考慮飛-推耦合特性的超燃沖壓發(fā)動機(jī)控制方法研究.pdf

1、采用超燃沖壓發(fā)動機(jī)推進(jìn)的吸氣式高超聲速飛行器在可預(yù)見的未來空天運(yùn)輸和軍事領(lǐng)域具有強(qiáng)烈的應(yīng)用前景。吸氣式高超聲速推進(jìn)系統(tǒng)即超燃沖壓發(fā)動機(jī)面臨很多關(guān)鍵技術(shù)亟待突破，目前美國、俄羅斯、歐洲、澳大利亞、日本等軍事大國和組織都投入巨大的人力、物力和財力加緊進(jìn)行攻關(guān)研究，尤其美國、俄羅斯等國已進(jìn)入飛行試驗階段。為縮小我國在國防尖端技術(shù)領(lǐng)域與其他軍事強(qiáng)國之間的差距，占據(jù)未來吸氣式高超聲速推進(jìn)技術(shù)的制高點，有必要對該領(lǐng)域的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)難題進(jìn)行探索和研究

2、。本文針對高超聲速飛行器機(jī)身/超燃沖壓發(fā)動機(jī)一體化耦合建模與控制方面面臨的挑戰(zhàn)，對一些關(guān)鍵技術(shù)難題作了研究。
　　首先，開展了高超聲速飛行器機(jī)身/超燃沖壓發(fā)動機(jī)一體化建模研究。針對高超聲速飛行器機(jī)身/超燃沖壓發(fā)動機(jī)一體化控制設(shè)計對建模提出的要求，采用特性分析、CFD計算、試驗數(shù)據(jù)驗證、數(shù)據(jù)擬合等多種方法，建立了含安全邊界的高超聲速飛行器機(jī)身/超燃沖壓發(fā)動機(jī)耦合模型 HIT-HAV。其中重點探討了對各種安全邊界的建模過程。最終建立高

3、超聲速飛行器機(jī)身/超燃沖壓發(fā)動機(jī)耦合模型HIT-HAV不僅可以輸出各種飛行狀態(tài)，還包含超燃沖壓發(fā)動機(jī)各個截面的氣動參數(shù)、推力及各種安全邊界。最后對所建立的模型進(jìn)行了比較分析和驗證。
　　其次，分析了高超聲速飛行器存在的特殊耦合特性?；谝呀⒌暮踩吔绲母叱曀亠w行器機(jī)身/超燃沖壓發(fā)動機(jī)耦合模型HIT-HAV，分析了氣動力/推力耦合特性對飛行動力學(xué)的影響；然后通過仿真分析了高超聲速飛行器機(jī)身與超燃沖壓發(fā)動機(jī)之間存在的耦合作用，以

4、及耦合作用對機(jī)身及超燃沖壓發(fā)動機(jī)在運(yùn)行過程中的各種安全邊界的影響；然后基于耦合特性對模型結(jié)構(gòu)帶來的影響以及傳統(tǒng)飛行控制面臨的挑戰(zhàn)，分析闡述了進(jìn)行高超聲速飛行器機(jī)身/超燃沖壓發(fā)動機(jī)一體化控制的必要性，并指出在一體化控制框架下的超燃沖壓發(fā)動機(jī)切換控制必要性。
　　接下來，開展超燃沖壓發(fā)動機(jī)的性能調(diào)節(jié)/安全保護(hù)切換控制設(shè)計方法研究。針對高超聲速飛行控制及超燃沖壓發(fā)動機(jī)控制中普遍存在的多控制器切換問題，描述了一種基于Min/Max規(guī)則的調(diào)

5、節(jié)/保護(hù)切換控制系統(tǒng)，給出了在 Min切換規(guī)則下切換子系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件。分析了切換的必要條件即積分飽和受限的作用及其對切換快速性的影響。分析了切換系統(tǒng)依賴于初始狀態(tài)的動態(tài)響應(yīng)過程并在初始狀態(tài)參數(shù)空間里求出了最大百分比超調(diào)量的最大值，定義其為閉環(huán)切換系統(tǒng)的一種保守動態(tài)性能。接下來給出了面向動態(tài)性能指標(biāo)的切換控制系統(tǒng)一般設(shè)計方法，最后在超燃沖壓發(fā)動機(jī)模型及高超聲速飛行器耦合模型 HIT-HAV上進(jìn)行了仿真試驗，驗證了該切換控制方法的有效性。

6、
　　最后，探討了進(jìn)行高超聲速飛行器全新飛/推協(xié)調(diào)控制的方案?；诒M量降低設(shè)計難度和節(jié)約成本的考慮，提出了一種基于安全裕度的高超聲速飛行器飛/推協(xié)調(diào)控制方法。其基本思想是：在不改變原有飛行器控制系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前提下，引入了一種基于飛行器和發(fā)動機(jī)安全裕度的動態(tài)協(xié)調(diào)因子，用動態(tài)協(xié)調(diào)因子來引導(dǎo)各個控制器改變控制信號對當(dāng)前的工作狀態(tài)進(jìn)行控制。由于安全裕度表征了飛行器和發(fā)動機(jī)工作點距離安全運(yùn)行邊界的遠(yuǎn)近程度，因此通過實時檢測安全