发动机控制进展及展望3--超燃冲压发动机燃烧模态控制方法

1、超燃冲压发动机燃烧模态超燃冲压发动机燃烧模态控制方法控制方法哈工大：于达仁哈工大：于达仁 崔涛崔涛 鲍文鲍文 内容提要内容提要 超燃冲压发动机本质控制问题超燃冲压发动机本质控制问题 超燃冲压发动机分布参数控制的适度空间超燃冲压发动机分布参数控制的适度空间维数维数 超燃冲压发动机分布参数控制的合理频带超燃冲压发动机分布参数控制的合理频带 超燃冲压发动机燃烧模态形状控制方法超燃冲压发动机燃烧模态形状控制方法 今后研究的发展方向今后研究的发展方向1 1、超燃冲压发动机本质控制、超燃冲压发动机本质控制问题是分布参数控制问题问题是分布参数控制问题 涡轮发动机、冲压发动机的集中参数控制问题；涡轮发动机、冲

2、压发动机的集中参数控制问题； 超燃冲压发动机的分布参数控制问题。超燃冲压发动机的分布参数控制问题。1.1 涡轮发动机、冲压发涡轮发动机、冲压发动机的集中参数控制问题动机的集中参数控制问题 涡轮发动机的机械转动与气流流动相比具有更大涡轮发动机的机械转动与气流流动相比具有更大的惯性，在进气系统的非稳态过程中起到了主导作用。的惯性，在进气系统的非稳态过程中起到了主导作用。实际的控制系统选取转子的转速（或折合转速）、压实际的控制系统选取转子的转速（或折合转速）、压比等作为特征参数来描述发动机进气系统。比等作为特征参数来描述发动机进气系统。 涡轮发动机采用亚声速燃烧，燃烧效率高，燃烧涡轮发动机采用亚声速

3、燃烧，燃烧效率高，燃烧特性的变化通常用燃油总量来加以区别。这样在涡轮特性的变化通常用燃油总量来加以区别。这样在涡轮发动机的整个工作循环中，模块化的集中参数基本上发动机的整个工作循环中，模块化的集中参数基本上可以近似描述发动机的控制特性。在控制中应用集中可以近似描述发动机的控制特性。在控制中应用集中参数控制方法。参数控制方法。0115233545进气道风扇 高压压气机高压涡轮低压涡轮尾喷管燃烧室界面标号高压转子低压转子1.1 涡轮、冲压发动机的集中参数涡轮、冲压发动机的集中参数控制问题控制问题 冲压发动机热力循环系统的进气压缩采用正激波的气冲压发动机热力循环系统的进气压缩采用正激波的气动增压方式

4、代替涡轮吸气式发动机的机械增压，由于正激动增压方式代替涡轮吸气式发动机的机械增压，由于正激波压缩的主导作用，通常利用正激波的位置与强度来分别波压缩的主导作用，通常利用正激波的位置与强度来分别描述进气道的工作状态（亚临界或超临界）与总压损失。描述进气道的工作状态（亚临界或超临界）与总压损失。 冲压发动机燃烧系统采用单通道、等截面的燃烧室设冲压发动机燃烧系统采用单通道、等截面的燃烧室设计代替涡轮发动机的主燃烧室与加力燃烧室，等截面的设计代替涡轮发动机的主燃烧室与加力燃烧室，等截面的设计方式使得气流的动量在燃烧室段不产生变化（不直接贡计方式使得气流的动量在燃烧室段不产生变化（不直接贡献推力），燃油调

5、节仍属于总量调节。通常使用激波位置、献推力），燃油调节仍属于总量调节。通常使用激波位置、加热比等参数来描述冲压发动机的工作状态，这些参数作加热比等参数来描述冲压发动机的工作状态，这些参数作为被控参数来设计集中参数控制系统。为被控参数来设计集中参数控制系统。1.2 1.2 超燃冲压发动机的分布参数超燃冲压发动机的分布参数控制问题控制问题 超燃冲压发动机最重要的就是超燃冲压发动机最重要的就是超声速燃烧的组超声速燃烧的组织和效率问题织和效率问题，如何才能在有限的能量输入中，如何才能在有限的能量输入中产生更多的推力是根本性的问题产生更多的推力是根本性的问题。1.2 1.2 超燃冲压发动机的分布参数控制

