航空发动机非线性参数估计方法研究

论文摘要

直接推力控制因能减少发动机的设计裕度,挖掘发动机的性能潜力而成为发动机控制领域的研究热点,实现直接推力控制必须要有推力信息;此外,喘振裕度是飞机安全飞行的重要参数,但是推力和喘振裕度等参数在飞机的飞行过程中无法直接测量。本文针对这个问题,提出设计参数估计器和解发动机非线性方程两种方法,以便对推力和喘振裕度等参数进行最优估计。一种方法设计了常值增益扩展卡尔曼滤波器（CGEKF）。该CGEKF由在线发动机模型和一个常值卡尔曼增益阵组成,通过估计发动机部件效率和流量（健康参数）的变化,间接估计发动机性能参数的变化。传感器数量的限制和卡尔曼滤波技术的收敛条件,使得只能估计其中一部分健康参数的变化。这样一来,那些被估计的健康参数就不仅仅代表它本身的变化,而且附加上未被估计的那些健康参数的变化,成为一种调节参数。当实际发动机蜕化或发生异常时,它们就为发动机模型能自适应跟踪上这些变化起到一种调节作用。模拟包线内不同点和发动机部件不同蜕化程度组合的仿真环境,对所设计的滤波器进行仿真分析,结果说明滤波器估计性能良好,能满足研究的需要。另一种方法通过深入了解发动机部件级模型的建模机理和共同工作点的求解程序,把问题归结为求解以发动机健康参数变化量为自变量的非线性方程组。根据传感器可测参数个数是大于、等于还是小于待估计的健康参数个数,将求解方法相应分为三类:若等于,则根据发动机气路分析程序的特点,将非线性方程组的求解问题并入发动机共同工作点的求解问题,用N+1残量法求解;若大于,则将方程组求解问题转化为带约束的非线性优化问题,用模型辅助模式搜索方法求解得到待估计的参数值;若小于,则根据发动机部件健康参数变化量之间的内在联系,将问题转化为以上任意一种情况求解。所作的算例分析,证明了这些方法的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 卡尔曼滤波技术
• 1.4 模型辅助模式搜索方法（MAPS）
• 1.5 本文内容安排
• 第二章 发动机模型
• 2.1 发动机非线性模型简介
• 2.2 发动机状态变量模型的建立
• 2.2.1 状态变量模型的形式
• 2.2.2 参数归一化处理
• 2.2.3 求取动态系数矩阵
• 2.2.4 状态变量模型的精度校验
• 2.3 小结
• 第三章 非线性发动机参数估计器
• 3.1 引言
• 3.2 卡尔曼滤波算法
• 3.2.1 卡尔曼滤波计算公式
• 3.2.2 常值增益卡尔曼滤波算法
• 3.3 卡尔曼滤波估计器设计
• 3.3.1 滤波估计器数学模型
• 3.3.2 滤波估计器结构
• 3.4 关于滤波器一些参数的讨论
• 3.4.1 健康参数
• 3.4.2 滤波器输入参数
• 3.5 小结
• 第四章 滤波器估计结果分析
• 4.1 仿真条件和滤波估计结果
• 4.2 不同飞行条件和蜕化模式下滤波结果分析
• 4.3 Q、R 阵的选择
• 4.4 滤波发散现象
• 4.5 小结
• 第五章 非线性方程组与参数估计
• 5.1 非线性参数估计原理
• 5.2 非线性参数估计的求解方法
• 5.2.1 方程个数等于变量个数,即M=N 的情况
• 5.2.2 方程个数大于变量个数,即M
• N 的情况'>5.2.3 方程个数小于变量个数,即M>N 的情况
• 5.3 小结
• 第六章 总结和展望
• 参考文献
• 附录 均匀设计表及其使用表
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文