1、超燃沖壓發動機燃燒模態超燃沖壓發動機燃燒模態控制方法控制方法哈工大：于達仁哈工大：于達仁 崔濤崔濤 鮑文鮑文 內容提要內容提要 超燃沖壓發動機本質控制問題超燃沖壓發動機本質控制問題 超燃沖壓發動機分布參數控制的適度空間超燃沖壓發動機分布參數控制的適度空間維數維數 超燃沖壓發動機分布參數控制的合理頻帶超燃沖壓發動機分布參數控制的合理頻帶 超燃沖壓發動機燃燒模態形狀控制方法超燃沖壓發動機燃燒模態形狀控制方法 今后研究的發展方向今后研究的發展方向1 1、超燃沖壓發動機本質控制、超燃沖壓發動機本質控制問題是分布參數控制問題問題是分布參數控制問題 渦輪發動機、沖壓發動機的集中參數控制問題；渦輪發動機、沖

2、壓發動機的集中參數控制問題； 超燃沖壓發動機的分布參數控制問題。超燃沖壓發動機的分布參數控制問題。1.1 渦輪發動機、沖壓發渦輪發動機、沖壓發動機的集中參數控制問題動機的集中參數控制問題 渦輪發動機的機械轉動與氣流流動相比具有更大渦輪發動機的機械轉動與氣流流動相比具有更大的慣性，在進氣系統的非穩態過程中起到了主導作用。的慣性，在進氣系統的非穩態過程中起到了主導作用。實際的控制系統選取轉子的轉速（或折合轉速）、壓實際的控制系統選取轉子的轉速（或折合轉速）、壓比等作為特征參數來描述發動機進氣系統。比等作為特征參數來描述發動機進氣系統。 渦輪發動機采用亞聲速燃燒，燃燒效率高，燃燒渦輪發動機采用亞聲速

3、燃燒，燃燒效率高，燃燒特性的變化通常用燃油總量來加以區別。這樣在渦輪特性的變化通常用燃油總量來加以區別。這樣在渦輪發動機的整個工作循環中，模塊化的集中參數基本上發動機的整個工作循環中，模塊化的集中參數基本上可以近似描述發動機的控制特性。在控制中應用集中可以近似描述發動機的控制特性。在控制中應用集中參數控制方法。參數控制方法。0115233545進氣道風扇 高壓壓氣機高壓渦輪低壓渦輪尾噴管燃燒室界面標號高壓轉子低壓轉子1.1 渦輪、沖壓發動機的集中參數渦輪、沖壓發動機的集中參數控制問題控制問題 沖壓發動機熱力循環系統的進氣壓縮采用正激波的氣沖壓發動機熱力循環系統的進氣壓縮采用正激波的氣動增壓方式

4、代替渦輪吸氣式發動機的機械增壓，由于正激動增壓方式代替渦輪吸氣式發動機的機械增壓，由于正激波壓縮的主導作用，通常利用正激波的位置與強度來分別波壓縮的主導作用，通常利用正激波的位置與強度來分別描述進氣道的工作狀態（亞臨界或超臨界）與總壓損失。描述進氣道的工作狀態（亞臨界或超臨界）與總壓損失。 沖壓發動機燃燒系統采用單通道、等截面的燃燒室設沖壓發動機燃燒系統采用單通道、等截面的燃燒室設計代替渦輪發動機的主燃燒室與加力燃燒室，等截面的設計代替渦輪發動機的主燃燒室與加力燃燒室，等截面的設計方式使得氣流的動量在燃燒室段不產生變化（不直接貢計方式使得氣流的動量在燃燒室段不產生變化（不直接貢獻推力），燃油調

5、節仍屬于總量調節。通常使用激波位置、獻推力），燃油調節仍屬于總量調節。通常使用激波位置、加熱比等參數來描述沖壓發動機的工作狀態，這些參數作加熱比等參數來描述沖壓發動機的工作狀態，這些參數作為被控參數來設計集中參數控制系統。為被控參數來設計集中參數控制系統。1.2 1.2 超燃沖壓發動機的分布參數超燃沖壓發動機的分布參數控制問題控制問題 超燃沖壓發動機最重要的就是超燃沖壓發動機最重要的就是超聲速燃燒的組超聲速燃燒的組織和效率問題織和效率問題，如何才能在有限的能量輸入中，如何才能在有限的能量輸入中產生更多的推力是根本性的問題產生更多的推力是根本性的問題。1.2 1.2 超燃沖壓發動機的分布參數控制

