超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)突變控制問題研究

在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(jī)理建模、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究結(jié)合的方法，提出了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)驗(yàn)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(dòng)機(jī)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

針對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的非線性突變控制問題，擬開展超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)非線性突變建模和控制研究，采用非線性突變機(jī)理建模和機(jī)器學(xué)習(xí)建模結(jié)合的方法進(jìn)行超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)行超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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。

書號(hào) 978-7-118-11639-7

作者 于達(dá)仁等

出版時(shí)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(jià) 128.00

內(nèi)容簡介

本書以超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，從發(fā)動(dòng)機(jī)基本控制問題出發(fā)并結(jié)合已有飛行試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)給出了一種超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)基本控制方案，討論了發(fā)動(dòng)機(jī)控制模型維數(shù)和反饋?zhàn)兞窟x擇原則并介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)推力閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，探討了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)氣道起動(dòng)/ 不起動(dòng)監(jiān)測方法及其穩(wěn)定裕度控制方法，同時(shí)給出了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)推力調(diào)節(jié)/ 進(jìn)氣道保護(hù)切換控制方法，研究了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)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(hào)表

第1章 緒論

1．1 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的典型飛行試驗(yàn)

1．2 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)控制研究現(xiàn)狀分析

1．2．1 飛行試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)控制現(xiàn)狀分析

1．2．2 進(jìn)氣道不起動(dòng)監(jiān)測及保護(hù)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(dòng)機(jī)推力控制問題分析

1．4 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)不起動(dòng)監(jiān)測與控制問題

1．4．1 高超聲速進(jìn)氣道不起動(dòng)監(jiān)測

1．4．2 高超聲速進(jìn)氣道不起動(dòng)保護(hù)控制

1．5 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)飛/推系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制面臨的主要問題

1．6．1 考慮飛/推系統(tǒng)強(qiáng)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(xiàn)

第2章 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理

2．1 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的流動(dòng)特點(diǎn)與模態(tài)定義

2．2 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)及性能指標(biāo)

2．2．1 發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力循環(huán)過程

2．2．2 發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)進(jìn)氣道

2．3．1 進(jìn)氣道性能參數(shù)

2．3．2 進(jìn)氣道典型工作狀態(tài)

2．3．3 進(jìn)氣道起動(dòng)/不起動(dòng)

2．4 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)尾噴管

2．6 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的特殊性

2．6．1 強(qiáng)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(xiàn)

第3章 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)控制問題分析和控制方案

3．1 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)控制問題分析

3．1．1 推力回路控制問題分析

3．1．2 進(jìn)氣道不起動(dòng)保護(hù)控制問題分析

3．1．3 超溫保護(hù)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(dòng)機(jī)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(hù)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(xiàn)

第4章 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)控制模型

4．1 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)一維模型

4．2 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)控制模型時(shí)間尺度分析

4．3 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)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(xiàn)

第5章 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)推力閉環(huán)控制方法

5．1 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)推力表征

5．1．1 地面直連式試驗(yàn)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(dòng)機(jī)推力閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5．2．1 控制對(duì)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(jì)

5．3 控制系統(tǒng)魯棒性能分析

5．3．1 增益攝動(dòng)時(shí)的魯棒性

5．3．2 動(dòng)態(tài)攝動(dòng)時(shí)的魯棒性

5．4 推力閉環(huán)控制地面試驗(yàn)驗(yàn)證

5．5 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第6章 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(xiàn)

第7章 高超聲速進(jìn)氣道不起動(dòng)監(jiān)測方法研究

7．1 進(jìn)氣道起動(dòng)/不起動(dòng)模式分類數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

7．1．1 進(jìn)氣道物理模型

7．1．2 進(jìn)氣道不起動(dòng)數(shù)據(jù)組成及分析

7．2 基于支持向量機(jī)的高超聲速進(jìn)氣道起動(dòng)/不起動(dòng)模式分類

7．2．1 支持向量機(jī)的基本理論和方法

7．2．2 基于支持向量機(jī)的特征選擇算法

7．2．3 基于支持向量機(jī)的進(jìn)氣道起動(dòng)/不起動(dòng)特征選擇

7．2．4 進(jìn)氣道起動(dòng)/不起動(dòng)分類結(jié)果及驗(yàn)證分析

7．2．5 分類方法的對(duì)比分析

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

7．3．1 FLD相關(guān)的基本知識(shí)

7．3．2 進(jìn)氣道起動(dòng)/不起動(dòng)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(jìn)氣道起動(dòng)/不起動(dòng)分類方法研究

7．4．1 概率輸出支持向量機(jī)

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(xiàn)

第8章 高超聲速進(jìn)氣道不起動(dòng)邊界及穩(wěn)定裕度控制

8．1 高超聲速進(jìn)氣道不起動(dòng)邊界的無量綱分析

8．1．1 進(jìn)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(jìn)氣道壓縮壓比的無量綱表示

8．2 高超聲速進(jìn)氣道穩(wěn)定裕度控制方法研究

8．2．1 高超聲速進(jìn)氣道穩(wěn)定裕度的表示方法

8．2．2 高超聲速進(jìn)氣道不起動(dòng)控制策略分析

8．2．3 高超聲速進(jìn)氣道等裕度增益調(diào)度控制

8．3 進(jìn)氣道穩(wěn)定裕度控制閉環(huán)仿真驗(yàn)證

8．4 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第9章 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)推力調(diào)節(jié)/進(jìn)氣道保護(hù)切換控制

