超燃沖壓發(fā)動機突變控制問題研究項目摘要

針對超燃沖壓發(fā)動機面臨的非線性突變控制問題，擬開展超燃沖壓發(fā)動機非線性突變建模和控制研究，采用非線性突變機理建模和機器學(xué)習(xí)建模結(jié)合的方法進行超燃沖壓發(fā)動機高維突變建模研究，采用切換控制和突變模式轉(zhuǎn)換控制結(jié)合方法進行超燃沖壓發(fā)動機突變控制方法研究。以期形成一套包含建模、控制的非線性突變控制問題研究方法。所形成的方法可為航空發(fā)動機領(lǐng)域同類問題(如喘振控制、傳熱惡化控制等)的研究提供借鑒。

在超燃沖壓發(fā)動機控制研究中，首次提出了一種新的非線性突變控制問題。突變問題的存在使得發(fā)動機面臨易受沖擊失穩(wěn)、路徑滯后和需構(gòu)造可達(dá)控制路徑等新型控制問題。 本文采用機理建模、數(shù)值模擬和試驗研究結(jié)合的方法，提出了超燃沖壓發(fā)動機突變建模方法，從拓?fù)鋵W(xué)理論、非線性理論和人工智能理論等角度處理突變建模問題。提出了燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換控制和多模型（多回路）切換控制相結(jié)合的突變控制方法并開展了相關(guān)控制方法的試驗驗證。形成了集建模與控制一體的非線性突變控制研究方法，可為航空發(fā)動機領(lǐng)域同類問題（如喘振控制、傳熱惡化控制等）的研究提供借鑒。 2100433B

書號 978-7-118-11639-7

作者 于達(dá)仁等

出版時間 2019年3月

譯者

版次 1版1次

開本 16

裝幀 平裝

出版基金

頁數(shù) 280

字?jǐn)?shù) 350

中圖分類 V235.21

叢書名 高超聲速科學(xué)與技術(shù)叢書

定價 128.00

內(nèi)容簡介

本書以超燃沖壓發(fā)動機為研究對象，從發(fā)動機基本控制問題出發(fā)并結(jié)合已有飛行試驗經(jīng)驗給出了一種超燃沖壓發(fā)動機基本控制方案，討論了發(fā)動機控制模型維數(shù)和反饋變量選擇原則并介紹了發(fā)動機推力閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計方法，探討了超燃沖壓發(fā)動機燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換特性及其轉(zhuǎn)換控制方法，介紹了高超聲速進氣道起動/ 不起動監(jiān)測方法及其穩(wěn)定裕度控制方法，同時給出了超燃沖壓發(fā)動機推力調(diào)節(jié)/ 進氣道保護切換控制方法，研究了超燃沖壓發(fā)動機燃燒室釋熱分布最優(yōu)控制問題，最后從飛/推一體化視角介紹了高超聲速飛行器軌道優(yōu)化問題。

目錄

常用符號表

第1章 緒論

1．1 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機的典型飛行試驗

1．2 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機控制研究現(xiàn)狀分析

1．2．1 飛行試驗中發(fā)動機控制現(xiàn)狀分析

1．2．2 進氣道不起動監(jiān)測及保護控制現(xiàn)狀分析

1．2．3 燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換控制現(xiàn)狀分析

1．2．4 吸氣式飛/推系統(tǒng)軌跡優(yōu)化研究現(xiàn)狀分析

1．3 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機推力控制問題分析

1．4 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機不起動監(jiān)測與控制問題

1．4．1 高超聲速進氣道不起動監(jiān)測

1．4．2 高超聲速進氣道不起動保護控制

1．5 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換控制問題

1．5．1 燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換特性

1．5．2 燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換控制

1．6 沖壓發(fā)動機飛/推系統(tǒng)設(shè)計與控制面臨的主要問題

1．6．1 考慮飛/推系統(tǒng)強耦合特性的最優(yōu)軌跡問題

1．6．2 復(fù)雜熱力系統(tǒng)多變量多約束最優(yōu)控制問題

1．7 小結(jié)

參考文獻

第2章 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機工作原理

2．1 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機的流動特點與模態(tài)定義

2．2 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機熱力循環(huán)及性能指標(biāo)

