面向飞/推一体化系统的冲压发动机最优控制问题研究

摘要

吸气式飞行器在高超声速飞行时,巨大燃烧损失和气动阻力使其加速过程较长，使得对其的设计需要弱化传统的设计点，从包含加速段的整体飞行过程的角度来考虑飞/推系统的优化问题。由于吸气式高超声速飞/推系统较强的飞/推耦合特性以及冲压发动机内流动与燃烧耦合的分布式参数特性，对冲压发动机的优化设计和控制需要从飞/推一体化的角度出发。为了拓宽冲压发动机的飞行空域，提高其推进性能，并分析飞/推系统关键参数对系统性能的影响，本文基于最优控制理论与相关方法，面向冲压发动机推进的飞/推系统存在的若干最优化设计和控制问题，开展了如下几个方面的研究：
　　冲压发动机推进的飞/推系统在超声速飞行中的轨迹选择需要考虑其较强的飞/推耦合特性。基于此目的，将竖直平面的飞行器动力学模型和理想的冲压发动机模型相结合，提出了考虑推进系统推进机理的飞/推一体化模型，并构建了一般性的飞/推系统加速过程轨迹最优控制问题。分别以直接法和间接法推导最优轨迹问题的求解过程，并针对一个典型的亚燃冲压发动机飞/推系统的最小油耗轨迹优化问题进行数值求解，给出其飞/推系统状态、控制和性能参数在最优轨迹中的分布。
　　基于一般性的飞/推系统加速轨迹最优控制问题，通过对比飞行过程的指标函数，如油耗指标与时间指标；改变系统性能要求，如起飞重量；改变系统约束条件，如尾喷管喉道可控范围、超温边界、不起动边界和飞行动压约束；研究飞/推系统主要设计参数对冲压发动机飞/推系统最优轨迹的影响。沿用轨迹最优控制问题的视角分析发动机最优化问题，发现对于分布式参数特征的发动机最优化问题可以沿用相似的最优控制理论，并针对基于超声速燃烧的推进特性，讨论以超燃冲压发动机为动力的飞/推系统的轨迹最优化问题。
　　超燃冲压发动机在高超声速飞行时，其内部存在的复杂的流动和燃烧过程需要在最优的匹配和控制下才能得到最优的性能。因此，针对超声速燃烧较强的分布式参数特性，在无限维函数空间中寻搜索超声速燃烧的最优释热分布，构建了基于最优控制理论的超声速燃烧释热最优控制问题。以间接法求解降阶的微分代数方程，并以典型释热分布作为初值计算得到典型燃烧室内释热分布的局部最优解。通过分析不同工况下的最优释热分布结果，得到超声速燃烧最优释热的一般性规律。
　　针对超声速燃烧室内型线设计和释热控制的耦合关系，提出其相互耦合的最优控制问题。基于对超声速燃烧最优释热分布的分析，提出一种新的考虑释热速率约束的释热分布的一维建模方法，在考虑超温边界和不起动边界的约束下求解超声速燃烧室内型线与释热分布耦合最优控制问题。通过变量代换和逐次微分的方法分别消除了由跨声速计算和双积分控制系统导致的奇异性问题，采用直接法求解给出最优结果。对不同工况、不同约束条件下的最优结果进行分析，给出超声速燃烧室最优的设计和控制方法。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 冲压发动机飞/推系统设计与控制面临的主要问题

1.4 本文的主要研究内容

第2章 冲压发动机推进的飞/推系统最优轨迹研究

2.1 引言

2.2 考虑发动机推进机理的飞/推系统最优轨迹问题

2.3 求解轨迹最优控制问题的一般方法

2.4 冲压发动机推进的飞/推系统加速段最小油耗轨迹

2.5 本章小结

第3章 飞/推系统性能要求与约束对最优加速轨迹的影响

3.1 引言

3.2 飞/推系统起飞重量对最小油耗轨迹的影响

3.3 飞/推系统性能指标对最优轨迹的影响

3.4 飞/推系统发动机性能对最优轨迹的影响

3.5 飞/推系统约束对最优轨迹的影响

3.6 本章小结

第4章 理想超声速燃烧的释热最优分布研究

4.1 引言

4.2 基于理想状态的超声速燃烧理论研究的意义

4.3 理想超声速燃烧释热最优控制问题与求解方法

4.4 基于典型燃烧室内型线的超声速燃烧释热最优控制

4.5 本章小结

第5章 超声速燃烧室内型线与释热分布耦合最优控制研究

5.1 引言

5.2 超声速燃烧多变量多约束最优控制问题

5.3 释热速率无约束的内型线与释热分布耦合最优控制

5.4 释热速率有约束的内型线与释热分布耦合最优控制研究

5.5 本章小结

结论

本文的创新点如下：

展望：

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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