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基于非线性模型预测的航空发动机性能寻优控制

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航空动力学报 2023年第6期38卷 1525-1536页

作者：郑前钢金崇文项德威南京航空航天大学能源与动力学院南京210016 中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院上海201210 上海华模科技有限公司上海201315

提出一种基于非线性模型预测的航空发动机性能寻优控制方法,以提升性能寻优控制的响应速度。基于风扇进口温度插值的复合推进系统动态模型建模方法建立全包线机载预测模型,以实时估计发动机性能参数及有限时域内的未来输出;基于非线性... 详细信息

提出一种基于非线性模型预测的航空发动机性能寻优控制方法,以提升性能寻优控制的响应速度。基于风扇进口温度插值的复合推进系统动态模型建模方法建立全包线机载预测模型,以实时估计发动机性能参数及有限时域内的未来输出;基于非线性模型预测控制方法,将最大推力模式、最小油耗模式、最低涡轮温度模式3种性能寻优控制模式转化为实时动态性能寻优问题,并设计相应实时控制的性能指标,提升发动机响应速度。仿真结果表明:相比于传统方法,所提出方法建立的机载模型在3种性能寻优控制模式下有较好的控制效果且响应速度提升0.5~5s,在高空巡航工作点,最大推力模式下推力提高19.8%,最小耗油模式下耗油率下降3.12%,最低涡轮前温度模式下涡轮前温度下降17K,验证了控制方法的有效性。

关键词：航空发动机控制非线性模型预测控制性能寻优控制复合推进系统动态模型机载模型

基于遗传算法-序列二次规划的涡扇发动机最低油耗性能寻优控制

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推进技术 2020年第7期41卷 1638-1648页

作者：李勇韩非非张昕喆彭凯郑州航空工业管理学院航空工程学院河南郑州450046 西北工业大学动力与能源学院陕西西安710129

航空发动机性能寻优控制可充分挖掘发动机潜力,大幅提升发动机性能。燃油消耗率是发动机的一项重要技术指标,对燃油消耗率进行优化,其经济意义及作战效能十分明显。针对飞机巡航状态下发动机节油特性进行研究,在保证航空发动机推力不变... 详细信息

航空发动机性能寻优控制可充分挖掘发动机潜力,大幅提升发动机性能。燃油消耗率是发动机的一项重要技术指标,对燃油消耗率进行优化,其经济意义及作战效能十分明显。针对飞机巡航状态下发动机节油特性进行研究,在保证航空发动机推力不变及安全工作(如保证发动机不超温、不超转、不喘振等)的前提下,使燃油消耗率最小。以所建立的双转子混合排气加力式涡扇发动机非线性数学模型为研究对象,提出了一种基于遗传算法-序列二次规划(GA-SQP)混合优化算法,该优化算法充分发挥了遗传算法和序列二次规划算法的优势,同时在一定程度上克服了两者的缺点,利用Matlab对该优化算法进行了仿真分析。在随机选取的10个飞行状态点对航空发动机最低油耗模式性能寻优控制进行研究后发现:基于GA-SQP混合算法的优化控制可平均降低油耗3.61%(采用基于遗传算法的优化控制则为3.68%),基于GA-SQP混合算法的优化控制的平均耗时为基于遗传算法的优化控制的23.4%。仿真结果表明,基于GA-SQP混合算法的优化控制无需人为设置初始解,不仅能达到与基于遗传算法的优化控制基本相同的优化控制效果,同时还可大幅降低计算量,提高了计算效率。

关键词：涡扇发动机非线性数学模型性能寻优控制混合算法最低油耗模式

涡扇发动机最小红外特征模式性能寻优控制研究

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推进技术 2020年第5期41卷 1168-1177页

作者：柳亚冰徐植桂叶东鑫陈浩颖郑前钢张海波中国航发控制系统研究所江苏无锡214063 南京航空航天大学能源与动力学院江苏省航空动力系统重点实验室江苏南京210016

为抑制涡扇发动机排气系统的红外特征,提出一种基于红外预测模型的最小红外特征模式性能寻优控制。首先,建立一种排气系统正后向红外辐射强度简化预测模型,该预测方法考虑了排气系统内高温部件和尾喷流的红外辐射,以及尾喷流对高温部件... 详细信息

