X型航空发动机数字控制系统分析研究
|
摘要
数字式电子控制已经成为航空推进控制系统的发展方向。为了掌握数控系统的设计方法，本论文以X型发动机数字电子控制系统为研究对象，以燃油控制为主线，重点对发动机不同工作阶段的燃油控制进行了研究。主要内容包括以下几点：
首先，分析了起动过程，给出了按相似参数供油的控制规律。
第二，对其稳态控制过程进行了分析研究，当N1小于85％的自始转速时，给出了供油量与油门杆之间的开环控制规律：当N1大于85％的自始转速时，采用分块的PI控制方法对燃油进行闭环控制，且对飞行包线进行了合理的划分，用优化方法设计出了PI控制器并用MATLAB进行了仿真。仿真结果表明，这种闭环控制器的设计是合理的，具有较好的控制效果。
第三，对其过渡态控制过程进行了分析研究，给出了按相似参数加速的供油控制规律，并进行了仿真；给出了减速过程的主燃油控制规律并进行了仿真。结果表明加速和减速的仿真曲线与飞行试验曲线是吻合的。
第四，对加力稳态控制过程进行了分析研究，在已有的非线性数学模型的基础上完善了带加力的发动机非线性数学模型，给出了全加力状态加力燃油流量按落压比保持不变的控制规律变化时的高度速度特性曲线。
最后，结合燃油控制，分析了数字电子控制器的输入和输出参数的特性及功能。同时对发动机不同工作阶段的控制时序和尾喷口控制规律进行了分析研究。
本文的研究工作对航空发动机数控系统的设计改进具有一定的参考价值。
Digital electronic control has been the main development direction of aero-propulsion control system.The paper focus on the study of fuel control to different phase aero-engine,
The work of this thesis are as follows:
1. Analyses the start process and gives the control law in the light of similitude parameter fuel.
2.The paper analyses the steady-state of the digital electronic control engine. As N1 less than 85% , it gives the open-loop control law of fuel and staff, and when N1 more than 85%,it adopts close-loop to fuel. The paper designed PI controller and adopted reasonable portion for envelopment.
3.The paper studies transition control process of the engine and gets the main fuel control law of accelerating and decelerating which has been simulated. The curve of accelerating and decelerating can reflect the test curve well.
4.The paper analyses the steady-state control when afterburning and gives the height-velocity curve which gets under the control law that fuel retain as constant.
5. At last, the paper analyses the character and function of the input and output parameters to the digital electronic controller. Moreover, it analyses the time sequence of control to different work phases and control law of nozzle.
首先，分析了起动过程，给出了按相似参数供油的控制规律。
第二，对其稳态控制过程进行了分析研究，当N1小于85％的自始转速时，给出了供油量与油门杆之间的开环控制规律：当N1大于85％的自始转速时，采用分块的PI控制方法对燃油进行闭环控制，且对飞行包线进行了合理的划分，用优化方法设计出了PI控制器并用MATLAB进行了仿真。仿真结果表明，这种闭环控制器的设计是合理的，具有较好的控制效果。
第三，对其过渡态控制过程进行了分析研究，给出了按相似参数加速的供油控制规律，并进行了仿真；给出了减速过程的主燃油控制规律并进行了仿真。结果表明加速和减速的仿真曲线与飞行试验曲线是吻合的。
第四，对加力稳态控制过程进行了分析研究，在已有的非线性数学模型的基础上完善了带加力的发动机非线性数学模型，给出了全加力状态加力燃油流量按落压比保持不变的控制规律变化时的高度速度特性曲线。
最后，结合燃油控制，分析了数字电子控制器的输入和输出参数的特性及功能。同时对发动机不同工作阶段的控制时序和尾喷口控制规律进行了分析研究。
本文的研究工作对航空发动机数控系统的设计改进具有一定的参考价值。
Digital electronic control has been the main development direction of aero-propulsion control system.The paper focus on the study of fuel control to different phase aero-engine,
The work of this thesis are as follows:
1. Analyses the start process and gives the control law in the light of similitude parameter fuel.
2.The paper analyses the steady-state of the digital electronic control engine. As N1 less than 85% , it gives the open-loop control law of fuel and staff, and when N1 more than 85%,it adopts close-loop to fuel. The paper designed PI controller and adopted reasonable portion for envelopment.
