一种变循环发动机最低油耗控制优化方法技术

本发明专利技术提出一种变循环发动机最低油耗控制优化方法，根据变循环发动机的特点，对序列二次规划算法进行了改进，通过设计一个新的Armijio型曲线搜索和构造新的修正方向，弥补了传统强次可行序列二次规划方法中的缺陷，构造新的修正方向能够克服Marotos效应，保证快速收敛到最优解。将改进序列二次规划算法用于最低油耗龙之寻优，输出最优控制变量给变循环发动机。本发明专利技术可以在保证变循环发动机安全工作的前提下，实现变循环发动机推力保持不变并降低耗油率，提高飞机的飞行距离。提高飞机的飞行距离。提高飞机的飞行距离。

【技术实现步骤摘要】
一种变循环发动机最低油耗控制优化方法


[0001]本专利技术涉及变循环发动机控制
，尤其涉及一种变循环发动机最低油耗控制优化方法。

技术介绍

[0002]现代战争要求先进战斗机具备长航程亚声速巡航的能力，同时在作战时又要具备快速反应能力，未来航空变循环发动机将向长巡航里程、高推重比、宽工作范围三个方向不断发展。通过研究常规变循环发动机速度特性，研究者发现超声速状态下涡喷发动机具有较高的单位推力和较低的单位燃油消耗率而亚声速状态下大涵道比涡扇变循环发动机具有较低的单位燃油消耗率。考虑现代战争对战斗机推进系统的性能要求，涡扇变循环发动机更加适合亚声速飞行，而涡喷发动机更适合超声速飞行。因此，便有了性能更好的变循环发动机。在变循环发动机不同的工作状态下，通过采用调节特征部件的几何形状、物理位置或尺寸大小等不同的技术手段，将涡扇和涡喷两种不同的航空发动机的性能优势集中一体，从而保证变循环发动机在亚声速巡航状态下以涡扇变循环发动机类似构型工作，从而获得较高的经济性，在超声速作战状态下以涡喷变循环发动机类似构型工作，从而获得持续可靠的高单位推力，达到了将涡扇、涡喷变循环发动机的性能优势融为一体的目的，使变循环发动机在变循环发动机工作全过程中均具有优良的性能。
[0003]变循环发动机是飞机的心脏，是衡量一个国家航空事业发展水平的重要指标之一，因此对强化动力系统的研究对提升国家航空技术整体水平具有重要意义。由于变循环发动机的工作过程复杂多变，且具有强非线性、多控制变量、时变、复杂的结构特点，因此，对变循环发动机控制问题的研究比一般控制系统更为困难。
[0004]目前变循环发动机控制的特点向精细化、模块化、综合化发展，现在的变循环发动机控制已经不是控制模块基础上的简单综合，而是更加强调控制系统结构与功能的优化与提升。提高变循环发动机性能的一个主要途径是变循环发动机性能寻优控制。变循环发动机性能寻优控制是指为了使变循环发动机的性能指标达到最优，更进一步挖掘变循环发动机的性能潜力，在变循环发动机安全工作的前提下，在控制硬件可承受的范围内，对现有或新型变循环发动机的性能进行优化。因此，提升我国变循环发动机整体性能水平以及掌握世界先进变循环发动机控制技术的关键在于研究先进的变循环发动机性能寻优控制模式和控制方法。
[0005]同时，制空权在现代战争中扮演着至关重要的角色，掌握制空权就把握住了战争胜负的关键。随着科技的高速发展，现代空战对战斗机提出了更高的要求，这些要求主要体现在飞行包线的更加宽广、作战半径的扩大、机动性及灵活性的提高、推重比的增加、油耗的降低、短距离的起动、可靠性和可操作性的提升等方面。变循环发动机的最低油耗控制模式的目的是在保证变循环发动机安全工作的前提下，保证变循环发动机推力不变，降低变循环发动机的耗油率，提高飞机的作战半径。
[0006]国内外在变循环发动机最低油耗寻优控制的研究虽然取得了一定成果，但也存在
许多尚未解决的技术难题或待改进之处。难点在于寻找既有较强的全局收敛能力，又能较快收敛的优化算法。比如，序列二次规划算法具有超线性收敛速度，迭代次数少，但是基本序列二次规划算法对初值敏感，易陷入局部最优解，不适宜应用于复杂的变循环发动机性能寻优中。

