面向在线优化控制的自适应循环发动机非线性建模方法研究

The development of new concept of adaptive cycle engine has the epoch-making significance. However,the control method on the basis of the linear models for this engine will encounter such technical bottleneck that the number of the independent functional controllers and the quantity of the involved algebraic computation encounter geometrical explosion with the increase of the number of the control variables and controlled parameters, in order to realize accurate on-line optimal control. To solve this problem, in this research proposal, a smart idea was put forward that the nonlinear engine model ,reflecting the physical matching essence of the engine components, rather than the linear engine model was investigated in order to realize accurate on-line optimal control of the engine. This leads to a series of research contents shown as follow,.1).The study of the accuracy, real-time performance and the convergence of the nonlinear model.2).Selection method for multiple design point cycle parameters, design parameters for shared components.3).Selection of measurement parameters for the engine identification .4).The simplification study of the complex optimal control problems and the corresponding on-line solving method ..On particular, the method, utilized in the selection of control mode selection, control parameters as well as the simplification of the complex optimization problems, is innovative and has not been reported at home and abroad. The above work is not only helpful to deeply understand the working mechanism of the adaptive cycle engine, but also provide a new technical way for its online control schedule optimization.

新概念自适应循环发动机的研制具有划时代的意义，但基于线性模型的控制方法在进行发动机控制时将遇到极大的技术挑战，为了实现全包线范围的精确在线寻优控制,功能独立控制器的数量及需要涉及的代数运算量将会随着控制变量及控制参数的增多呈几何级数的巨量增长。为此,本项目提出了更为灵巧的研究思路-脱离对发动机线性模型的依赖，直接对反映部件匹配物理本质的非线性发动机模型展开研究,尝试实现自适应循环发动机的精确在线寻优控制。由此引出了一系列的研究内容,包括非线性模型的精度、实时性和收敛性问题，多设计点循环参数、部件共用参数和辨识参数的选择方法,复杂优化控制问题的化简和在线求解方法。特别是,通过把握各部件共同工作脉络关系来实现控制模式选取、控制参数选择和优化问题化简的研究思路和方法在国内外尚未见报道。上述工作不仅有助于深刻理解自适应航空发动机的工作机理,而且为其控制规律的在线优化提供了新的技术途径。

新概念自适应循环发动机(简称ACE发动机)是满足未来宽适应性空天飞行器任务需求的瓶颈关键技术。针对ACE发动机基于线性模型的控制方法所遇到的技术挑战，本项目提出了新的研究思路-脱离对发动机线性模型的依赖，直接对反映部件匹配物理本质的非线性发动机模型展开研究,以尝试实现基于非线性模型的在线寻优控制。针对上述研究目标，本项目开展的研究内容包括：ACE发动机部件级非线性稳态、过渡态性能建模以及校核；非线性模型辨识算法及测量参数选择研究；整机/部件匹配机理研究；基于部件匹配关系的ACE发动机多变量多目标带约束优化问题研究。所获得的重要研究成果包括：在超音巡航节流工况，多个几何的综合调整使推力变化幅度达到37%，流量变化仅为5%，克服了常规循环发动机节流过程带来的额外进气道溢流阻力难题；四种不同工作模式具有一致高压转子共同工作方程，不同模式之间低压转子的共同工作方程的变化取决于不同涵道分流比的变化，简单的工作模式是复杂工作模式的一个特殊状态；在单外涵工作模式，保持发动机低压转速不变，调小高压导叶角度、调小低压涡轮导叶角度、调小喷管喉道面积、调大核心机驱动风扇导叶角度、调大高压涡轮导叶角度可使涡轮前温度提高，推力上升；但这些可调部件的调整对压缩部件的工作点和喘振裕度均有不同的影响；当第二外涵处于打开状态时，其分流作用会改变原有核心机驱动风扇与主风扇的部件匹配关系；随着Flade导叶角度逐渐打开，其对低压转子功率分配的影响会使得发动机的循环参数和性能参数都有相应的变化；提出了两种四步测量参数优化选择方法，采用该方法选择的测量参数使部件级非线性模型的辨识具有很高的辨识精度。基于上述研究成果，本项目已在国内外期刊及国内外会议上发表研究论文10篇，含SCI检索2篇，EI检索3篇，荣获2014年中国航空学会科技成果二等奖1项，出版专著1本，获北京高校青年英才计划1项，培养博士研究生1名，硕士5名(已毕业)。