3.The paper studies transition control process of the engine and gets the main fuel control law of accelerating and decelerating which has been simulated. The curve of accelerating and decelerating can reflect the test curve well.
4.The paper analyses the steady-state control when afterburning and gives the height-velocity curve which gets under the control law that fuel retain as constant.
5. At last, the paper analyses the character and function of the input and output parameters to the digital electronic controller. Moreover, it analyses the time sequence of control to different work phases and control law of nozzle.
引文
[1] 樊思齐、徐芸华等，航空推进系统控制，西北工业大学出版社，1995
[2] 航空发动机设计手册，第15册，控制及燃油控制系统
[3] 刘大响、程荣辉，世界航空动力技术的现状及发展动向，北京航空航天大学学报，Vol．28，No．5，2002
[4] 孙健国，面向21世纪航空动力控制展望，航空动力学报，Vol．16，No．2，2001
[5] 郭虹，航空发动机控制系统的发展趋势，沈阳航空工业学院学报Vol．14，No．1，1997
[6] 李剑、谢寿生、丁康乐，航空发动机全飞行包线小偏差动态数学模型，空军工程大学学报(自然科学版)，Vol．3，No．5，2002
[7] 冯正平、孙健国，航空发动机小偏差状态变量模型的建立方法，推进技术Vol．22，No．1，2001
[8] 陶涛，航空发动机鲁棒控制，西北工业大学博士论文，1997
[9] 涡喷13AⅡ型航空发动机全权限数控系统演示验证样机技术说明书，第614研究所，2001．1
[10] 涡喷13总设计师，涡喷13型发动机技术说明书，1984
[11] 黄宏涛，航空发动机数字控制系统调节计划，西北工业大学硕士论文，2001
[12] 杨蔚华、孙健国，发动机实时建模技术的新发展，航空动力学报，Vol．10，No．4，1995
[13] [俄]聂恰耶夫 著，单凤桐、程振海 译，航空动力装置控制规律与特性，国防工业出版社
[14] F.W. Burcham and E.A. Haering, Highly Integrated Digital Engine Control System On an F-15 Airplane, AIAA-84-1259, 1984
[15] L.P. Myers and F. W. Burcham, Propulsion Control Experience Used in the Highly Integrated Digital Electronic Control(HIDEC) Program, NASA 841553, 1984
[16] F.W. Burcham Jr., L.P. Myers and K.R.Walsh, Flight Evaluation Results for a Digital Electronic Engine Control in an F-15 Airplane, AIAA-83-2703
[17] 廉小纯、吴虎，航空燃气涡轮发动机，科学出版社，2002
[18] 周风歧、强文鑫、阙志宏，现代控制理论引论，国防工业出版社，1987
[19] 王锦标、方崇志，过程计算机控制，清华大学出版社，1990
[20] 郭锁凤，计算机控制系统——设计与实现，航空工业出版社，1995
[21] 周雪琴，计算机控制系统，西北工业大学出版社，1998
[22] 熊光楞、肖田元、张燕云，连续系统仿真与离散事件系统仿真，清华大学出版社，1991
[23] 薛定宇，反馈控制系统设计与分析——Matlab语言应用，清华大学出版社，2000
[24] [美]迪安·K·佛雷德里克、乔·H·周，张彦斌译，反馈控制问题-使用MATLAB及其控制系统工具箱，西安交通大学出版社，2001
[25] 孙健国，现代航空动力装置控制，航空工业出版社，2001
[26] 杜承林、王道波，控制系统数字仿真，南京航空航天大学203教研室，1994
[27] 王小峰、辛晓文、党怀义，发动机稳态和动态模拟方法研究，飞行试验，1992
[28] 朴英、，张绍基，军用航空发动机加力控制系统的研究和发展，推进技术Vol．22，No．2，2001
[29] J.R.Szuch, "Real-Time Simulation of the TF30-P-3 Turbofan Engine using Hybrid Computer",NASA TMX-3106, 1974
[30] W.J.Barrett and J.P. Remobold,Pratt..., Flight Test of a Full Authority Digital Electronic Engine Control System in an F-15 Aircraft,AIAA-81-1501
[31] D.A. Fiebig, Full Authority Digital Electronic Engine Control System Provides Needed Reliability, AIAA-90-2037, 1990
[32] 陶永华，新型PID控制及其应用，机械工业出版社，2002
[33] Vizzini, R.W. Lenox, T.G. Miller R. J., "Full authority digital electronic control turbofan engine demonstration", AGARD Microcomputer Appl. in Power and Propulsion Systems, Mar, 1981
