涡扇发动机先进控制

第1章引言

1.1工作原理

1.1.1焦耳一布雷顿循环

1.2外涵涡扇发动机

1.2.1真实发动机的性能与效率

1.3工作限制和部件特性图

1.3.1压气机和风扇特性图

1.3.2涡轮特性图

1.3.3R一线与失速裕度

1.3.4燃烧不稳定性与熄火

1.3.5结构与热力限制

1.3.6发动机整体工作限制

1.4总参数和换算参数

1.5小结

第2章发动机模型和仿真工具

2.1双转子动力学

2.1.1基于循环平台数据的模型构建

2.1.2基于系统辨识的模型

2.1.3发动机老化和退化建模

2.2民用模块化航空推进系统仿真

2.2.1CMAPSS主要特点

2.2.2算例”

第3章发动机经典控制方法

3.1通过EPR或风扇转速进行设计点控制

3.1.1积分控制

3.1.2采用根轨迹的补偿器设计

3.1.3频域补偿：手工回路成形

3.1.4Edmund模型匹配方法

3.1.5比较性算例

3.2固定线性补偿器设计的不足之处

3.2.1飞行包线内的参数变化

3.2.2发动机限制

第4章发动机鲁棒状态反馈控制

4.1多变量系统理论概述

4.1.1算例

4.1.2奇异值

4.1.3线性系统无穷范数

4.1.4线性系统2范数

4.2鲁棒状态反馈综合

4.2.1系统不确定性多胞描述

4.2.2标称稳定性和鲁棒稳定性

4.2.3多胞系统的二次稳定性

4.3性能度量

4.4LQR状态反馈综合

4.4.1带有区域特征值约束的LQR

4.4.2经济性LQR问题和性能限制

4.4.3LQR鲁棒性性质

4.4.4多胞型系统

4.5H2状态反馈综合

4.5.1最优H2综合

4.5.2多胞系统

4.6H∞状态反馈综合

4.6.1多胞系统

4.7带有区域极点配置的H2/H∞反馈综合

4.7.1状态反馈设计点调节和输入积分

4.8算例：CMAPSS—40k

4.8.140k级发动机的一种多胞描述

4.8.2缩放增广对象的可稳定性

4.8.3固定增益LQR设计

4.8.4CMAPSS—40k中的固定增益LQR

4.8.5H2/H∞固定增益综合：多胞对象模型

4.9简化的H∞风扇转速控制

4.9.1混合灵敏度H∞设计

4.9.2频率加权

4.9.3算例：混合H∞综合—CMAPSS—40k

4.10小结

第5章增益调度和自适应

5.1鲁棒性、调度及自适应

5.1.1输入调度

5.2标准燃气轮机增益调度控制

5.3线性参数变化方法

5.3.1从多胞顶点获取LPV分解

5.3.2一种简单的LPV风扇转速PI控制方法

5.3.3其他IPV方法

5.4自适应控制综述

5.4.1相对阶为1的MRAC

5.4.2算例：CMAPSS—1

第6章涡扇发动机滑模控制

6.1研究动机的例子：火箭弹推进器开关控制

6.1.1引入不确定性和干扰

6.2多变量滑模控制调节器

6.2.1匹配型不确定性

6.2.2控制规律的开发设计

6.2.3降阶的动态特性和滑模系数的选取

6.2.4Utkin和Young的LQ方法

6.2.5滑模控制调节器算例：CMAPSS—40k

6.3滑模控制输出设计点跟踪

6.3.1算例：线性化CMAPSS—40k模型

6.4简化的单输入单输出积分滑模控制设计

6.4.1算例：CMAPSS—1

第7章采用线性调节器的发动机限制管理

7.1低选一高选限制管理逻辑

7.1.1默认索引假设：低选和高选算子

7.1.2采用动态补偿器的低选一高选限制管理的静态特性

7.1.3算例：CMAPSS—1

7.2集合不变性的基本概念

7.2.1区间的正不变性

7.2.2线性系统的椭球不变集

7.2.3半空间的不变性

7.2.4椭球工作集

7.3采用积分状态反馈控制器的低选一高选限制管理

7.3.1固定调节器下的闭环特性

7.3.2相对固定索引的闭环特性

7.3.3采用状态反馈的低选—高选限制管理的静态特性

7.3.4算例：CMAPSS—1线性化模型

7.3.5过渡态限制保护分析

7.4算例：CMAPSS—1线性化模型

7.5另外一种最小交互性设计：H∞方法

7.5.1算例：CMAPsS—1～

7.5.2算例：椭球不变集—CMAPSS—1线性化模型

7.6加速和减速限制

7.6.1“N—Dot”控制和加速调度

第8章采用滑模的发动机限制管理

8.1系统描述、假设以及控制目标

8.1.1控制目标

8.1.2滑模控制律

8.2固定调节器下的特性

8.2.1确定稳态调节器的索引

8.3稳定性特性总结

8.3.1稳定性：低选或高选切换

8.3.2稳定性：低选一高选切换

8.4不变性性质：限制保护

8.4.1低选切换下的不变性

8.4.2高选切换下的不变性

8.4.3低选—高选切换下的不变性

8.5其他考虑

8.5.1受限输出一致性

8.6设计过程

8.6.1多目标控制：混合H2/H∞反馈增益综合

8.7设计算例

8.7.1线性化仿真研究

8.7.2CMAPSS实现：T48的上限

8.7.3带有多个限制调节器的CMAPSS实现

8.8小结

……

第9章采用模型预测控制的发动机限制管理

附录A风扇转速的时间最优控制

附录B典型线性模型矩阵列表：90k级发动机

附录C典型线性模型矩阵列表：40k级发动机

附录D线性化模型预测控制仿真的Matlab代码

术语表

参考文献

索引

涡扇发动机先进控制内容简介

《涡扇发动机先进控制》的作者是理查特。

《涡扇发动机先进控制》： 第1章引言：在假设读者了解热力学变量的条件下，回顾了解释燃气轮机工作 过程的热力学原理；介绍了真实发动机部件、发动机 工作过程及关键的定量性能度量指标；讨论了安全性和工作限制，包括喘振与失速 现象的数学描述。

第2章发动机模型和仿真工具：简要回顾了发动 机动态特性，目的是提取用作设计基础的线性化模型；介绍了由NASA格林研究中心 开发的民用模块化航空推 进系统仿真（CommercialModularAeropropulsionSystemSimul ation，CMAPSS）软 件包。

第3章传统发动机控制方法：回顾了经典单输入 单输出设计技术（根轨迹和频域回路成形），并将其应用到风扇转速控制问题中， 这里将燃油流量用作控制输入。

同时还介绍了一种模型匹配设计方法，并作为工具用 在了CMAPSS中。仿真算例说明了采用固定线性补偿器的不足之处。

涡扇发动机先进控制作者简介

作者：（美国）理查特（Hanz Richter） 译者：覃道亮 王曦