6、问题超燃冲压发动机的分布参数控制问题dxdTTkMdxdAAMMkMdxdMttcc1211121122222ttttTdTkMpdp对于超声速燃烧过程，热压损失显著增大：热压损失：在燃油总量不变的情况下，在空间上合理匹配的释热规律和流场分布可以降低超声速燃烧损失。这与常规的亚燃冲压相比表现出了分布参数特性。1.2 1.2 超燃冲压发动机的分布参数超燃冲压发动机的分布参数控制问题控制问题 在单一来流条件下，燃油释热设计和燃烧室通道在单一来流条件下，燃油释热设计和燃烧室通道截面型线可以较好的匹配。但是超声速燃烧控制截面型线可以较好的匹配。但是超声速燃烧控制还面临着宽马赫数变工况的问题，要实现变工

7、况还面临着宽马赫数变工况的问题，要实现变工况条件下的合理匹配，需要增加新的自由度。条件下的合理匹配，需要增加新的自由度。543210 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0awpp/)(mx需要控制系统实时的协调燃需要控制系统实时的协调燃油释热分布和流动参数在空油释热分布和流动参数在空间上的匹配。间上的匹配。1.2 1.2 超燃冲压发动机的分布参数超燃冲压发动机的分布参数控制问题控制问题 分布参数控制理能够用来解决超燃冲压发动机燃烧控制分布参数控制理能够用来解决超燃冲压发动机燃烧控制系统的设计问题。系统的设计问题。 需要研究依靠气动热力调节来控制发动机参数沿空间的需要研究依靠气动热力调节来

8、控制发动机参数沿空间的分布的理论方法，目标是运用分布参数的理论和方法解分布的理论方法，目标是运用分布参数的理论和方法解决超燃冲压发动机燃烧模态控制的普遍性问题，以期为决超燃冲压发动机燃烧模态控制的普遍性问题，以期为超燃冲压发动机的优化设计和优化运行提供一种新的技超燃冲压发动机的优化设计和优化运行提供一种新的技术途径。术途径。 2、超燃冲压发动机分布参数超燃冲压发动机分布参数控制的适度空间维数控制的适度空间维数 零维？零维？ 一维？一维？ 二、三维？二、三维？2 2、超燃冲压发动机分布、超燃冲压发动机分布参数控制的适度空间维数参数控制的适度空间维数 集中参数控制方法：采用零维模型来描述分布参数对

9、象集中参数控制方法：采用零维模型来描述分布参数对象的控制特性将造成了状态维数的极大提高（相当于必须的控制特性将造成了状态维数的极大提高（相当于必须以足够致密的网格进行离散化近似），技术上难以实现。以足够致密的网格进行离散化近似），技术上难以实现。并且由于引入多个测量反馈量并且由于引入多个测量反馈量( (如壁面压力分布作反馈如壁面压力分布作反馈) )，将导致反馈量大于控制量（有限点喷射燃油）而出现系将导致反馈量大于控制量（有限点喷射燃油）而出现系统不可控的问题。统不可控的问题。 2 2、超燃冲压发动机分布参数、超燃冲压发动机分布参数控制的适度空间维数控制的适度空间维数 二、三维控制：二、三维在发

10、动机设计时一定要考虑。二、三维控制：二、三维在发动机设计时一定要考虑。但是从发动机控制角度考虑，二、三维控制具有较大的但是从发动机控制角度考虑，二、三维控制具有较大的难度和复杂度，这受限于控制理论发展水平、设计实现难度和复杂度，这受限于控制理论发展水平、设计实现技术、检测技术以及数值的实时性等技术、检测技术以及数值的实时性等 。2 2、超燃冲压发动机分布、超燃冲压发动机分布参数控制的适度空间维数参数控制的适度空间维数 一维控制：一维控制： 作为控制问题，如何简化问题同时又能提高作为控制问题，如何简化问题同时又能提高控制性能是最主要的。控制性能是最主要的。一维分布反映了发动机的总体工一维分布反映

