变循环发动机控制半物理仿真研究.pdf

北方工业大学硕士学位论文变循环发动机控制半物理仿真研究姓名：赵敏静申请学位级别：硕士专业：检测技术与自动化装置指导教师：王立峰20080401北方工业大学硕士论文摘 要发动机是飞机的“心脏”，是推动飞机和整个航空工业蓬勃发展的源动力随着飞机发动机战术指标的不断提高，相应地对航空发动机的控制及燃油系统的功能和性能提出了更加严格的要求由于半物理仿真技术良好的可控性和安全性，并且具有不受气候环境限制、可多次重复等特点，因此，它己成为航空发动机数字控制系统在预研、方案论证或改型、设计制造和使用维护等过程中的一种重要的试验手段和技术工具应用半物理仿真技术有效地缩短了发动机控制系统的研制周期，并大大降低了发动机数控系统的研制费用本文以变循环航空发动机为控制对象，以半物理仿真为研究手段，搭建了变循环发动机半物理仿真平台仿真平台由实时发动机模型、油门杆、状态开关、I／O接口箱和数字电子控制器构成发动机模型采用部件级详细的气动热力学模型来提高发动机的精度发动机模型通过usB总线完成与电子控制器的数据交换本文重点研究了发动机电子控制器控制程序的开发及上位机和下位机之间的接口通讯工作，设计了多个控制回路，完成了整个半物理仿真平台的搭建和综合调试工作。

通过对发动机的加速工况、减速工况进行仿真试验，很好的实现了对发动机各参数的控制，验证了试验平台设计的合理性和正确性通过半物理仿真试验可以及早发现发动机系统设计中的缺陷，为变循环发动机的设计和改进提供了很好的依据变循环发动机数字控制系统属于较新的研究方向，基于此设计变循环发动机半物理仿真平台，通过半物理仿真试验可以及早发现系统设计中的缺陷，确定最佳的设计方案，大大降低试验风险，减少试验成本关键词： vCE，硬件在回路，电子控制器，实时仿真北方工业大学硕士论文AbstractThe en西ne is tlle heart oftlle aero．plalle，缸d nle source power ofthe devdopm肌t ofthe whole aviation indlls时．Along wi血the raising index of曲lc Aem一即百ne IIlihta：叮tactics techIlique，the如ncdon锄d capabilities of Aero．en西ne control觚d f．uel systemnecd to put forward王li曲ef s砸ct recluest．As a rcsult of hardwa渺in-loop simlllationtechn0109y 900d con廿ollabil蚵and securi坼aIId has廿le climatic envir0IlllleIlt n0 linlit’啪bemanv矗m器rcpeat aIld so on chara州stics，tllercfbrc'it has bccome a iIrlportallte)【peIim加tal m劬ods and the tochIlical tool fbr tlle aircraR en西ne n啪erical con仃olsystenl证me pre．rcsearch，demoIls仃adon or remodd，M删f她t11re desi瞿皿趾dmaimenarlce．Hardware-in-loop simulation technology 啪 eff：ectivdy reduccdevdopment cycle of山e en舀ne comml system，and掣eaIly redu∞tlle∞st ofr船嘲rch．In nlis anide'we tm【c也e variable cycle en画ne as con打ol obj以屯half physicalsiIIlulation as tlle research t00l to build tlle Mf physics simulation test-bed．ThesiIllulation test．bed mainly indudes five pans：real-“me en西Ile Inodel，tllrome，stateswitches，I，0 in幢—瓠：c box and di西tal de缸c蚀gir怆coIl_乜．oller．A componerlt_1evddctailed ae∞．tll咖od”lalnic model is usod t0 a血ance 11i出丘delity．The enl血e modelchaIlg铬Ⅱle si弘als丽th tIle di百tal dcc啊c eIl垂ne controller吐啪ugh USB blls．1札samde has snldied the con仃Dl sofhvare develo舯饥t of the elec仕oIlic en西ne comr011盯，and t}lc oDIn脚删cations im豇thce b吐wecll tlle model en西ne蛆d也e elo曲roIlic en血ccontmner’has desi鼬ed many control 100ps，h硒completed tlle esta_blishmem of me咖re test_bed，and inte蓼ated dcbuggillg．hl botll acceleration operating mode and血edeccl瞰tion o口erating mode simIllation test，the en画ne pa朔Ⅱleters corl乜．oUed weU，廿le硎onality aIld the accuracy of the test-bed desi鲫has Confimlcd．Thro咄l half physicssimulation既periment，we c趾eadi盯6nd the def缸s in me system，趾d pr0们de a goodbasis for me desil皿and improv锄ent ofme variable cyde cn匹ne．The variable cvcle enP血e di西tal coIl乜．01 syst锄bdongs to the new researchdire面on．Based on this backP卵un也we desiP丑the halfphysics simulation口latfbⅡn fIortlle Vaddble—c)，cle engine．T}1rough hardware in loop sirmllation experim吼t，we caneallier find tlle defccts in也e systcrn design to dctcrInine tlle best design刚cct，锄d罩eatly reduce the fisk in me test and reduce也e test cost．Key Words：WE，hardwa倍iⅡ．Ioop，DEEC，nal-ti眦simllladon-2．独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北左王些盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意学位论文作考筝名：签字日期伽年《明／日 盔鲰稗 ‘学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解jb直王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权jE友王』g盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：奄自蚰奇 导师签名：1羽矶∥和N签字日期：硼年明旧 签字日期：弼年汨／日学位论文作者毕业后去向：工作单位：通讯地址：：邮编：北方工业大学硕士论文1绪 论1．1课题研究背景发动机是飞机的“心脏”，是推动飞机和整个航空工业蓬勃发展的源动力20世纪下半叶，世界航空动力呈加速发展态势，21世纪航空动力面临新的机遇，它将以更快的速度向前发展，并促使飞机和航空工业出现新的飞跃随着飞机发动机战术指标的不断提高，相应地对航空发动机控制及燃油系统功能和性能提出了更加严格的要求。

