串联式TBCC发动机模态转换控制方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种串联式TBCC发动机模态转换控制方法。在发动机模态转换过程中，以涡轮部件的最大状态工作点和慢车状态工作点作为优化边界，通过优化求解得到模态转换过程中总推力、总空气流量、风扇换算转速、后可变面积涵道引射器开度、模式转换活门开度的最优变化曲线，然后以总推力、总空气流量、风扇换算转速这三个直接性能量的最优变化曲线对发动机进行闭环控制，以后可变面积涵道引射器开度、模式转换活门开度的最优变化曲线对发动机进行开环控制。本发明专利技术还公开了一种串联式TBCC发动机模态转换控制装置。本发明专利技术以直接性能量作为被控量来对发动机进行闭环控制，可有效提高转换过程的平稳性，安全性和速度。安全性和速度。安全性和速度。

【技术实现步骤摘要】
串联式TBCC发动机模态转换控制方法及装置


[0001]本专利技术涉及一种涡轮基组合循环发动机(TBCC发动机)模态转换控制方法，尤其涉及一种串联式TBCC发动机模态转换控制方法。

技术介绍

[0002]TBCC发动机)是将涡轮发动机与冲压发动机的工作循环组合起来的一种新型动力系统，具有飞行包线宽、常规起落和重复使用的优点，被认为是未来高速飞行器的理想动力之一。根据涡轮发动机与冲压发动机相对位置的不同，TBCC发动机可分为串联式和并联式布局，相较并联式布局，串联式TBCC发动机具有迎风面积小，结构紧凑，质量轻的优点。模态转换过程是实现TBCC发动机涡轮模态与冲压模态互相转换的过渡态模态，如何实现模态转换阶段的推力及空气流量的平稳过渡，一直以来是串联式TBCC控制系统研究的重点及难点。
[0003]近年来，众多学者致力于TBCC发动机建模及模态转换过程控制问题的研究。NASA研究中心开发了一个使用HiTECC(高马赫瞬态发动机循环代码)工具来模拟推进系统的仿真。对进气系统进行了测试，以评估基于涡轮机的联合循环推进系统执行受控进气模式转换的方法[J.T.Csank,T.J.Stueber,A turbine based combined cycle engine inlet model and mode transition simulation based on HiTECC tool,in:48th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit 2012,2012.https://doi.org/10.2514/6.2012
‑
4149.]。北京航空航天大学陈敏采用Newton
‑
Raphson算法求解串联变循环涡轮冲压发动机稳态模态过渡问题。该算法研究了多目标多变量目标规划算法，以保证串联涡轮冲压发动机模式转换的稳定性[C.Min,T.Hailong,Z.Zhili,Goal Programming for Stable Mode Transition in Tandem Turbo
‑
ramjet Engines,Chinese Journal of Aeronautics.22(2009).https://doi.org/10.1016/S1000
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9361(08)60130
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2.]。张明阳利用吸气式高马赫推进系统仿真工具(HiMach)对小型串联TBCC发动机进行了模式转换性能分析。该算法基本实现了发动机推力和气流的平稳过渡，但没有考虑过渡过程的速度[M.Zhang,Z.Wang,Z.Liu,X.Zhang,Analysis of mode transition performance for a tandem TBCC engine,in:52nd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference,2016,2016.https://doi.org/10.2514/6.2016
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4573.]。南京航空航天大学冯海龙以模式转换过程中推力和气流的平稳过渡为目标，采用改进的ITLBO(Improved Teaching
‑
Learning Based Optimization)算法对控制律进行优化。然而，主燃烧室燃料流量采用开环控制方式，存在抑制干扰能力弱、控制精度低等缺点[H.Feng,Research on Modeling and control method of series TBCC engine.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2019]。
[0004]综上可知，目前针对TBCC发动机模态转换阶段控制方法的研究，更多关注推力及空气流量的平稳过渡，尚未有研究关注模态转换过程的快速性及模态转换过程的安全性。模态转换控制方式还局限于开环控制方式或者基于压力、转速等可测状态量的闭环控制方
式。相较上述控制方式，以直接性能量(如推力，流量等)为被控制量的控制方式可以在保证高抗扰性的基础上更加直接，有效地满足模态转换期间对推力，流量平稳过渡的要求。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种串联式TBCC发动机模态转换控制方法，以直接性能量作为被控量来对发动机进行闭环控制，可有效提高转换过程的平稳性，安全性和速度。