[34] Graves, D. A.," Using a personal computer as a Full Authority Digital Electronic Control Interface System for gas turbine testing", International Instrumentation Symposium, 38th, Las Vegas, NV, Apr. 26-30, 1992, Proceedings(A93-37851 15-35), Jan 1992
[35] Lawrence P. Myers and Frank W. Burcham,Jr., Comparison of Results Obtained From Flight Test and Simulated Tests of a Digital Electronic Engine Control System in an F-15 Airplane, NASA-TM-84903, October 1983
[36] Frank W .Burcham,Jr.,Gray A.Trippensee, David F.Fisher, and Terrill W. Putnam, Summary of Results of NASA F-15 Flight Research P rogram,NASA-TM-86811 ,April 1986
[37] E. Bruce Jackson, Results of a Flight Simulation Software Methods Survey, AIAA Flight Simulation Technologies Conference, Baltimore, MD, AIAA 95-3414, August 1995
[38] Jeffrey M. Maddalon and Jeff Ⅰ. Cleveland Ⅱ, A Study of Workstation Computational Performance for Real-Time Flight Simulation, NASA TM-109184, February 1995
[39] J.A. Kaplan, R. Chen, P. S. Kenney, C. M. Koval and B. K. Hutchinson, Development of a Flight Simulation Data Visualization Workstation, NASA TM-110308, December 1996
[40] K.J. Szalai, C. R. Jarvis, G. E. Krier, V. A. Megna, L. D. Brock and R. N. O'Donnell, Digital Fly-by-wire Flight Control Validation Experience, NASA-TM-72860, December 1978
[41] Melvin S. Anderson and W. Keith Belvin, Exact Methods for Modal Transient Response Analysis Including Feedback Control, NASA TP-3317, May 1993
[42] Tich and E.J. etc, Performance Seeking Control for Cruise Optimization in Fighter Aircraft, AIAA-86-1929
[43] Jennifer L.Baer-Riedhart and Robert J.Landy, Highly Integrated Digital Electronic Control Digital Fight Control,Aircraft Model Identification and Adaptive Engine Control,NASA-TM-86793,March 1987
[2] 航空发动机设计手册，第15册，控制及燃油控制系统
[3] 刘大响、程荣辉，世界航空动力技术的现状及发展动向，北京航空航天大学学报，Vol．28，No．5，2002
[4] 孙健国，面向21世纪航空动力控制展望，航空动力学报，Vol．16，No．2，2001
[5] 郭虹，航空发动机控制系统的发展趋势，沈阳航空工业学院学报Vol．14，No．1，1997
[6] 李剑、谢寿生、丁康乐，航空发动机全飞行包线小偏差动态数学模型，空军工程大学学报(自然科学版)，Vol．3，No．5，2002
[7] 冯正平、孙健国，航空发动机小偏差状态变量模型的建立方法，推进技术Vol．22，No．1，2001
[8] 陶涛，航空发动机鲁棒控制，西北工业大学博士论文，1997
[9] 涡喷13AⅡ型航空发动机全权限数控系统演示验证样机技术说明书，第614研究所，2001．1
[10] 涡喷13总设计师，涡喷13型发动机技术说明书，1984
[11] 黄宏涛，航空发动机数字控制系统调节计划，西北工业大学硕士论文，2001
[12] 杨蔚华、孙健国，发动机实时建模技术的新发展，航空动力学报，Vol．10，No．4，1995
[13] [俄]聂恰耶夫 著，单凤桐、程振海 译，航空动力装置控制规律与特性，国防工业出版社
[14] F.W. Burcham and E.A. Haering, Highly Integrated Digital Engine Control System On an F-15 Airplane, AIAA-84-1259, 1984
[15] L.P. Myers and F. W. Burcham, Propulsion Control Experience Used in the Highly Integrated Digital Electronic Control(HIDEC) Program, NASA 841553, 1984
[16] F.W. Burcham Jr., L.P. Myers and K.R.Walsh, Flight Evaluation Results for a Digital Electronic Engine Control in an F-15 Airplane, AIAA-83-2703
[17] 廉小纯、吴虎，航空燃气涡轮发动机，科学出版社，2002
[18] 周风歧、强文鑫、阙志宏，现代控制理论引论，国防工业出版社，1987
