX的模型辨识方法

4.3基于Hammerstein-Wiener结构的模型辨识

4.4基于遗传算法的递推模型辨识

4.5全包线范围模型辨识适用性分析

4.6本章小结

第五章 变循环发动机预测控制方法研究

5.1广义预测控制介绍

5.2变循环发动机控制策略仿真

5.3本章小结

第六章 总结和展望

6.1总结与创新点

6.2展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录1： 模型动态仿真曲线

附录2： 不同飞行状态下的模型验证对比曲线