飞行包线的扩大使发动机特性改变较大，要求控制系统工作范围宽随着控制计划和控制规律的复杂化，需要控制和测量的参数也相应地增加了除控制燃油流量外，更多地采用了变几何控制，现代发动机工作更接近极限状态，这需要控制器有足够的逻辑功能和多种控制监测和保护功能，以便在工作可靠的前提下充分发挥发动机的潜力，使发动机快速平稳地由一个状态过渡到另一个状态，而不超越规定的各种限制发动机与飞机进气道和排气装置及飞行控制系统工作要相协调，从而对发动机控制系统功能、响应、精度和计算能力提出了越来越高的要求从二战结束到21世纪初喷气战斗机大致经历了四次更新换代，与之对应的燃气涡轮发动机也被划分为四代21世纪航空动力技术将出现革命性的变化，为达到优异的性能，新一代航空动力将采用大量的先进技术，主要有…：≯计算流体力学>先进的部件设计技术>新材料及工艺技术>推力矢量技术≯先进的控制技术>发动机仿真技术》新概念动力先进的控制技术和发动机仿真技术是现代发动机研制的两个重要发展方向用数字式电子控制器代替机械液压式控制器的研究工作开始于1973年当时美国制定了研究计划，对F100发动机全权限数字式电子控制器FADEc’”(Full AuthorityDigital Electronic Controller)开展了研究。

1985年在改型的F100发动机北方工业大学硕士论文F100—PW一220上装备了数字式电子控制器并投入使用“3这项研究计划的完成使航空动力装置进入了一个新的发展阶段在航空发动机数控系统的研制过程中，需要对发动机的工作情况进行各种试车试验，验证设计的合理性，同时优化控制规律和系统参数，检验数字电子控制器软硬件运行的稳定性和安全性“，并对数字控制系统的性能和故障处理能力进行分析、模拟等全物理试验是利用航空发动机实物试验，直接对控制系统进行测试、改进和标定等但随着发动机复杂程度的提高，数字控制系统中控制量的个数增加很多，控制算法变得更加复杂，全物理试验的方式使得发动机研制的周期很长，风险提高以及试验成本加大…硬件在回路仿真(HardWare—in—the—Loop)是在发动机数学仿真模型的基础上，接入部分实物(如控制器、传感器、执行机构等)到回路中，在地面进行控制系统的全状态、全包线仿真试验，而作为被控对象的发动机数学模型在仿真计算机中运行，形成一个闭合回路硬件在回路仿真技术为航空发动机数控系统的研制提供了非常有力的工具由于硬件在回路仿真技术有良好的可控性和安全性，具有不受气候环境限制、可多次重复等特点，目前它已成为航空发动机数字控制系统在预研、方案论证或改型、设计制造和使用维护等过程中的一种重要的试验手段和技术工具。

应用半物理仿真技术有效地缩短了发动机控制系统的研制周期，并大大降低了发动机数字控制系统的研制费用1．2变循环发动机介绍变循环发动机(VcE)是一种通过改变发动机某些部件的几何形状、尺寸或位置来改变其热力循环的发动机改变发动机循环参数，如增压比、涡轮前温度、空气流量和涵道比，可使发动机在各种飞行和工作状态下都具有良好的性能在涡喷／涡扇发动机方面，变循环发动机研究的重点是改变涵道比如发动机在爬升、加。