为抑制涡扇发动机排气系统的红外特征,提出一种基于红外预测模型的最小红外特征模式性能寻优控制。首先,建立一种排气系统正后向红外辐射强度简化预测模型,该预测方法考虑了排气系统内高温部件和尾喷流的红外辐射,以及尾喷流对高温部件红外辐射的吸收作用,具有可信的仿真精度;其次,基于涡扇发动机部件级实时仿真模型,增加了从外涵引气冷却中心锥和尾喷管扩张段内壁的冷却结构和红外预测模块;最后,基于该模型探索了最小红外特征模式的优化原理,并选用可行序列二次规划(FSQP)算法,通过控制高温壁面冷却气的流量,主燃烧室的燃油量以及尾喷管喉道面积,对两个亚声速巡航状态的工作点进行实时优化。仿真结果表明:在满足发动机推力恒定以及其他约束条件的前提下,发动机通过最小红外特征模式性能寻优控制,其排气系统后向红外辐射下降了30%以上,红外抑制效果显著。

关键词：涡扇发动机红外特征性能寻优控制高温壁面冷却排气系统

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基于DMOM算法的航空发动机性能寻优控制

航空动力学报 2016年第4期31卷 948-954页

作者：王元李秋红黄向华中国航空工业集团公司航空动力控制系统研究所江苏无锡214063 南京航空航天大学能源与动力学院江苏省航空动力系统重点实验室南京210016

提出一种分散迁移优化算法(DMOM),可实现多峰值优化问题的全局最优解搜索.该算法通过随机选择参考粒子,不断迁移搜索自身所处区域峰值点,再通过分散操作排除局部最优点,重新生成新个体,可快速搜索到全局最优区域.将DMOM应用于航空发动... 详细信息

提出一种分散迁移优化算法(DMOM),可实现多峰值优化问题的全局最优解搜索.该算法通过随机选择参考粒子,不断迁移搜索自身所处区域峰值点,再通过分散操作排除局部最优点,重新生成新个体,可快速搜索到全局最优区域.将DMOM应用于航空发动机性能寻优控制仿真,结果表明:在最小油耗和最低涡轮温度模式下,DMOM的寻优速度相比遗传算法(GA)和粒子群算法(PSO)提高了2倍以上;同时DMOM的优化精度相比自组织迁移算法(SOMA)提高了60%以上,相比可行性序列二次规划(FSQP)算法提高了20%以上.验证了DMOM相比其他优化算法有更强的跳出局部最优的能力,在航空发动机最小油耗和最低涡轮温度这类多峰值寻优问题中具有明显的优势.

关键词：航空发动机性能寻优控制分散迁移优化算法最小油耗寻优控制全局最优解

基于广义既约梯度法的航空发动机性能寻优控制

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推进技术 2006年第6期27卷 536-541页

作者：任新宇樊思齐朱玉斌时瑞军西北工业大学动力与能源学院陕西西安710072

提出了一种基于航空发动机约束物理意义的寻优方法,并将其应用于性能寻优控制之中。该方法根据航空发动机约束的物理特性完全已知的特点,利用起作用集法和既约梯度法将发动机非线性约束寻优问题转化为低维的无约束寻优问题,提高了计算... 详细信息

提出了一种基于航空发动机约束物理意义的寻优方法,并将其应用于性能寻优控制之中。该方法根据航空发动机约束的物理特性完全已知的特点,利用起作用集法和既约梯度法将发动机非线性约束寻优问题转化为低维的无约束寻优问题,提高了计算速度。应用该方法对全包线内的工作点,对最大推力、最低油耗、最低涡轮进口温度和加力最大推力等模式进行了寻优,给出了寻优结果。

关键词：性能寻优控制起作用集法广义既约梯度法航空发动机

基于复合模型及FSQP算法的发动机性能寻优控制试验

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推进技术 2012年第4期33卷 579-590页

作者：王健康张海波孙健国黄向华南京航空航天大学能源与动力学院江苏南京210016

提出了一种在保证优化效果前提下提高发动机在线性能寻优实时性的方法,即一方面基于相似理论建立了适用于非加力状态的发动机复合稳态模型,在优化过程中替代原部件级模型以缩短优化计算时间,另一方面采用先进的可行性序列二次规划算法... 详细信息

