[发明专利]自适应循环航空发动机模式转换过程控制规律设计方法

说明书

本发明公开了一种自适应循环发动机模式转换过程控制规律的自动设计方法，在给定模式转换过程起始点和终止点的工况参数及控制规律后，自动计算出模式转换过程中的控制规律。本发明的方法将模式转换设计由一段工作过程简化为两个关键工作点的研究，利用粒子群优化算法结合敏感性分析方法求解关键工作点的控制规律，进而获得整个模式转换过程的控制规律，在求解控制规律过程中无需手动调节，可大幅提升设计效率。

技术领域

本发明属于自适应循环航空发动机总体性能仿真技术领域，尤其涉及一种模式转换过程的控制规律自动设计。

背景技术

自适应循环航空发动机是当今国际航空发动机强国竞相追逐的战略技术高地，是双外涵变循环航空发动机概念的延伸与发展。自适应循环航空发动机通过模式选择阀、旋转部件可调导叶、可变面积涵道引射器及喷管等可调机构，灵活调整发动机的循环模式及循环参数，使发动机能够自动适应飞机在更宽的速域和空域范围内飞行，满足不同飞行任务对发动机更为苛刻的性能需求。

自适应循环发动机与变循环发动机相比，自适应循环发动机增添了第三外涵，通过关闭一个或多个外涵道，自适应循环发动机可以在低涵道比的双外涵或单外涵模式下工作，产生更大的单位推力，以满足飞机超音巡航、格斗机动飞行时的大推力需求；另一方面，通过打开三个外涵道，自适应循环发动机可以在大涵道比的三外涵模式下工作，降低耗油率，以满足飞机亚音巡航、空中巡逻时的低油耗需求。在整个飞行任务中，自适应循环发动机需要工作在多种不同的模式下，因此不可避免地要经历模式转换过程。

模式转换是指自适应发动机从一个稳定的工作模式转换到另一个稳定的工作模式。控制规律是指保障发动机稳定高效工作的燃油、转速、可调部件等被控对象的调节方案；其中，燃油或转速为一类被控对象，在此记作主控对象，而可调部件为另一类被控对象。模式转换过程控制规律设计问题具体是指：在给定模式转换起始点和终止点的发动机控制规律及工况条件下，合理设计中间过程中的控制规律，使模式转换平稳地完成。在模式转换过程中，部分涵道会经历开/关的状态切换，使发动机内部的流量分配产生较大变化。尤其是对于模式选择阀这种只有开/关两种模式的部件，其调节是瞬间完成的过程，伴随着第二外涵流量的阶跃，影响发动机的匹配工作。因此，在模式转换过程中需要制定合理的可调部件控制规律，通过可调部件协同调节避免发动机出现超温、超转、喘振等风险。除此之外，为保证模式转换过程平稳进行，还需要保证发动机流量在模式转换过程中基本保持不变，推力在模式转换过程中平稳变化无明显阶跃。综上所述，模式转换过程的控制规律设计是一个多约束多变量的优化问题，这也使其成为自适应循环发动机控制规律设计中最复杂的问题之一，其设计难度高于单一工况下的控制规律设计。

目前关于自适应循环发动机的模式转换控制规律研究还处于初步阶段，公开的文献中尚无对此问题进行详细论述研究。与这一问题最接近的是双外涵变循环发动机的模式转换控制规律设计，国内有部分学者针对此问题开展了相关研究。但是相关研究中控制规律的设计都是基于研究人员手动调试获得的，调试过程复杂繁琐，需要研究人员具备较强的专业知识；除此之外，手动调试得到的控制规律与当前发动机设计参数和部件特性密切相关，当更改设计参数或部件特性时，原有的控制规律不具备通用性，需要重新手动调试控制规律。在发动机方案设计之初，需要进行多次发动机设计参数和部件特性的迭代设计，手动调试控制规律的繁琐性会严重制约设计过程高效开展。另一方面，目前模式转换过程的控制规律研究的都是可连续调节的可调部件，并没有考虑模式选择阀这种仅有开/关两种状态的部件。而模式选择阀开/关状态的瞬态切换会引起第二外涵流量阶跃，容易导致发动机的推力及流量阶跃，对发动机模式转换过程平稳进行有显著的影响，需要在控制规律的设计中重点研究。

发明内容

本发明针对现有自适应循环航空发动机模式转换控制规律设计方法的不足，提出一种基于粒子群优化算法和敏感性分析方法的模式转换控制规律自动设计方法。本发明的具体技术方案如下：

一种自适应循环航空发动机模式转换过程控制规律设计方法，其特征在于，