[19] 王锦标、方崇志，过程计算机控制，清华大学出版社，1990
[20] 郭锁凤，计算机控制系统——设计与实现，航空工业出版社，1995
[21] 周雪琴，计算机控制系统，西北工业大学出版社，1998
[22] 熊光楞、肖田元、张燕云，连续系统仿真与离散事件系统仿真，清华大学出版社，1991
[23] 薛定宇，反馈控制系统设计与分析——Matlab语言应用，清华大学出版社，2000
[24] [美]迪安·K·佛雷德里克、乔·H·周，张彦斌译，反馈控制问题-使用MATLAB及其控制系统工具箱，西安交通大学出版社，2001
[25] 孙健国，现代航空动力装置控制，航空工业出版社，2001
[26] 杜承林、王道波，控制系统数字仿真，南京航空航天大学203教研室，1994
[27] 王小峰、辛晓文、党怀义，发动机稳态和动态模拟方法研究，飞行试验，1992
[28] 朴英、，张绍基，军用航空发动机加力控制系统的研究和发展，推进技术Vol．22，No．2，2001
[29] J.R.Szuch, "Real-Time Simulation of the TF30-P-3 Turbofan Engine using Hybrid Computer",NASA TMX-3106, 1974
[30] W.J.Barrett and J.P. Remobold,Pratt..., Flight Test of a Full Authority Digital Electronic Engine Control System in an F-15 Aircraft,AIAA-81-1501
[31] D.A. Fiebig, Full Authority Digital Electronic Engine Control System Provides Needed Reliability, AIAA-90-2037, 1990
[32] 陶永华，新型PID控制及其应用，机械工业出版社，2002
[33] Vizzini, R.W. Lenox, T.G. Miller R. J., "Full authority digital electronic control turbofan engine demonstration", AGARD Microcomputer Appl. in Power and Propulsion Systems, Mar, 1981
[34] Graves, D. A.," Using a personal computer as a Full Authority Digital Electronic Control Interface System for gas turbine testing", International Instrumentation Symposium, 38th, Las Vegas, NV, Apr. 26-30, 1992, Proceedings(A93-37851 15-35), Jan 1992
[35] Lawrence P. Myers and Frank W. Burcham,Jr., Comparison of Results Obtained From Flight Test and Simulated Tests of a Digital Electronic Engine Control System in an F-15 Airplane, NASA-TM-84903, October 1983
[36] Frank W .Burcham,Jr.,Gray A.Trippensee, David F.Fisher, and Terrill W. Putnam, Summary of Results of NASA F-15 Flight Research P rogram,NASA-TM-86811 ,April 1986
[37] E. Bruce Jackson, Results of a Flight Simulation Software Methods Survey, AIAA Flight Simulation Technologies Conference, Baltimore, MD, AIAA 95-3414, August 1995
[38] Jeffrey M. Maddalon and Jeff Ⅰ. Cleveland Ⅱ, A Study of Workstation Computational Performance for Real-Time Flight Simulation, NASA TM-109184, February 1995
[39] J.A. Kaplan, R. Chen, P. S. Kenney, C. M. Koval and B. K. Hutchinson, Development of a Flight Simulation Data Visualization Workstation, NASA TM-110308, December 1996
[40] K.J. Szalai, C. R. Jarvis, G. E. Krier, V. A. Megna, L. D. Brock and R. N. O'Donnell, Digital Fly-by-wire Flight Control Validation Experience, NASA-TM-72860, December 1978
[41] Melvin S. Anderson and W. Keith Belvin, Exact Methods for Modal Transient Response Analysis Including Feedback Control, NASA TP-3317, May 1993
[42] Tich and E.J. etc, Performance Seeking Control for Cruise Optimization in Fighter Aircraft, AIAA-86-1929
[43] Jennifer L.Baer-Riedhart and Robert J.Landy, Highly Integrated Digital Electronic Control Digital Fight Control,Aircraft Model Identification and Adaptive Engine Control,NASA-TM-86793,March 1987