2．2．1 發(fā)動機的熱力循環(huán)過程

2．2．2 發(fā)動機的能量轉(zhuǎn)換過程

2．2．3 性能指標(biāo)

2．3 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機進氣道

2．3．1 進氣道性能參數(shù)

2．3．2 進氣道典型工作狀態(tài)

2．3．3 進氣道起動/不起動

2．4 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機燃燒室

2．4．1 若干基本概念

2．4．2 燃燒室性能分析方法

2．5 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機尾噴管

2．6 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機工作過程的特殊性

2．6．1 強分布參數(shù)特性

2．6．2 多模態(tài)優(yōu)化選擇

2．7 小結(jié)

參考文獻

第3章 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機控制問題分析和控制方案

3．1 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機控制問題分析

3．1．1 推力回路控制問題分析

3．1．2 進氣道不起動保護控制問題分析

3．1．3 超溫保護控制問題分析

3．1．4 燃燒室貧/富油熄火限制

3．2 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機控制方案

3．2．1 美國X-51A控制方案分析

3．2．2 推力調(diào)節(jié)/安全保護切換控制方案提出

3．2．3 控制回路組成及分析

3．3 小結(jié)

參考文獻

第4章 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機控制模型

4．1 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型

4．1．1 數(shù)學(xué)模型的維數(shù)選擇

4．1．2 發(fā)動機一維模型

4．2 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機控制模型時間尺度分析

4．3 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機被控變量選擇

4．3．1 燃燒室最大壓比

4．3．2 燃燒室壁面壓力積分

4．4 小結(jié)

參考文獻

第5章 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機推力閉環(huán)控制方法

5．1 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機推力表征

5．1．1 地面直連式試驗條件下的推力定義

5．1．2 推力增量與壓力積分的定義

5．1．3 基于燃燒室壁面壓力積分的推力增量表征

5．2 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機推力閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計

5．2．1 控制對象特性分析及建模

5．2．2 控制性能要求分析與控制器設(shè)計

5．3 控制系統(tǒng)魯棒性能分析

5．3．1 增益攝動時的魯棒性

5．3．2 動態(tài)攝動時的魯棒性

5．4 推力閉環(huán)控制地面試驗驗證

5．5 小結(jié)

參考文獻

第6章 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換及其控制

6．1 燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換馬赫數(shù)的選擇準(zhǔn)則

6．1．1 寬馬赫數(shù)范圍發(fā)動機性能分析

6．1．2 最大推力需求下的燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換馬赫數(shù)選擇

6．1．3 最大比沖需求下的燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換馬赫數(shù)選擇

6．2 燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換邊界及其影響因素分析

6．2．1 燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換邊界空間描述

6．2．2 模態(tài)轉(zhuǎn)換邊界影響因素分析

6．3 燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換中的突變與滯環(huán)問題

6．4 燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換過程分析

6．4．1 轉(zhuǎn)換路徑的影響

6．4．2 突變特性的影響

6．4．3 滯環(huán)特性的影響

6．5 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換控制

6．5．1 燃燒模態(tài)表征與監(jiān)測

6．5．2 燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換控制基本方案

6．5．3 控制方案仿真

6．6 小結(jié)

參考文獻

第7章 高超聲速進氣道不起動監(jiān)測方法研究

7．1 進氣道起動/不起動模式分類數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

7．1．1 進氣道物理模型

7．1．2 進氣道不起動數(shù)據(jù)組成及分析

7．2 基于支持向量機的高超聲速進氣道起動/不起動模式分類

7．2．1 支持向量機的基本理論和方法

7．2．2 基于支持向量機的特征選擇算法

7．2．3 基于支持向量機的進氣道起動/不起動特征選擇

7．2．4 進氣道起動/不起動分類結(jié)果及驗證分析

7．2．5 分類方法的對比分析

7．3 基于FLD分析的進氣道起動/不起動最優(yōu)分類準(zhǔn)則研究

7．3．1 FLD相關(guān)的基本知識

7．3．2 進氣道起動/不起動最優(yōu)分類準(zhǔn)則

7．3．3 分類準(zhǔn)則的物理意義

7．3．4 分類準(zhǔn)則中隔離帶的作用

7．4 多傳感器融合的進氣道起動/不起動分類方法研究

7．4．1 概率輸出支持向量機

7．4．2 多傳感器分組和融合

7．4．3 多傳感器融合結(jié)果分析

7．5 小結(jié)

