多电航空发动机和起动发电机协同控制技术研究

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飞机多电化是未来发展的趋势,其离不开多电航空发动机的支撑,而起动发电机是多电航空发动机的核心部件。在起动过程,起动发电机的转速、扭矩可主动控制,为发动机起动过程控制带来了优化空间;在发电过程,用电负载的变化将影响航空发动机的状态稳定;在加减速过程,起动发电机的发电品质也会受到影响。本文研究航空发动机与起动发电机的协同控制技术,主要涉及多电航空发动机的综合建模、协同控制计划设计、控制律设计和半物理仿真试验。(1)建立了一种包含起动发电机特性的双转子混合排气涡扇航空发动机的全状态模型。首先基于部件特性建立了涡扇发动机慢车以上状态的部件级模型,并在此基础上将部件特性外推到起动过程,结合起动发电机特性,建立了多电涡扇发动机全状态模型。(2)设计了起动发电机与涡扇发动机的协同控制计划,包括起动过程和状态调节过程协同控制计划,并对加减速过程进行了分析。基于变量替换法设计了起动过程控制计划,在不喘振、不超温、不富油且保证点火成功率的前提下,缩短了发动机的起动过程时间;基于二维前馈插值的方法设计了状态调节协同控制计划,克服电负载波动对转子转速的影响。(3)针对起动过程和状态调节过程协同控制计划设计了对应的控制律。起动过程控制律采用一维前馈插值的方法,将起动发电机扭矩作为控制量,转加速度作为被控量进行PID闭环控制,实现起动过程的优化控制。状态调节过程控制律采用负载波动时起动发电机电流波动表征用电功率的波动,结合需求转速进行二维插值,获得燃油流量的前馈补偿,实现快速的状态调节控制。同时,通过跨平台调用的方法将模型、控制计划、控制律和操作界面整合于LabVIEW平台,完成了全数字仿真。(4)搭建了多电航空发动机控制半物理仿真试验台。设计了LabVIEW上位机和接口适配器,并根据上述设计的起动和状态调节协同控制计划进行试验。通过电机功率、转速、扭矩等参数的相似变换,在保证时间不变的基础上,成功模拟了包含协同控制的起动过程和状态调节过程。试验结果表明,多电航空发动机采用起动过程协同控制可以对其起动性能进行优化,采用状态调节协同控制可稳定输出用电功率且减小对发动机状态的影响。
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