提出了一种在保证优化效果前提下提高发动机在线性能寻优实时性的方法,即一方面基于相似理论建立了适用于非加力状态的发动机复合稳态模型,在优化过程中替代原部件级模型以缩短优化计算时间,另一方面采用先进的可行性序列二次规划算法寻求全局最优解,以提高优化精度。最终实现了上述方案在最小油耗模式及最大推力模式下的数字仿真及半物理模拟验证,相比于传统的基于发动机部件级模型进行性能寻优控制,其优化精度相当,但优化实时性得到大幅度提高,从仿真结果可以看出上述方案的有效性及可行性。

关键词：发动机性能寻优控制复合稳态模型半物理模拟试验

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航空发动机性能寻优控制混合优化算法

航空动力学报 2006年第2期21卷 421-426页

作者：朱玉斌樊思齐李华聪杨垂柏西北工业大学动力与能源学院陕西西安710072 中国科学院空间科学与应用研究中心北京100080

根据性能寻优控制(Perform ance Seek ing Con trol)优化模式的特点,针对某型涡扇发动机,研究了把发动机性能优化问题描述为线性规划问题。同时针对线性规划方法可能会收敛于局部极小值和非线性方法计算量大的问题,提出了基于LP(L inear... 详细信息

根据性能寻优控制(Perform ance Seek ing Con trol)优化模式的特点,针对某型涡扇发动机,研究了把发动机性能优化问题描述为线性规划问题。同时针对线性规划方法可能会收敛于局部极小值和非线性方法计算量大的问题,提出了基于LP(L inear P rogramm ing)和MAPS(M odel-A ssisted Pattern Search)混合优化方法,并研究了LP和MAPS混合优化方法在航空发动机性能寻优控制中的应用,同时在最大推力控制模式和最小油耗控制模式下进行了仿真。大量仿真结果表明,采用混合优化方法可进一步提高发动机的性能,并且大大减少了计算量。

关键词：航空航天推进系统航空发动机性能寻优控制混合优化算法线性规划模型辅助模式搜索算法

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航空发动机超声速巡航性能寻优控制研究

推进技术 2015年第8期36卷 1248-1256页

作者：孙丰勇张海波叶志锋郑前钢南京航空航天大学能源与动力学院/江苏省航空动力系统重点实验室江苏南京210016

为解决航空发动机在不加力超声速巡航状态的性能寻优问题,提出进气道放气、风扇与压气机导叶角与燃油流量、尾喷管喉道面积五变量的序列二次规划优化调节方案,验证了航空发动机在最大安装推力、最小油耗、最低涡轮前温度三种控制模式时... 详细信息

为解决航空发动机在不加力超声速巡航状态的性能寻优问题,提出进气道放气、风扇与压气机导叶角与燃油流量、尾喷管喉道面积五变量的序列二次规划优化调节方案,验证了航空发动机在最大安装推力、最小油耗、最低涡轮前温度三种控制模式时,相比较于传统的不带进气道放气的四变量优化方案,五变量优化方案优势明显,可分别提升最大安装推力7.5%,降低燃油消耗率4.6%,降低低压涡轮前温度1.5%;同时,为满足机载发动机模型自适应要求,建立基于输入端带积分补偿的卡尔曼滤波器的发动机自适应模型,并验证了航空发动机在发生蜕化时,五变量优化方案同样具有全局寻优优势。

关键词：超声速巡航性能寻优控制进气道放气自适应模型

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推进系统综合性能寻优控制研究

推进技术 2010年第1期31卷 61-64,81页

作者：任新宇杨育武樊思齐西北工业大学动力与能源学院陕西西安710072 中国航空工业集团公司西安航空动力控制公司陕西西安710077

研究了包括进气道和发动机在内的推进系统综合控制。采用了序列线性规划方法进行系统寻优,利用推进系统矩阵进行多次线性规划来求解非线性优化问题。利用当前的实际机载计算机完成了硬件在回路仿真试验,仿真表明研究的性能寻优控制方法... 详细信息

研究了包括进气道和发动机在内的推进系统综合控制。采用了序列线性规划方法进行系统寻优,利用推进系统矩阵进行多次线性规划来求解非线性优化问题。利用当前的实际机载计算机完成了硬件在回路仿真试验,仿真表明研究的性能寻优控制方法能够较大幅度的提高推进系统整体性能,控制软件完全满足实时计算要求。

关键词：推进系统性能寻优控制序列线形规划