11、了发动机的总体工作状态及其总体变化趋势（截面平均参数的误差在作状态及其总体变化趋势（截面平均参数的误差在15%15%以以内）内） ，在施加控制时能够抓住主要矛盾，免受局部枝节，在施加控制时能够抓住主要矛盾，免受局部枝节信息的干扰。同时从控制系统设计的角度，针对一维的信息的干扰。同时从控制系统设计的角度，针对一维的控制技术已取得较大进展，相关的解析与数值方法已能控制技术已取得较大进展，相关的解析与数值方法已能处理部分复杂对象的分布参数控制。处理部分复杂对象的分布参数控制。 在现阶段，一维控制从必要性、复杂度、可行性、成本在现阶段，一维控制从必要性、复杂度、可行性、成本的角度来说是适度的。在理论上

12、，未来可以进一步的探的角度来说是适度的。在理论上，未来可以进一步的探寻控制更高精度的方法。寻控制更高精度的方法。3 3、超燃冲压发动机分布、超燃冲压发动机分布参数控制的合理频带参数控制的合理频带 超燃冲压发动机的动态主要包括激波动态、超燃冲压发动机的动态主要包括激波动态、分离流动态、燃烧动态等。数值计算与试分离流动态、燃烧动态等。数值计算与试验结果给出了超燃冲压发动机主导频带在验结果给出了超燃冲压发动机主导频带在20Hz20Hz以上。以上。sx m m t s s 11011021021031031010010.010-200-400-600Frequency (Hz)Phase(deg)Ma

13、gnitude激波动态燃烧振荡分离流动态执行机构动态 现有的执行机构（燃油供给系统）很难达到这么快的速现有的执行机构（燃油供给系统）很难达到这么快的速度，性能较好的燃油调节阀响应速度在度，性能较好的燃油调节阀响应速度在5Hz5Hz量级。量级。 因此燃油供应系统和阀门的动态便成为了超燃冲压发动因此燃油供应系统和阀门的动态便成为了超燃冲压发动机控制系统的主导动态，而发动机流动和燃烧的高频动机控制系统的主导动态，而发动机流动和燃烧的高频动态过程则因为执行机构带宽的限制而受到大幅衰减，可态过程则因为执行机构带宽的限制而受到大幅衰减，可以被处理为高频未建模动态。以被处理为高频未建模动态。 这样考虑到执行

14、机构的因素，理论上可以对超燃冲压发这样考虑到执行机构的因素，理论上可以对超燃冲压发动机动态特性进行频域截断，把发动机的动态作为控制动机动态特性进行频域截断，把发动机的动态作为控制系统的高频未建模动态，在名义系统中忽略掉，而用鲁系统的高频未建模动态，在名义系统中忽略掉，而用鲁棒的分析和设计方法进行处理，从而把问题转变为控制棒的分析和设计方法进行处理，从而把问题转变为控制发动机的稳态分布上。发动机的稳态分布上。 超燃冲压发动机实际的流动和燃烧反应超燃冲压发动机实际的流动和燃烧反应过程的动态控制机理极具复杂性，而利过程的动态控制机理极具复杂性，而利用控制理论的频域分析与频域截断技术用控制理论的频域分

15、析与频域截断技术可以把复杂的控制问题大大简化，从而可以把复杂的控制问题大大简化，从而获得了解决问题的合理途径，这也是技获得了解决问题的合理途径，这也是技术上实现超燃冲压发动机分布参数控制术上实现超燃冲压发动机分布参数控制的一个重要前提。的一个重要前提。 4 4、燃烧模态形状控制方、燃烧模态形状控制方法的提出法的提出 基于经典的分布参数设计方法设计超燃冲压发动基于经典的分布参数设计方法设计超燃冲压发动机燃烧模态控制系统难度非常大，且应用起来困机燃烧模态控制系统难度非常大，且应用起来困难。此外，基于试验数据的一维模型具有经验性难。此外，基于试验数据的一维模型具有经验性和数据性的特点，难以形成统一的

