发动机控制进展及展望3--超燃冲压发动机燃烧模态控制方法讲解.ppt

超燃冲压发动机燃烧模态控制方法 哈工大：于达仁 崔涛 鲍文 内容提要 超燃冲压发动机本质控制问题 超燃冲压发动机分布参数控制的适度空间维数 超燃冲压发动机分布参数控制的合理频带 超燃冲压发动机燃烧模态形状控制方法 今后研究的发展方向 1、超燃冲压发动机本质控制问题是分布参数控制问题 涡轮发动机、冲压发动机的集中参数控制问题； 超燃冲压发动机的分布参数控制问题。 1.1 涡轮发动机、冲压发动机的集中参数控制问题 涡轮发动机的机械转动与气流流动相比具有更大的惯性，在进气系统的非稳态过程中起到了主导作用。实际的控制系统选取转子的转速（或折合转速）、压比等作为特征参数来描述发动机进气系统。 涡轮发动机采用亚声速燃烧，燃烧效率高，燃烧特性的变化通常用燃油总量来加以区别。这样在涡轮发动机的整个工作循环中，模块化的集中参数基本上可以近似描述发动机的控制特性。在控制中应用集中参数控制方法。 1.1 涡轮、冲压发动机的集中参数控制问题 冲压发动机热力循环系统的进气压缩采用正激波的气动增压方式代替涡轮吸气式发动机的机械增压，由于正激波压缩的主导作用，通常利用正激波的位置与强度来分别描述进气道的工作状态（亚临界或超临界）与总压损失。 冲压发动机燃烧系统采用单通道、等截面的燃烧室设计代替涡轮发动机的主燃烧室与加力燃烧室，等截面的设计方式使得气流的动量在燃烧室段不产生变化（不直接贡献推力），燃油调节仍属于总量调节。通常使用激波位置、加热比等参数来描述冲压发动机的工作状态，这些参数作为被控参数来设计集中参数控制系统。 1.2 超燃冲压发动机的分布参数控制问题 超燃冲压发动机最重要的就是超声速燃烧的组织和效率问题，如何才能在有限的能量输入中产生更多的推力是根本性的问题。 1.2 超燃冲压发动机的分布参数控制问题 1.2 超燃冲压发动机的分布参数控制问题 在单一来流条件下，燃油释热设计和燃烧室通道截面型线可以较好的匹配。但是超声速燃烧控制还面临着宽马赫数变工况的问题，要实现变工况条件下的合理匹配，需要增加新的自由度。 1.2 超燃冲压发动机的分布参数控制问题 分布参数控制理能够用来解决超燃冲压发动机燃烧控制系统的设计问题。 需要研究依靠气动热力调节来控制发动机参数沿空间的分布的理论方法，目标是运用分布参数的理论和方法解决超燃冲压发动机燃烧模态控制的普遍性问题，以期为超燃冲压发动机的优化设计和优化运行提供一种新的技术途径。 2、超燃冲压发动机分布参数控制的适度空间维数 零维？ 一维？ 二、三维？ 2、超燃冲压发动机分布参数控制的适度空间维数 集中参数控制方法：采用零维模型来描述分布参数对象的控制特性将造成了状态维数的极大提高（相当于必须以足够致密的网格进行离散化近似），技术上难以实现。并且由于引入多个测量反馈量(如壁面压力分布作反馈)，将导致反馈量大于控制量（有限点喷射燃油）而出现系统不可控的问题。 2、超燃冲压发动机分布参数控制的适度空间维数 二、三维控制：二、三维在发动机设计时一定要考虑。但是从发动机控制角度考虑，二、三维控制具有较大的难度和复杂度，这受限于控制理论发展水平、设计实现技术、检测技术以及数值的实时性等 。 2、超燃冲压发动机分布参数控制的适度空间维数 一维控制： 作为控制问题，如何简化问题同时又能提高控制性能是最主要的。一维分布反映了发动机的总体工作状态及其总体变化趋势（截面平均参数的误差在15%以内） ，在施加控制时能够抓住主要矛盾，免受局部枝节信息的干扰。同时从控制系统设计的角度，针对一维的控制技术已取得较大进展，相关的解析与数值方法已能处理部分复杂对象的分布参数控制。 在现阶段，一维控制从必要性、复杂度、可行性、成本的角度来说是适度的。在理论上，未来可以进一步的探寻控制更高精度的方法。 3、超燃冲压发动机分布参数控制的合理频带 超燃冲压发动机的动态主要包括激波动态、分离流动态、燃烧动态等。数值计算与试验结果给出了超燃冲压发动机主导频带在20Hz以上。 现有的执行机构（燃油供给系统）很难达到这么快的速度，性能较好的燃油调节阀响应速度在5Hz量级。 因此燃油供应系统和阀门的动态便成为了超燃冲压发动机控制系统的主导动态，而发动机流动和燃烧的高频动态过程则因为执行机构带宽的限制而受到大幅衰减，可以被处理为高频未建模动态。 这样考虑到执行机构的因素，理论上可以对超燃冲压发动机动态特性进行频域截断，把发动机的动态作为控制系统的高频未建模动态，在名义系统中忽略掉，而用鲁棒的分析和设计方法进行处理，从而把问题转变为控制发动机的稳态分布上。 超燃冲压发动机实际的流动和燃烧反应过程的动态控制机理极具复杂性，而利用控制理论的频域分析与频域截断技术可以把复杂的控制问题大大简化，从而获