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脉冲爆震发动机是一种通过可爆燃混合物间歇爆震产生推力的高效推进装置,因为没有旋转部件,脉冲爆震发动机较传统推进系统具有结构简单、可靠性高的特点。1990年以来国际上掀起了脉冲爆震发动机的研究热潮,在脉冲爆震发动机性能分析模型、数值模拟和地面实验研究等方面取得了一系列重要成果,但是有关脉冲爆震发动机控制问题的研究报道很少,而发动机点火控制和推力控制是保证脉冲爆震发动机正常工作的必不可少的子系统,开展这方面的研究具有重要的学术价值和应用价值。推力控制是发动机控制系统的最基本的功能,是本文的研究重点之一。脉冲爆震发动机具有间歇工作的特点,所以用平均推力表征其推力性能。发动机实际工作中需要根据飞行器的指令改变推力,研究表明通过控制爆震频率和爆震强度都可以改变推力。本文建立了发动机推力分析模型,在此基础上利用小扰动线化方法研究了爆震频率控制和爆震强度控制的配合规律,并提出了以爆震周期平均压力为反馈变量的推力控制策略。建立对象控制模型是控制系统研究的基础性工作。脉冲爆震发动机具有周期性间歇工作的特点,传统的连续模型不适于描述脉冲爆震发动机的对象特性。本文基于描述爆震周期内各参数平均值变化过程的变周期离散建模方法,建立了用于控制系统设计的脉冲爆震发动机离散模型,体现了发动机间歇工作的本质特点,使脉冲爆震发动机这一复杂对象的建模问题得以大幅度简化。本文把广泛应用于发动机控制的PWM液压执行机构加入脉冲爆震发动机系统,组成广义控制对象,并建立了广义对象离散数学模型,为控制系统设计奠定了基础。
针对脉冲爆震发动变爆震周期推力控制系统设计问题,本文提出了两种设计方法。基于变参数分段控制思想,提出多通道数字控制器设计方法,根据不同爆震周期切换到不同的数字控制器,解决了变周期数字控制器设计问题,仿真验证了该设计方法的有效性;借鉴多采样率系统的思想,将广义对象等效成具有多个采样率的虚拟对象,设计了变采样周期系统的二次型最优控制器,仿真结果表明最优控制器能够满足各个采样速率下的控制性能要求。
从单个周期的瞬态过程角度来看,脉冲爆震发动机的性能(效率、比冲等)以及发动机能否正确起爆强烈地依赖于点火控制。当外界条件以及发动机工况改变时,点火控制量(点火频率,点火提前角等)需要按照一定规律相应改变,这就是点火控制的主要任务。本文把脉冲爆震发动机燃料填充过程与点火起爆过程有机结合起来进行了研究,用二维非定常数值计算方法对爆震室内多组份非预混填充过程进行模拟,分析了温度变化对填充特性的影响,给出了点火起爆控制规律,为点火控制系统设计和点火控制量实时调节提供了理论依据。