6、問題超燃沖壓發動機的分布參數控制問題dxdTTkMdxdAAMMkMdxdMttcc1211121122222ttttTdTkMpdp對于超聲速燃燒過程，熱壓損失顯著增大：熱壓損失：在燃油總量不變的情況下，在空間上合理匹配的釋熱規律和流場分布可以降低超聲速燃燒損失。這與常規的亞燃沖壓相比表現出了分布參數特性。1.2 1.2 超燃沖壓發動機的分布參數超燃沖壓發動機的分布參數控制問題控制問題 在單一來流條件下，燃油釋熱設計和燃燒室通道在單一來流條件下，燃油釋熱設計和燃燒室通道截面型線可以較好的匹配。但是超聲速燃燒控制截面型線可以較好的匹配。但是超聲速燃燒控制還面臨著寬馬赫數變工況的問題，要實現變工

7、況還面臨著寬馬赫數變工況的問題，要實現變工況條件下的合理匹配，需要增加新的自由度。條件下的合理匹配，需要增加新的自由度。543210 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0awpp/)(mx需要控制系統實時的協調燃需要控制系統實時的協調燃油釋熱分布和流動參數在空油釋熱分布和流動參數在空間上的匹配。間上的匹配。1.2 1.2 超燃沖壓發動機的分布參數超燃沖壓發動機的分布參數控制問題控制問題 分布參數控制理能夠用來解決超燃沖壓發動機燃燒控制分布參數控制理能夠用來解決超燃沖壓發動機燃燒控制系統的設計問題。系統的設計問題。 需要研究依靠氣動熱力調節來控制發動機參數沿空間的需要研究依靠氣動熱力調節來

8、控制發動機參數沿空間的分布的理論方法，目標是運用分布參數的理論和方法解分布的理論方法，目標是運用分布參數的理論和方法解決超燃沖壓發動機燃燒模態控制的普遍性問題，以期為決超燃沖壓發動機燃燒模態控制的普遍性問題，以期為超燃沖壓發動機的優化設計和優化運行提供一種新的技超燃沖壓發動機的優化設計和優化運行提供一種新的技術途徑。術途徑。 2、超燃沖壓發動機分布參數超燃沖壓發動機分布參數控制的適度空間維數控制的適度空間維數 零維？零維？ 一維？一維？ 二、三維？二、三維？2 2、超燃沖壓發動機分布、超燃沖壓發動機分布參數控制的適度空間維數參數控制的適度空間維數 集中參數控制方法：采用零維模型來描述分布參數對

9、象集中參數控制方法：采用零維模型來描述分布參數對象的控制特性將造成了狀態維數的極大提高（相當于必須的控制特性將造成了狀態維數的極大提高（相當于必須以足夠致密的網格進行離散化近似），技術上難以實現。以足夠致密的網格進行離散化近似），技術上難以實現。并且由于引入多個測量反饋量并且由于引入多個測量反饋量( (如壁面壓力分布作反饋如壁面壓力分布作反饋) )，將導致反饋量大于控制量（有限點噴射燃油）而出現系將導致反饋量大于控制量（有限點噴射燃油）而出現系統不可控的問題。統不可控的問題。 2 2、超燃沖壓發動機分布參數、超燃沖壓發動機分布參數控制的適度空間維數控制的適度空間維數 二、三維控制：二、三維在發

10、動機設計時一定要考慮。二、三維控制：二、三維在發動機設計時一定要考慮。但是從發動機控制角度考慮，二、三維控制具有較大的但是從發動機控制角度考慮，二、三維控制具有較大的難度和復雜度，這受限于控制理論發展水平、設計實現難度和復雜度，這受限于控制理論發展水平、設計實現技術、檢測技術以及數值的實時性等技術、檢測技術以及數值的實時性等 。2 2、超燃沖壓發動機分布、超燃沖壓發動機分布參數控制的適度空間維數參數控制的適度空間維數 一維控制：一維控制： 作為控制問題，如何簡化問題同時又能提高作為控制問題，如何簡化問題同時又能提高控制性能是最主要的。控制性能是最主要的。一維分布反映了發動機的總體工一維分布反映