16、解析表达，因和数据性的特点，难以形成统一的解析表达，因此也造成经典的基于解析模型的分布参数设计方此也造成经典的基于解析模型的分布参数设计方法应用困难。法应用困难。4 4、燃烧模态形状控制方法的、燃烧模态形状控制方法的提出提出 本文借鉴以结构形状优化技术等为基础发展起来本文借鉴以结构形状优化技术等为基础发展起来的形状控制理论，以灵敏度分析、数值优化技术的形状控制理论，以灵敏度分析、数值优化技术为主要手段代替经典分布参数设计所需的严格解为主要手段代替经典分布参数设计所需的严格解析设计，提出了超燃冲压发动机燃烧模态形状控析设计，提出了超燃冲压发动机燃烧模态形状控制的新型控制策略，使得设计方法得以简化

17、，并制的新型控制策略，使得设计方法得以简化，并使得分布参数控制目标的实现具有了可行性。使得分布参数控制目标的实现具有了可行性。4 4、燃烧模态形状控制方、燃烧模态形状控制方法的提出法的提出 形状控制的概念是在上世纪八十年代由形状控制的概念是在上世纪八十年代由HaftkaHaftka, R. T. , R. T. 和和AdelmanAdelman, H. M., H. M. 等人提出来的。形状控制的核心是控等人提出来的。形状控制的核心是控制参数在空间（一维、二维或三维）的分布规律，在满制参数在空间（一维、二维或三维）的分布规律，在满足一定的约束条件下，寻求优化的控制规律，使控制系足一定的约束条件

18、下，寻求优化的控制规律，使控制系统的指标函数（形状函数的泛函）达到极值，从而使被统的指标函数（形状函数的泛函）达到极值，从而使被控系统满足预定的要求。控系统满足预定的要求。 形状控制问题是一类没有显式解的逆问题，与典型的集形状控制问题是一类没有显式解的逆问题，与典型的集中参数（零维）控制不同，它的形状函数为一空间连续中参数（零维）控制不同，它的形状函数为一空间连续（或分段连续）变化的函数，需要有无限个参数才能确（或分段连续）变化的函数，需要有无限个参数才能确定。此时是在函数的无限维空间内研究对象的控制问题，定。此时是在函数的无限维空间内研究对象的控制问题，而不是在有限维设计参数的向量空间。而不

19、是在有限维设计参数的向量空间。4 4、燃烧模态形状控制方、燃烧模态形状控制方法的提出法的提出 形状控制的方法较早应用于太空天线、反射器等系统（形状控制的方法较早应用于太空天线、反射器等系统（Haftka and Haftka and AdelmanAdelman，19851985），），KoconisKoconis等人在等人在19941994年提出了一种解决基于蜂窝年提出了一种解决基于蜂窝结构的复合板和壳的解析方法，并找到了相应于零倾角变量的最优结构的复合板和壳的解析方法，并找到了相应于零倾角变量的最优方法。方法。HsuHsu等人在等人在19971997年对复合板采用了有限元法，并采用梯度投影

20、年对复合板采用了有限元法，并采用梯度投影法找到了搜寻方向。法找到了搜寻方向。ChandrashekharaChandrashekhara和和VaradarajanVaradarajan在在19971997年采用年采用ReddyReddy的三级位移理论给出了复合梁的形状控制的迭代方法，而的三级位移理论给出了复合梁的形状控制的迭代方法，而VaradarajanVaradarajan等人在等人在19981998年对复合板采用一级壳位移理论给出了迭代年对复合板采用一级壳位移理论给出了迭代方法，除了减小误差函数，他们还考虑了闭环控制，位移作为反馈方法，除了减小误差函数，他们还考虑了闭环控制，位移作为反馈