參考文獻

第8章 高超聲速進氣道不起動邊界及穩(wěn)定裕度控制

8．1 高超聲速進氣道不起動邊界的無量綱分析

8．1．1 進氣道前體壓縮壓比的無量綱表示

8．1．2 隔離段壓比的無量綱表示

8．1．3 進氣道壓縮壓比的無量綱表示

8．2 高超聲速進氣道穩(wěn)定裕度控制方法研究

8．2．1 高超聲速進氣道穩(wěn)定裕度的表示方法

8．2．2 高超聲速進氣道不起動控制策略分析

8．2．3 高超聲速進氣道等裕度增益調(diào)度控制

8．3 進氣道穩(wěn)定裕度控制閉環(huán)仿真驗證

8．4 小結(jié)

參考文獻

第9章 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機推力調(diào)節(jié)/進氣道保護切換控制

9．1 基于Min規(guī)則的發(fā)動機推力調(diào)節(jié)/進氣道保護切換控制方法

9．1．1 切換邏輯及切換規(guī)則

9．1．2 控制器積分上限參數(shù)對切換過程的影響分析

9．1．3 基于Min規(guī)則發(fā)動機推力調(diào)節(jié)/進氣道保護切換控制地面試驗驗證

9．2 基于積分重置的發(fā)動機推力調(diào)節(jié)/進氣道保護無擾切換控制

9．2．1 切換邏輯及切換規(guī)則

9．2．2 切換邏輯半實物仿真及參數(shù)給定分析

9．2．3 發(fā)動機推力調(diào)節(jié)/進氣道保護切換控制地面試驗驗證

9．3 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機兩點燃油分配方案

9．3．1 兩點燃油噴射下的發(fā)動機特性仿真分析

9．3．2 兩點燃油噴射下的發(fā)動機地面試驗結(jié)果分析

9．3．3 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機兩點燃油分配方案評估

9．4 考慮兩點燃油噴射的發(fā)動機推力調(diào)節(jié)/進氣道安全保護控制

9．4．1 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機特性分析及建模

9．4．2 雙回路控制系統(tǒng)設(shè)計

9．4．3 控制系統(tǒng)數(shù)值仿真驗證

9．4．4 控制系統(tǒng)地面試驗驗證

9．5 小結(jié)

參考文獻

第10章 超聲速燃燒室釋熱分布最優(yōu)控制

10．1 超聲速燃燒釋熱最優(yōu)控制問題與求解方法

10．1．1 理想超聲速燃燒釋熱最優(yōu)控制問題

10．1．2 間接法求解釋熱規(guī)律最優(yōu)控制問題

10．2 擴張型燃燒室的超聲速燃燒釋熱最優(yōu)控制

10．3 超聲速燃燒最優(yōu)釋熱規(guī)律特性分析

10．4 內(nèi)型線與釋熱分布耦合最優(yōu)控制

10．5 小結(jié)

參考文獻

第11章 吸氣式高超聲速飛行器的軌道優(yōu)化問題

11．1 考慮發(fā)動機推進機理的飛/推系統(tǒng)最優(yōu)軌跡問題

11．1．1 面向軌跡優(yōu)化控制的飛/推系統(tǒng)建模方法

11．1．2 飛/推系統(tǒng)加速段軌跡最優(yōu)控制問題的一般形式

11．2 求解軌跡最優(yōu)控制問題的一般方法

11．2．1 間接法求解軌跡最優(yōu)控制問題

11．2．2 直接法求解軌跡最優(yōu)控制問題

11．2．3 間接法與直接法的等效關(guān)系

11．3 沖壓發(fā)動機推進的飛/推系統(tǒng)加速段最小油耗軌跡

11．4 飛/推系統(tǒng)起飛質(zhì)量對最小油耗軌跡的影響

11．5 飛/推系統(tǒng)性能指標(biāo)對最優(yōu)軌跡的影響

11．5．1 最小油耗軌跡與最小時間軌跡

11．5．2 飛/推系統(tǒng)最優(yōu)軌跡實時效率分析

11．6 飛/推系統(tǒng)發(fā)動機性能對最優(yōu)軌跡的影響

11．6．1 尾噴管喉道可控對最優(yōu)軌跡的影響

11．6．2 基于超聲速燃燒推進的軌跡優(yōu)化問題

11．7 飛/推系統(tǒng)約束對最優(yōu)軌跡的影響

11．7．1 超溫約束與不起動約束對最優(yōu)軌跡的影響

11．7．2 等動壓約束對最優(yōu)加速軌跡的影響

11．8 小結(jié)

