固冲发动机壅塞式燃气流量调节控制算法及试验研究

摘要

随着新一代导弹对发动机的性能要求越来越高，固冲发动机这种新型的动力装置以其高比冲等优点成为发达国家动力研究的重点方向。固冲发动机的燃气流量调节技术不仅能提高固冲发动机的动力性能而且决定其能否正常的安全工作，目前固冲发动机主要采用壅塞式和非壅塞式进行燃气流量调节。壅塞式燃气流量调节是利用燃气调节阀的运动来改变固冲发动机中燃气发生器的喷管喉部面积来调节燃气流量，壅塞式燃气流量调节具有很强的燃气流量调节能力，能够充分地发挥导弹的性能，因此壅塞式燃气流量调节技术成为了研究的热点。本文主要对壅塞式燃气流量调节的相关技术及控制方法进行相关的研究。
　　(1)对固冲发动机壅塞式燃气流量调节技术的调节原理进行了分析，通过原理分析，选定了针型阀为壅塞式燃气流量调节阀;选取了燃气流量调节阀喉栓材料;设计了燃气流量调节阀的动密封方式;确定壅塞式燃气流量调节试验系统的的结构。
　　(2)根据设计出的固冲发动机壅塞式燃气流量调节试验系统，建立了对应的燃气流量燃气发生器的动态数学模型，得到了燃气发生器的流量传递函数和压力传递函数，并进行了频域、时域分析，得出了针阀型燃气流量调节系统是一非最小相位系统。
　　(3)根据动态分析得到了固冲发动机针阀式燃气流量调节系统是非最小相位系统。鉴于非最小系统的影响，在设计控制算法时除了要考虑减小超调量和缩短调节时间，还需抑制负调。采用传统的PID控制并不能解决超调和负调问题，智能控制是在传统控制理论中发展起来的新兴理论和技术，主要针对不确定、高度非线性、复杂的系统，相比传统PID控制，智能控制更适合非最小相位系统，因此设计出了遗传算法优化BP神经网络的PID控制算法，采用MATLAB仿真，结果表明本文所设计的算法有效地减少了超调和调节时间，抑制了负调。
　　(4)固冲发动机壅塞式燃气流量调节是压力反馈控制过程:将采集到固冲发动机燃气发生器内部压力反馈到控制器，控制壅塞式燃气流量调节阀改变喷管喉部面积来调节燃气流量，本文采用STC89C52及ULN2003电机控制芯片，设计了基于51单片机的压力反馈控制系统，完成了原理图绘制及PCB板制作。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 固冲发动机研究现状现状

1．3 壅塞式燃气流量调节的国内外研究现状

1．3．1 燃气流量调节方案研究现状

1．3．2 燃气流量调节控制方法研究

1．4 燃气流量调节控制研究现状

1．4．1 燃气流量可调的固冲发动机动态响应过程

1．4．1 燃气流量可调的固冲发动机控制方法研究

1．5 本文主要研究内容

2 壅塞式燃气流量调节试验系统设计

2．1 燃气发生器的设计

2．1．1 燃烧室的设计

2．1．2 喷管的设计

2．2 调节阀动密封设计

2．3 两级针形阀阀体设计

2．4 驱动系统设计

2．4．1 控制器器件的选择

2．4．2 控制器的设计

2．5 本章小结

3 燃气流量调节试验系统动态建模与分析

3．1 壅塞式试验系统喉部面积数学模型

3．2 壅塞式燃气流量调节系统建模与分析

3．2．1 壅塞式燃气流量调节系统动态模型

3．2．2 系统动态特性分析

3．3 步进电机特性与模型分析

3．3．1 步进电机的特性

3．3．2 步进电机的主要参数和驱动方式

3．4 本章小结

4 壅塞式燃气流量调节试验系统控制方法研究

4．1 智能控制理论

4．2 传统PID控制

4．2．1 位置式PID控制算法

4．2．2 增量式PID控制算法

4．3 神经网络控制

4．3．1 人工神经网络基本特性

4．3．2 BP神经网络的PID控制器

4．3．3 基于BP神经网络的PID控制

4．3．4 遗传算法优化的BP神经网络PID控制

4．4 本章小结

5 壅塞式燃气流量调节试验

5．1 气密性测试

5．1．1 冷气气密性测试

5．1．2 热态气密性测试

5．2 针阀阀体烧蚀测试

5．3 壅塞式燃气流量调节试验

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果