一种应用于航空发动机全权限数字电子控制系统的解算器处理技术

针对航空发动机全权限数字电子控制(FADEC)系统中解算器信号处理电路存在精度低、温漂大、响应慢、判象困难等缺点,提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的解算器处理技术,采用DDS激励、模拟积分器、象限判断器等实现信号的调制解调,采集误差不超过0.208‰,温漂不大于0.1‰,谐波干扰影响仅为0.03‰,响应速度达到两个周期以内,克服了激励和反馈相位差的影响,实现了四象限判断。

ARINC659总线在航空发动机控制系统中的应用

传统航空发动机全权限数字电子控制(FADEC)系统普遍采用集中式架构,系统余度降级快,模块重用性差,软件升级困难,随着控制变量增多,控制功能日益复杂,集中式架构缺点凸显;文章提出一种基于ARINC659总线的模块化、开放式FADEC系统架构技术,给出该技术的实现方案、总线时间规划、表决机制和重构策略;试验与应用结果表明,相对于集中式架构技术,该技术利于系统重构,可延缓余度降级,提高系统可靠性,同时利于软/硬件模块升级和重用;研究成果已成功应用于某型FADEC系统中。

自旋动力恢复过程涡轴发动机快速响应控制律对比研究

针对直升机自旋过程中对动力快速安全恢复的问题,充分利用涡轴发动机气路中的导叶、涡轮放气控制,提出了两种涡轴发动机多回路多变量鲁棒控制规律,以实现自旋训练过程中发动机扭矩的快速响应,同时降低旋翼转子瞬态下垂量。采用保性能H2/H∞鲁棒控制算法,分别设计了基于燃油流量&压气机导叶调节,以及燃油流量&涡轮放气调节的具有快速响应能力的发动机转子转速控制规律,使得涡轴发动机在直升机自旋动力恢复过程中,在保证气动稳定安全的前提下,输出扭矩能够快速响应,且旋翼转子下垂量由常规燃油控制的5%下降至3%以内,并能够显著改善燃油动态特性。最后,通过数字仿真对两种控制方法进行了对比分析,得出了在工程应用中两者可能存在的优缺点。

航空发动机自适应模糊滑模控制方法的研究

为使航空发动机在较广的运行条件下满足控制需求,采用四种不同的方法设计自适应模糊滑模控制器,用模糊控制逼近滑模切换控制项,并通过参数自适应律的设计,根据工况条件自动调整输出模糊集合中心。仿真比较了四种设计方法在航空发动机线性模型稳态点的控制效果和转速跟踪性能。结果表明,间接自适应模糊滑模控制和采用三条模糊规则的自适应模糊滑模控制方法的系统响应快、超调量小、转速跟踪能力强,综合控制性能较好。

航空发动机模糊滑模控制方法的比较研究

研究了航空发动机的模糊滑模控制方法,使航空发动机在较广的运行条件下满足控制需求。采用一维间接模糊滑模控制、二维直接模糊滑模控制这两种方法设计模糊滑模控制器,并通过仿真对比,分析了两种设计方法在航空发动机线性模型和用LPV建模法建立的非线性模型上的控制效果。仿真结果表明,二维模糊滑模控制方法具有响应快,对外界干扰不敏感,系统鲁棒性强且非线性跟踪效果好的优点,其控制效果优于一维模糊滑模控制方法。

航空发动机自适应滑模控制方法的比较研究

为了解决航空发动机参数随工况变化大、不确定性上界未知的控制问题,采用三种不同的方法设计自适应滑模控制器,通过参数自适应律的设计,使滑模控制增益随系统运行条件改变而变化。通过仿真比较了三种设计方法在航空发动机线性模型稳态点的控制效果和转速跟踪性能。结果表明,采用第3种自适应滑模控制方法的系统线性响应迅速,超调小,转速跟踪能力强,波形基本无失真,综合控制性能最好。

基于滑模控制方法的航空发动机限制控制研究

考虑到对航空发动机工作安全性和持久性的要求,采用基于滑模控制的航空发动机限制控制,将系统关键变量维持在允许的限制范围内。利用混合H_2/H_∞方法设计低选-高选滑模限制控制器,在CMAPSS线性化模型上仿真研究,并与基于线性调节器的限制控制方法对比分析。结果表明,滑模限制控制方法不仅保证了系统的关键变量在过渡态期间始终维持在限制值以下,同时还确保了系统具有最优的响应效果和鲁棒性。

