对航空发动机进行建模分析及PID控制分析.doc
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1、(完整word)对航空发动机进行建模分析及PID控制分析对航空发动机进行建模分析及PID控制分析【摘要】航空发动机是一架飞机的灵魂,被誉为工业界的“王冠”,是衡量一个国家航空工业发展水平的重要标志.本文针对航空发动机的稳态控制从控制论的角度进行了较为深入的分析与探讨.报告主要针对发动机稳态工作模型的建立和基于性能指标加权的PID控制参数优化。【关键词】航空发动机 建模 PID控制 遗传算法 优化(一)课题背景及意义PID控制的结构比例作用误差e积分作用微分作用控制量u PID(ProportionalIntegral - Derivative)控制是很早就发展起来的控制策略之一,由于其算法简单
2、、容易实现、控制效果好、鲁棒性强、可靠性高、参数物理意义明确,至今仍然在过程控制和运动控制中得到广泛应用。PID控制是一个特定的运算规则,它利用被控量与设定量之差来确定输出控制量的大小。对于航空发动机这类工作环境复杂恶劣、特性参数变化范围大、可靠性要求高的被控对象,在进行控制系统设计时需要采用成熟、稳定、适应性强、控制性能良好的控制器设计方法。变参数PID控制器有较好的适应性,稳定可靠,且从一个状态改变到另一状态时过渡平稳,因此适用于航空发动机控制。航空发动机模型对于发动机研究的许多领域有着极其重要的意义,可用于发动机性能分析、控制规律研究、提供传感器解折余度以及故障诊断等领域.航空发动机工作
3、时严重非线性,且工况和工作范围变化大,故对其建模难度较高。发动机模型可以分非实时模型和实时模型,其中非实时模型主要用于性能分析和故障诊断,实时模型通常用于控制规律研究和提供传感器解析冗余闭。本报告以双轴、几何不可调涡轮喷气发机为例,分析航空发动机数学模壁的建立方法,井在此基础上采用PID控制对低压压机转速进行控制。进一步讨论航空发动机控制的实质,即在极端恶劣的条件下,精确地控制发动机的推力和耗油率。然后明确航空发动机的控制方案和控制参数。发动机的控制方案指的是:根据外界干扰(主要反映在飞行高度和速度的变化)或驾驶员指令来改变可控变量(如供油量、尾喷口面积等),以保证发动机被控参数(如转速、涡轮
4、前燃气温度等)不变或按预定的规律变化,从而达到控制发动机推力的目的.制定控制方案时,应保证发动机性能的充分发挥,以满足飞机的需要,同耐发动机的各主要参数应不超出允许的安全极限。 有三类控制方案:(一)在外界干扰发生变化时,保持既定的发动机稳定工作点,这称为稳态控制;(二)在移动发动机操纵杆时,使发动机从一个工作点移向另一工作点,能快速转移并且不超过规定的喘振边界和高温极限,这称为加速控制,或过渡控制,(三)在各种情况下都应保证发动机各主要参数不会超出允许的安全极限,这称为极限控制。 在这三类控制方案中,考虑的重点是第一类,因为它对飞行性能的影响最大,直接保证了发动机高度特性和速度特性的实现,是
5、控制系统应完成的主要控制任务。第二类控制方案是实现发动机推力的节流特性,在控制系统中也有相应的装置来保证它的实现。第三类控制方案则由某些限制器来完成。(二)建立航空发动机的模型(以双轴涡喷发动机为例) 1、航空发动机稳态工作模型的建立,分析发动机各截面参数和发动机性能参数 建立航空发动机的部件级稳态工作模型的基本思路:利用发动机各部件特性和发动机共同工作的约束条件,如流量平衡、压力平衡、转速相等等条件,建立描述发动机气动热力特性的差分方程组。进而通过计算机分析确定发动机整机性能参数。由于发动机几何不可调,所以控制量只有一个即供油量,那么当飞行条件(高度H,马赫数M)一定,供油量一定时,发动机就
6、对应了一个工作节点.此时研究发动机处于稳态时的工作状态,依据各部件之间的平衡方程列出差分方程。其间有4个流量平衡方程(1LPC与HPC流量平衡,2-HPT与燃烧室出口流量平衡,3-HPT与LPT流量平衡,4-LPT与尾喷管出口流量平衡)和2个功率平衡方程(1-低压轴扭矩平衡,2-高压轴扭矩平衡).描述发动机工作的差分方程为 (1.1)其中:-低压压气机流量 -高压压气机流量 -低压涡轮流量 .-高压涡轮流量 -尾喷管流量 低压压气机扭矩 -高压压气机扭矩 高压涡轮扭矩 -低压涡轮扭矩 注:发动机的扭矩就是指发动机从曲轴端输出的力矩。在功率固定的条件下它与发动机转速成反比关系,转速越快扭矩越小,
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