航空发动机主动稳定控制方法研究

作     者：孙占恒 

作者单位：西北工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：苏三买

授予年度：2016年

学科分类：082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：压气机 失速和喘振 主动稳定控制 压气机前喷气 李雅普诺夫稳定性理论 模态控制 动力学分析 

摘      要：航空发动机受压气机旋转失速和喘振的影响,限制其性能的最大发挥。为使压气机在更小流量和更高压比下保持稳定工作状态,充分扩展其稳定工作范围,对压气机进行主动稳定控制是当前技术研究的前沿和热点。论文针对主动稳定控制设计的关键技术,首先进行压气机失速与喘振动力学分析、喷气对失速与喘振抑制的影响分析;然后,以此为基础,研究了基于非定常喷气的模态控制与基于李亚普诺夫稳定性理论的失速控制设计;最后总结了三种不同执行装置的控制机理及控制器设计共性。论文所做的具体研究及学术贡献主要体现在以下几个方面:在Moore-Gretizer模型的基础上,通过分岔理论,对压气机的失速现象进行分析;通过强非线性振荡理论,对喘振现象进行分析。通过分析得到失速与喘振的频率、幅值,进而可以确定出影响失速与喘振频率的因素。从控制的角度,这些研究及其结果可为理解失速与喘振现象的“本质,进而设计控制律,对其进行有效控制提供了理论依据,同时可为主动稳定控制时失稳信号检测与识别提供理论支持。从控制角度对压气机前喷气发生作用的机理进行理论分析,即从压气机准稳态特性图改变的角度来解释喷气的稳定性作用。对定常喷气射流参数以及对压气机的稳定性影响进行了量化研究,结果表明:定常喷气对扰动的幅值大小敏感,对扰动的频率不敏感;射流速度是影响稳定效果的关键因素;对于给定状态的压气机系统,存在最小喷气速度,在该喷气速度下压气机稳定,论文给出了计算该最小喷气理论值的计算方法,有利于控制系统依据。相比较定常喷气,采用非定常喷气可以更有效扩展压气机稳定工作范围,针对目前缺乏对非定常喷气下的压气机系统模型及稳定性控制的严谨理论分析与解释的不足,分析了非定常喷气控制的原理及实现方法,然后在带执行装置的多维压气机模型基础上,考虑非定常喷气的质量和动量效应,以及非定常喷气扰动的动态影响,建立非定常喷气模态控制多维压气机系统模型,并以此为基础对不同模态控制的效果进行仿真,为压气机非定常喷气控制系统设计提供参考。针对模态控制需要多传感器及高频执行装置等不足,通过李雅普诺夫稳定性理论对压气机系统进行了稳定性分析,利用回溯法设计了以压气机前喷气作为执行装置的局部和全局李雅普诺夫控制器。在带执行装置的多维压气机模型上进行对其控制效果进行了仿真验证。相关研究在国内外文献甚少。论文结果表明,以压气机前喷气作为执行装置的局部和全局李雅普诺夫控制器能够实现对失速的有效控制,并且该方法降低了对控制器硬件的要求,具有较大的工程应用价值。