基于无级变速的直升机变旋翼转速控制模拟方法研究

为了扩大直升机变旋翼转速变化范围,开展了基于无级变速机构的直升机/传动系统/发动机连续变旋翼转速控制模拟方法研究。基于叶素法和容积动力学方法,建立了主旋翼/发动机综合数学模型用于直升机推进系统仿真,该模型由主旋翼简化模型和涡轴发动机部件级模型组成。在主旋翼/发动机综合模型的基础上,加入了基于能量法建立的无级变速传动装置动力学模型,通过变传动比实现变旋翼转速控制模拟,通过定常来流状态下的数字仿真,分析变旋翼转速控制过程对主旋翼和发动机状态的影响。结果表明,提出的变旋翼转速控制模拟方法在保证涡轴发动机动力涡轮转速变化小于1.5%的前提下使旋翼转速连续变化25%,建立的直升机/传动系统/发动机综合模型为变旋翼转速技术的设计与验证提供了较可靠的数字仿真平台。

基于QPSO粒子滤波的航空发动机突变故障诊断

针对标准粒子滤波算法对突变故障诊断迟缓的问题,提出了量子行为粒子群优化(Quantum-behaved particle swarm optimization,QPSO)的粒子滤波算法。该算法引入权值偏差系数的概念,当权值偏差系数超出设置的阈值时,认为系统发生故障,并结合最新的观测值,将量子行为粒子群优化算法融入到粒子的采样过程中,驱使粒子向高似然区域移动,提高粒子群对突变故障的估计性能。仿真结果表明,与标准粒子滤波算法相比,量子行为粒子群优化的粒子滤波算法显著提高了对突变故障的反应速度。

航空发动机机匣支承动刚度有限元计算及验证

针对航空发动机转子试验器,在Pro/E中建立了机匣的三维实体模型。通过Pro/E与ANSYS的无缝连接技术,在ANSYS中得到了机匣的三维有限元模型,采用Solid185实体单元进行网格划分并采用完全法得到了机匣节点位移-频率响应,然后利用编写的MATLAB刚度计算程序得到了机匣支承刚度随频率变化的曲线。利用锤击法对转子试验器进行了机匣动刚度测试试验,并与仿真结果进行了对比。结果表明,基于ANSYS的计算刚度值和实验测试值达到了很好的一致性。同时为了体现敲击点、测试点对于刚度测试值的影响,试验采用了三种测试方案,并对三种试验方案的测试结果进行对比分析,不同方案得到的结果之间具有良好的一致性,为以后的刚度测试奠定了方法基础。

航空发动机分布式控制系统技术分析及系统方案

分析了航空发动机分布式控制系统的系统结构、通讯总线、智能元件、高温电子元器件及分布式电源总线等领域的研究现状，并进行技术成熟度评估.结果表明：航空发动机分布式控制系统研究处于基础研究阶段，各项技术成熟度（TRL）主要处于TRL1~TRL2.针对某涡扇发动机提出基于TTCAN（时间触发控制器局域网协议）总线的过渡分布式和部分分布式两种控制系统方案，分析了各方案中系统结构、控制功能和信号交互特点，以期为航空发动机分布式控制系统进一步研究提供参考.

某型涡轴发动机数控系统的机械液压备份控制方案研究

综合国内外涡轴发动机控制系统的发展趋势及成熟度的基础上,提出了一种带机械液压备份功能的控制系统方案,该方案的机械液压备份功能模块能跟随数字控制功能模块,并能够在数字控制失效后平稳切换到机械液压备份控制,具有在包线范围内实现发动机的燃油和导叶机械液压备份控制功能,保证涡轴发动机安全工作和直升机的安全返航.该方案通过工程设计、试制,开展了半物理试验和台架试验验证,验证结果表明:该备份控制方案的动力涡轮转速控制精度优于±0.5%,导叶控制精度优于4°,具有良好的工程应用性.

航空发动机电子控制系统的小型化SIP技术

针对电子装备小型化的需求,开展了对航空发动机电子控制系统的系统级封装(SIP)技术研究.以一个航空发动机电子控制系统设计为例,采用芯片堆叠结构,将多个裸芯片管脚用键合线引至电路衬底上的连接点,辅以印制板电路,构成完整的电路系统.通过设计优化和信号完整性仿真分析来控制信号质量,试验验证了在保证电路板信号质量的情况下,采用SIP技术,面积缩小约80%,质量减少约70%.研究显示系统级封装技术是未来航空电子控制系统小型化、高可靠的发展方向之一.

航空发动机性能恢复控制方法

针对航空发动机部件蜕化导致性能变差问题,设计了航空发动机性能恢复控制系统,系统根据发动机的工作状态以及健康状态在常规转速控制模式、稳态性能恢复控制模式和加速性能恢复控制模式之间切换.稳态性能恢复控制模式在常规转速控制模式的基础上设计了一个外环控制回路,通过自适应修正稳定状态下压气机转速指令达到蜕化发动机性能恢复的目的;加速性能恢复控制模式通过综合常规转速控制方法和喘振裕度控制方法,在保证发动机气动稳定的同时,充分挖掘发动机潜力,从而达到恢复蜕化发动机加速性能的目的.通过不同状态不同部件蜕化下的仿真结果表明恢复蜕化发动机性能的有效性.