參考文獻 2100433B

結(jié)構(gòu)突變主要分為三種類型:突變點已知，突變點未知以及結(jié)構(gòu)突變發(fā)生在某一區(qū)間時的單位根檢驗。Stephen(1998)詳細(xì)分析原假設(shè)存在單位根的條件下對具有結(jié)構(gòu)變化的單位根過程產(chǎn)生偽拒絕的概率及其檢驗統(tǒng)計量。這些研究基于假設(shè)結(jié)構(gòu)突變發(fā)生為已知或未知時，且結(jié)構(gòu)突變一旦發(fā)生就不會再返回到未發(fā)生變化時的狀態(tài)。但是如果結(jié)構(gòu)變化發(fā)生的數(shù)據(jù)軌跡是在某一區(qū)間，數(shù)據(jù)軌跡會顯著上升或者降低，然后數(shù)據(jù)可能會回復(fù)到原有軌跡。Stephen進一步研究表明在結(jié)構(gòu)變化發(fā)生在某個區(qū)間時，DF檢驗在原假設(shè)下具有確定的極限。并且，對于存在結(jié)構(gòu)變化的時間序列的單位根檢驗，DF統(tǒng)計量不會因為樣本容量的擴大而發(fā)散。王少平等對結(jié)構(gòu)變化的存在對單位根檢驗的影響進行了仿真實驗，結(jié)果表明，當(dāng)結(jié)構(gòu)變化明顯且持續(xù)時間占樣本長度的1/4左右時，DF檢驗具有較高的檢驗勢。但是當(dāng)結(jié)構(gòu)變化持續(xù)時間相對較長時，比如達(dá)到1/2，這種結(jié)構(gòu)變化對DF檢驗會產(chǎn)生重要的影響，并會顯著降低檢驗勢。另外，如果結(jié)構(gòu)變化區(qū)間長，但強度較弱時，DF檢驗仍可以以70%的概率保證檢驗結(jié)論的正確性。

關(guān)于結(jié)構(gòu)突變理論的應(yīng)用還不是非常廣泛。皮榮Perron(1989)將大蕭條（1929年）和石油危機（1973年）做為對美國經(jīng)濟序列的沖擊，認(rèn)為大蕭條使得經(jīng)濟水平降低（均值突變），而石油危機使得增長率降低（斜率突變），并運用這種假設(shè)突變時點已知的方法檢驗了Nelson & Plosser(1982)中的14個單位根過程，認(rèn)為其中有11個為結(jié)構(gòu)突變的趨勢穩(wěn)定。然而，Zivot & Andrews(1992)通過內(nèi)生化結(jié)構(gòu)突變點的檢驗方法，認(rèn)為Perron的結(jié)論部分不正確。Tony Caporale等（2000）檢驗了1961.1-1986.3的美國實際利率與政府換屆之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)利率發(fā)生結(jié)構(gòu)突變的時間與總統(tǒng)換屆的時間相吻合，而與更換美聯(lián)儲主席的時間不一致。Hungnes（2004）利用VAR模型中的結(jié)構(gòu)突變方法，檢驗了德國統(tǒng)一前后貨幣需求、真實GNP、利率、通貨膨脹等變量，發(fā)現(xiàn)在統(tǒng)一貨幣（1990年7月）后，變量都有結(jié)構(gòu)突變。王少平（2003）檢驗了1976－2000年中國人民幣匯率的穩(wěn)定性，結(jié)果表明人民幣匯率服從結(jié)構(gòu)突變的單位根過程，兩個突變點——1989年和1993年——都是由于人民幣自身的幣值對匯率的調(diào)整所致，并且匯率在亞洲金融危機之后沒有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)突變，保持了穩(wěn)定。佟孟華等（2004）檢驗了1996年1月到2003年5月的中國上證指數(shù)，結(jié)果表明上證指數(shù)是結(jié)構(gòu)突變的趨勢平穩(wěn)過程。 2100433B