9．1 基于Min規(guī)則的發(fā)動(dòng)機(jī)推力調(diào)節(jié)/進(jìn)氣道保護(hù)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(duì)切換過程的影響分析

9．1．3 基于Min規(guī)則發(fā)動(dòng)機(jī)推力調(diào)節(jié)/進(jìn)氣道保護(hù)切換控制地面試驗(yàn)驗(yàn)證

9．2 基于積分重置的發(fā)動(dòng)機(jī)推力調(diào)節(jié)/進(jìn)氣道保護(hù)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(shí)物仿真及參數(shù)給定分析

9．2．3 發(fā)動(dòng)機(jī)推力調(diào)節(jié)/進(jìn)氣道保護(hù)切換控制地面試驗(yàn)驗(yàn)證

9．3 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)兩點(diǎn)燃油分配方案

9．3．1 兩點(diǎn)燃油噴射下的發(fā)動(dòng)機(jī)特性仿真分析

9．3．2 兩點(diǎn)燃油噴射下的發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)結(jié)果分析

9．3．3 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)兩點(diǎn)燃油分配方案評(píng)估

9．4 考慮兩點(diǎn)燃油噴射的發(fā)動(dòng)機(jī)推力調(diào)節(jié)/進(jìn)氣道安全保護(hù)控制

9．4．1 雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)特性分析及建模

9．4．2 雙回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

9．4．3 控制系統(tǒng)數(shù)值仿真驗(yàn)證

9．4．4 控制系統(tǒng)地面試驗(yàn)驗(yàn)證

9．5 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

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(kuò)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(xiàn)

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(dòng)機(jī)推進(jìn)機(jī)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(dòng)機(jī)推進(jìn)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(duì)最小油耗軌跡的影響

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

11．5．1 最小油耗軌跡與最小時(shí)間軌跡

11．5．2 飛/推系統(tǒng)最優(yōu)軌跡實(shí)時(shí)效率分析

11．6 飛/推系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)性能對(duì)最優(yōu)軌跡的影響

11．6．1 尾噴管喉道可控對(duì)最優(yōu)軌跡的影響

11．6．2 基于超聲速燃燒推進(jìn)的軌跡優(yōu)化問題

11．7 飛/推系統(tǒng)約束對(duì)最優(yōu)軌跡的影響

11．7．1 超溫約束與不起動(dòng)約束對(duì)最優(yōu)軌跡的影響

11．7．2 等動(dòng)壓約束對(duì)最優(yōu)加速軌跡的影響

11．8 小結(jié)

參考文獻(xiàn) 2100433B

結(jié)構(gòu)突變主要分為三種類型:突變點(diǎn)已知，突變點(diǎn)未知以及結(jié)構(gòu)突變發(fā)生在某一區(qū)間時(shí)的單位根檢驗(yàn)。Stephen(1998)詳細(xì)分析原假設(shè)存在單位根的條件下對(duì)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(yàn)統(tǒng)計(jì)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(shí)，且結(jié)構(gòu)突變一旦發(fā)生就不會(huì)再返回到未發(fā)生變化時(shí)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(huì)顯著上升或者降低，然后數(shù)據(jù)可能會(huì)回復(fù)到原有軌跡。Stephen進(jìn)一步研究表明在結(jié)構(gòu)變化發(fā)生在某個(gè)區(qū)間時(shí)，DF檢驗(yàn)在原假設(shè)下具有確定的極限。并且，對(duì)于存在結(jié)構(gòu)變化的時(shí)間序列的單位根檢驗(yàn)，DF統(tǒng)計(jì)量不會(huì)因?yàn)闃颖救萘康臄U(kuò)大而發(fā)散。王少平等對(duì)結(jié)構(gòu)變化的存在對(duì)單位根檢驗(yàn)的影響進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)結(jié)構(gòu)變化明顯且持續(xù)時(shí)間占樣本長度的1/4左右時(shí)，DF檢驗(yàn)具有較高的檢驗(yàn)勢。但是當(dāng)結(jié)構(gòu)變化持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長時(shí)，比如達(dá)到1/2，這種結(jié)構(gòu)變化對(duì)DF檢驗(yàn)會(huì)產(chǎn)生重要的影響，并會(huì)顯著降低檢驗(yàn)勢。另外，如果結(jié)構(gòu)變化區(qū)間長，但強(qiáng)度較弱時(shí)，DF檢驗(yàn)仍可以以70%的概率保證檢驗(yàn)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(jī)（1973年）做為對(duì)美國經(jīng)濟(jì)序列的沖擊，認(rèn)為大蕭條使得經(jīng)濟(jì)水平降低（均值突變），而石油危機(jī)使得增長率降低（斜率突變），并運(yùn)用這種假設(shè)突變時(shí)點(diǎn)已知的方法檢驗(yàn)了Nelson & Plosser(1982)中的14個(gè)單位根過程，認(rèn)為其中有11個(gè)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(diǎn)的檢驗(yàn)方法，認(rèn)為Perron的結(jié)論部分不正確。Tony Caporale等（2000）檢驗(yàn)了1961.1-1986.3的美國實(shí)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(shí)間與總統(tǒng)換屆的時(shí)間相吻合，而與更換美聯(lián)儲(chǔ)主席的時(shí)間不一致。Hungnes（2004）利用VAR模型中的結(jié)構(gòu)突變方法，檢驗(yàn)了德國統(tǒng)一前后貨幣需求、真實(shí)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(yàn)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(gè)突變點(diǎn)——1989年和1993年——都是由于人民幣自身的幣值對(duì)匯率的調(diào)整所致，并且匯率在亞洲金融危機(jī)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(yàn)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