基于模态切换的航空发动机容错控制

综合了航空发动机控制和故障诊断方法,设计了基于模态切换的任务级和发动机级模式的容错控制系统.任务级模式在发动机部件故障时,通过切换控制策略和控制模式达到恢复或降低发动机性能的要求;发动机级模式在控制回路失效时,根据故障情况切换到容错控制回路,从而保证发动机继续正常工作.数字仿真结果表明:在稳态或加速过程中出现部件故障时,容错控制系统都能够100%恢复发动机的推力;在发动机中间、慢车和节流状态下,当压气机转速控制回路失效时,容错控制系统能够在3s内平稳切换到风扇转速控制回路.

基于DMOM算法的航空发动机性能寻优控制

提出一种分散迁移优化算法(DMOM),可实现多峰值优化问题的全局最优解搜索.该算法通过随机选择参考粒子,不断迁移搜索自身所处区域峰值点,再通过分散操作排除局部最优点,重新生成新个体,可快速搜索到全局最优区域.将DMOM应用于航空发动机性能寻优控制仿真,结果表明:在最小油耗和最低涡轮温度模式下,DMOM的寻优速度相比遗传算法(GA)和粒子群算法(PSO)提高了2倍以上;同时DMOM的优化精度相比自组织迁移算法(SOMA)提高了60%以上,相比可行性序列二次规划(FSQP)算法提高了20%以上.验证了DMOM相比其他优化算法有更强的跳出局部最优的能力,在航空发动机最小油耗和最低涡轮温度这类多峰值寻优问题中具有明显的优势.

航空发动机分布式控制拓扑结构优化方法

以控制系统的质量和可靠性为目标,采用基于遗传算法的改进NSGA(non-dominated sorting genetic algorthm)-Ⅱ对航空发动机分布式控制系统的网络拓扑结构进行优化设计.针对可靠性评估方法存在的不足,提出一种用于评估一般网络结构可靠性的方法.结果表明:随着加入的环形节点的增加或基本回路数目增加,系统的质量和可靠性都逐渐增大,但当基本回路数目大于2时,系统的质量会快速增加而可靠性则没有明显变化.因此,在系统质量和可靠性的综合影响下,航空发动机网络拓扑结构中的基本回路数应尽可能不大于2.

基于高压涡轮叶片寿命损耗的航空发动机功率控制

提出了基于高压涡轮(HPT)叶片寿命损耗计算的功率控制策略.通过飞机和发动机模型在不同环境条件下进行飞行任务仿真,得到推力需求及HPT叶片温度等参数,采用逆向工程方法进行HPT叶片寿命损耗计算.结果表明:在满足推力需求的同时,采用降低HPT叶片温度的控制策略能明显减少在不同环境条件下HPT叶片寿命损耗.通过不断调整发动机高压涡轮环境温度使之工作在推力需求基线附近,达到了有效延长发动机寿命的目的,验证了高压涡轮叶片寿命损耗计算方法简单可行.表明基于HPT叶片寿命损耗的发动机功率控制降低发动机寿命周期成本的有效性.

基于多项式平方和规划的航空发动机鲁棒LPV/PI控制

针对航空发动机常规(proportion integration,PI)控制器设计过程中难以保证鲁棒性及参数适应性差等问题,提出了一种基于线性变参数(linear parameter varying,LPV)模型及多项式平方和(sum of squares,SOS)规划的控制器设计方法.结合传递函数模型下的鲁棒稳定条件及弱对偶定理给出了多项式描述的LPV模型鲁棒稳定条件,并转化为便于求解的SOS规划问题.根据发动机非线性模型获取不同转速下的传递函数模型,并利用多项式拟合的方法建立发动机LPV模型.根据所提出的定理构造出SOS规划问题,并求解得出LPV/PI控制器.最终以某型双轴涡扇发动机为被控对象,在包线内不同点进行了阶跃仿真,结果表明:高压转子转速控制系统的稳态误差为0,调节时间小于3s.

一种基于FPGA的航空发动机独立超转保护系统

针对航空发动机超转故障,提出一种基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的独立超转保护系统.介绍了系统的总体设计方案、超转判断方法及故障诊断方式.该系统采用双双余度结构,通过线性分类器和时间窗内加权表决判断方法,提高超转保护功能可靠性.通过3层级机内自测试(BIT)监视静默失效,满足适航要求.硬件在回路仿真平台试验结果表明:该系统超转判断准确可靠,并能在连续判断超转后进入锁定保护状态,有效避免超转事故的发生.目前,研究成果已应用于某型发动机全权限数字控制(FADEC)系统中.