21、量来决定输入电压。量来决定输入电压。BalakrishnanBalakrishnan、TanTan和和BainumBainum在在19941994年采用线性年采用线性二 次 高 斯 最 优 控 制 方 法 得 到 了 智 能 结 构 的 形 状 控 制 方 法 。二 次 高 斯 最 优 控 制 方 法 得 到 了 智 能 结 构 的 形 状 控 制 方 法 。Sobieszczanski-SobieskiSobieszczanski-Sobieski和和HaftkaHaftka主导了主导了气动形状控制的研究，气动形状控制的研究，研研究结合形状优化技术和究结合形状优化技术和CFDCFD技术，进行

22、了进气道结构设计、技术，进行了进气道结构设计、翼型型面翼型型面设计、风洞壁面设计、轴对称尾喷管设计等设计、风洞壁面设计、轴对称尾喷管设计等。另外在。另外在压电智能结构压电智能结构的控制的控制 、热防护的温度场控制、热防护的温度场控制6060等方面也有大量的文献发表。等方面也有大量的文献发表。 5 5、燃烧模态形状控制方、燃烧模态形状控制方法法 控制指标；控制指标； 控制模型；控制模型； 灵敏度分析；灵敏度分析； 控制算法。控制算法。5.1 5.1 控制指标控制指标dxxMxMJxxtbb221)(),(21)(M Mt t(x(x) )为目标燃烧模态，为目标燃烧模态，T Tb b为控为控制量。

23、制量。 5.2 5.2 问题的描述问题的描述 超燃冲压发动机燃烧模态与模态转换形状控制问超燃冲压发动机燃烧模态与模态转换形状控制问题是一类逆问题，即寻找一个最佳的控制量题是一类逆问题，即寻找一个最佳的控制量T Tb b* *，使得系统的泛函指标使得系统的泛函指标 达到极小值。描述为达到极小值。描述为： 21*)(),(21)()(niitbibbxMxMJJ5.3 5.3 控制模型控制模型 选取经典的一维稳态模型作为控制模型，来初步选取经典的一维稳态模型作为控制模型，来初步验证超燃冲压发动机燃烧模态形状控制的设计思验证超燃冲压发动机燃烧模态形状控制的设计思想。想。 5.4 5.4 灵敏度分析灵

24、敏度分析 形状控制必须进行灵敏度分析，以便给出形状变形状控制必须进行灵敏度分析，以便给出形状变化的趋势。化的趋势。灵敏度函数反映了控制量与系统状态灵敏度函数反映了控制量与系统状态间的内在联系：实时的根据燃烧模态的形状信息间的内在联系：实时的根据燃烧模态的形状信息修正自己，并实时的反作用于燃烧模态上，给出修正自己，并实时的反作用于燃烧模态上，给出其变化趋势。其变化趋势。5.5 5.5 控制算法控制算法 形状控制问题为形状控制问题为非线性最小二乘问题，较为经典的是非线性最小二乘问题，较为经典的是Gauss-Newton法。该方法利用泰勒级数展开的线性项来法。该方法利用泰勒级数展开的线性项来近似非线

25、性模型，然后用线性最小二乘法来估计参数，近似非线性模型，然后用线性最小二乘法来估计参数，再通过最优迭代得到非线性回归问题的最优解。再通过最优迭代得到非线性回归问题的最优解。 5.6 5.6 基本框架基本框架 超燃冲压发动机燃烧模态形状控制系统主要包超燃冲压发动机燃烧模态形状控制系统主要包括采样器、数字控制器、零阶保持器、执行机括采样器、数字控制器、零阶保持器、执行机构、控制对象（燃烧模态）、灵敏度分析等几构、控制对象（燃烧模态）、灵敏度分析等几个部分。个部分。+-CombustionModeSensitivityAnalysisD(z)TargetShapeSamplingSwitchDigitalControllerZero-OrderHoldMt(x)M(x)S(x)sLs+11-e-Ts1ActuatorTTTScramjet5.7 5.7 仿真结果仿真结果