技术实现思路

[0007]为解决现有技术存在的问题，本专利技术提出一种变循环发动机最低油耗控制优化方法，对序列二次规划法进行改进，并将改进的序列二次规划算法应用于变循环发动机最低油耗寻优控制模式中，在保证变循环发动机安全工作的前提下，保证变循环发动机推力不变，降低变循环发动机的耗油率，提高飞机的飞行距离。
[0008]本专利技术的技术方案为：
[0009]首先建立变循环发动机的非线性数学模型，然后以改进序列二次规划算法来进行发动机最低油耗寻优控制，以实现变循环航空发动机在保持推力不变的情况下耗油率最低。
[0010]所述一种变循环发动机最低油耗控制优化方法，其特征在于：第一步建立变循环发动机的非线性数学模型；第二步确定最低油耗控制模式的目标函数和约束函数；第三步以改进序列二次规划算法优化计算；第四步输出最优控制变量给变循环发动机。
[0011]所述改进序列二次规划算法是一种新的强次可行序列二次规划算法，该改进算法通过设计一个新的Armijio型曲线搜索和构造新的修正方向，弥补了传统强次可行序列二次规划方法中的缺陷。构造新的修正方向能够克服Marotos效应，保证快速收敛到最优解。
[0012]所述变循环发动机的非线性数学模型为
[0013]y＝f(x)
[0014]其中x＝[msv,W
f
,A9,dvgl,dvgh]T
∈R4为控制输入向量,包括模式选择活门MSV打开程度msv，调节主燃油流量W
f
、尾喷管面积A9、风扇导叶角度dvgl和压气机导叶角度dvgh，y＝[sfc F]T
∈R2为输出向量，包括燃油消耗率sfc和变循环发动机推力F，f(
·
)为产生系统输出的非线性向量函数。
[0015]所述最低油耗控制模式为在保证变循环发动机安全工作的前提下，保证变循环发动机推力不变，降低变循环发动机的耗油率，其数学描述如下：
[0016]性能指标：
[0017]约束条件：g
imin
≤g
i
(x)≤g
imax
,i＝1,2,
…
[0018]其中，g
i
(x)为约束条件，包括涡轮前温度不超温、高压压气机不喘振、高压转子不超转、风扇不超转、燃烧室不富油熄火、主燃烧室供油量不超过其最大供油量、喷管喉部面积不小于其最小面积等等，g
imin
，g
imax
分别为约束条件的下限值，上限值。
[0019]即对于最低油耗控制模式需要求解如下非线性约束问题：
[0020][0021]其中控制变量x＝[msv,W
f
,A9,dvgl,dvgh]T
，以上各个变量均在相应的变化范围之内取初值。
[0022]所述改进序列二次规划算法的算法流程为
[0023](1)初始化。设置参数κ∈(2,3)，α∈(0,0.5)，β∈(0,1)，ρ∈(1,2)，0＜τ＜δ＜1；选取初始值x0∈R
n
，对称正定矩阵B0∈R
n
×
n
，并令k:＝0。
[0024](2)求解二次规划。计算求解子问题
[0025][0026][0027][0028]得到一个(唯一)解和相应的KKT乘子向量如果则x
k
是问题
[0029]min f(x)
[0030]s.t.g
j
(x)≤0,j∈I＝{1,2,
…
,m},
[0031]的一个KKT点，终止；否则，转(3)。
[0032](3)计算搜索方向。通过求改进方向d
k
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种变循环发动机最低油耗控制优化方法，其特征在于：第一步建立变循环发动机的非线性数学模型；第二步确定最低油耗控制模式的目标函数和约束函数；第三步以改进序列二次规划算法优化计算；第四步输出最优控制变量给航空发动机。所述一种变循环发动机最低油耗控制优化方法，其特征在于：所述改进序列二次规划算法是一种新的强次可行序列二次规划算法，该改进算法通过设计一个新的Armijio型曲线搜索和构造新的修正方向，弥补了传统强次可行序列二次规划方法中的缺陷。构造新的修正方向能够克服Marotos效应，保证快速收敛到最优解。2.根据权利要求1所述的一种变循环发动机最低油耗控制优化方法，其特征在于：所述变循环发动机的非线性数学模型为y＝f(x)其中为控制输入向量,包括模式选择活门MSV打开程度msv，调节主燃油流量W
f
、尾喷管面积A9、风扇导叶角度dvgl和压气机导叶角度dvgh，为输出向量，包括燃油消耗率sfc和变循环发动机推力F，f(
·
)为产生系统输出的非线性向量函数。3.根据权利要求1所述的一种变循环发动机最低油耗控制优化方法，其特征在于：所述的最低油耗控制模式为在保证发动机安全工作的前提下，保证发动机推力不变，降低发动机的耗油率，其数学描述如下：性能指标：约束条件：g
imin
≤g
i
(x)≤g
imax
,i＝1,2,...其中，g
i
(x)为约束条件，包括涡轮前温度不超温、高压压气机不喘振、高压转子不超转、风扇不超转、燃烧室不富油熄火、主燃烧室供油量不超过其最大供油量、喷管喉部面积不小于其最小面积等等，g
im...

【专利技术属性】
技术研发人员：缑林峰，孙楚佳，赵东柱，吴贞，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：