[0006]本专利技术具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
[0007]一种串联式TBCC发动机模态转换控制方法，在发动机模态转换过程中，以涡轮部件的最大状态工作点和慢车状态工作点作为优化边界，通过优化求解得到模态转换过程中总推力F、总空气流量W
a1
、风扇换算转速n
l,cor
、后可变面积涵道引射器开度RVABI、模式转换活门开度MSV的最优变化曲线，然后以总推力F、总空气流量W
a1
、风扇换算转速n
l,cor
这三个直接性能量的最优变化曲线对发动机进行闭环控制，以后可变面积涵道引射器开度RVABI、模式转换活门开度MSV的最优变化曲线对发动机进行开环控制；所述优化求解具体是对以下的第一优化模型进行求解：
[0008][0009]s.t.u
min
≤u≤u
max
[0010][0011][0012]其中，u为发动机的调节变量，u＝[W
fb
,W
fa
,A8,MSV,RVABI]，W
fb
为涡轮燃烧室主燃油流量，A8为尾喷管喉道面积，W
fa
为加力/冲压燃油流量，RVABI为后可变面积涵道引射器开度，MSV为模式转换活门开度，S
ml
为风扇喘振裕度，S
mh
为压气机喘振裕度，下标“min”、“max”分别表示最小值、最大值，下标“ref”代表指令值，w1、w2、w3为目标权值系数，模转时间
ΔM＝M
T
‑
M
C
，M
T
为涡轮扭矩，M
C
为压气机扭矩，n
h
为压气机物理转速，n
l
为风扇实际转速，n
l,idle
为风扇慢车转速,n
l,max
为风扇最大转速,J为转子转动惯量，P为总压，P
s
为静压，far为油气比，T为总温，下标“4”代表主燃烧室出口截面，下标“65”代表混合室出口截面，下标“7”为加力/冲压燃烧室出口截面，下标“C1”代表冲压通道进口截面。
[0013]基于同一专利技术构思还可以得到以下技术方案：
[0014]一种串联式TBCC发动机模态转换控制装置，包括：
[0015]模态转换控制计划模块，用于在发动机模态转本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种串联式TBCC发动机模态转换控制方法，其特征在于，在发动机模态转换过程中，以涡轮部件的最大状态工作点和慢车状态工作点作为优化边界，通过优化求解得到模态转换过程中总推力F、总空气流量W
a1
、风扇换算转速n
l,cor
、后可变面积涵道引射器开度RVABI、模式转换活门开度MSV的最优变化曲线，然后以总推力F、总空气流量W
a1
、风扇换算转速n
l,cor
这三个直接性能量的最优变化曲线对发动机进行闭环控制，以后可变面积涵道引射器开度RVABI、模式转换活门开度MSV的最优变化曲线对发动机进行开环控制；所述优化求解具体是对以下的第一优化模型进行求解：s.t.u
min
≤u≤u
maxmax
其中，u为发动机的调节变量，u＝[W
fb
,W
fa
,A8,MSV,RVABI]，W
fb
为涡轮燃烧室主燃油流量，A8为尾喷管喉道面积，W
fa
为加力/冲压燃油流量，RVABI为后可变面积涵道引射器开度，MSV为模式转换活门开度，S
ml
为风扇喘振裕度，S
mh
为压气机喘振裕度，下标“min”、“max”分别表示最小值、最大值，下标“ref”代表指令值，w1、w2、w3为目标权值系数，t
ac
定义为模转时间，ΔM＝M
T
‑
M
C
，M
T
为涡轮扭矩，M
C
为压气机扭矩，n
h
为压气机物理转速，n
l
为风扇实际转速，n
l,idle
为风扇慢车转速,n
l,max
为风扇最大转速,J为转子转动惯量，P为总压，P
s
为静压，far为油气比，T为总温，下标“4”代表主燃烧室出口截面，下标“65”代表混合室出口截面，下标“7”为加力/冲压燃烧室出口截面，下标“C1”代表冲压通道进口截面。2.如权利要求1所述串联式TBCC发动机模态转换控制方法，其特征在于，作为优化边界的涡轮部件慢车状态工作点通过对以下的第二优化模型进行求解得到：minJ＝w4×
F+w5×
W
a2
+w6×
RM
式中，w4、w5、w6为目标权值系数，n
l
为风扇实际转速，n
l,idle
为风扇慢车转速，far4为主燃烧室油气比，far
4min
为主燃烧室贫油边界油气比，P为总压，P
s
为静压，回流裕度下标“4”代表主燃烧室出口截面，下标“65”代表混合室出口截面，下标“C1”代表冲压通道进口截面，下标“C2”代表冲压通道出口截面。3.如权利要求2所述串联式TBCC发动机模态转换控制方法，其特征在于，使用混合罚函数法与粒子群优化算法相结合的方式对所述第二优化模型进行求解。4.如权利要求1所述串联式TBCC发动机模态转换控制方法，其特征在于，所述总推力F和总空气流量W
a1
是以可测参数作为输入，通过基于神经网络的机载模型估计得到；所述机载模型的输入是使用逐步回归分析法所选取的与总推力F和总空气流量W
a1
最相关的一组可测参数。5.如权利要求4所述串联式TBCC发动机模态转换控制方法，其特征在于，所述机载模型具体如下：P＝f
BP
(x)其中，P代表总压，T代表总温，n
l,cor
为风扇换算转速，n
h,cor
为压气机换算转速，下标“2”，“22”，“25”，“3”，“6”分别代表进气道出口、风扇出口、压气机进口、压气机出口、燃烧室出口截面，下标“BP”代表BP神经网络，k
‑
1、k
‑
2分别表示当前k时刻的前1时刻、前2时刻。6.一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：席志华，张海波，胡晨旭，汪勇，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：