11、了發動機的總體工作狀態及其總體變化趨勢（截面平均參數的誤差在作狀態及其總體變化趨勢（截面平均參數的誤差在15%15%以以內）內） ，在施加控制時能夠抓住主要矛盾，免受局部枝節，在施加控制時能夠抓住主要矛盾，免受局部枝節信息的干擾。同時從控制系統設計的角度，針對一維的信息的干擾。同時從控制系統設計的角度，針對一維的控制技術已取得較大進展，相關的解析與數值方法已能控制技術已取得較大進展，相關的解析與數值方法已能處理部分復雜對象的分布參數控制。處理部分復雜對象的分布參數控制。 在現階段，一維控制從必要性、復雜度、可行性、成本在現階段，一維控制從必要性、復雜度、可行性、成本的角度來說是適度的。在理論上

12、，未來可以進一步的探的角度來說是適度的。在理論上，未來可以進一步的探尋控制更高精度的方法。尋控制更高精度的方法。3 3、超燃沖壓發動機分布、超燃沖壓發動機分布參數控制的合理頻帶參數控制的合理頻帶 超燃沖壓發動機的動態主要包括激波動態、超燃沖壓發動機的動態主要包括激波動態、分離流動態、燃燒動態等。數值計算與試分離流動態、燃燒動態等。數值計算與試驗結果給出了超燃沖壓發動機主導頻帶在驗結果給出了超燃沖壓發動機主導頻帶在20Hz20Hz以上。以上。sx m m t s s 11011021021031031010010.010-200-400-600Frequency (Hz)Phase(deg)Ma

13、gnitude激波動態燃燒振蕩分離流動態執行機構動態 現有的執行機構（燃油供給系統）很難達到這么快的速現有的執行機構（燃油供給系統）很難達到這么快的速度，性能較好的燃油調節閥響應速度在度，性能較好的燃油調節閥響應速度在5Hz5Hz量級。量級。 因此燃油供應系統和閥門的動態便成為了超燃沖壓發動因此燃油供應系統和閥門的動態便成為了超燃沖壓發動機控制系統的主導動態，而發動機流動和燃燒的高頻動機控制系統的主導動態，而發動機流動和燃燒的高頻動態過程則因為執行機構帶寬的限制而受到大幅衰減，可態過程則因為執行機構帶寬的限制而受到大幅衰減，可以被處理為高頻未建模動態。以被處理為高頻未建模動態。 這樣考慮到執行

14、機構的因素，理論上可以對超燃沖壓發這樣考慮到執行機構的因素，理論上可以對超燃沖壓發動機動態特性進行頻域截斷，把發動機的動態作為控制動機動態特性進行頻域截斷，把發動機的動態作為控制系統的高頻未建模動態，在名義系統中忽略掉，而用魯系統的高頻未建模動態，在名義系統中忽略掉，而用魯棒的分析和設計方法進行處理，從而把問題轉變為控制棒的分析和設計方法進行處理，從而把問題轉變為控制發動機的穩態分布上。發動機的穩態分布上。 超燃沖壓發動機實際的流動和燃燒反應超燃沖壓發動機實際的流動和燃燒反應過程的動態控制機理極具復雜性，而利過程的動態控制機理極具復雜性，而利用控制理論的頻域分析與頻域截斷技術用控制理論的頻域分

15、析與頻域截斷技術可以把復雜的控制問題大大簡化，從而可以把復雜的控制問題大大簡化，從而獲得了解決問題的合理途徑，這也是技獲得了解決問題的合理途徑，這也是技術上實現超燃沖壓發動機分布參數控制術上實現超燃沖壓發動機分布參數控制的一個重要前提。的一個重要前提。 4 4、燃燒模態形狀控制方、燃燒模態形狀控制方法的提出法的提出 基于經典的分布參數設計方法設計超燃沖壓發動基于經典的分布參數設計方法設計超燃沖壓發動機燃燒模態控制系統難度非常大，且應用起來困機燃燒模態控制系統難度非常大，且應用起來困難。此外，基于試驗數據的一維模型具有經驗性難。此外，基于試驗數據的一維模型具有經驗性和數據性的特點，難以形成統一的

16、解析表達，因和數據性的特點，難以形成統一的解析表達，因此也造成經典的基于解析模型的分布參數設計方此也造成經典的基于解析模型的分布參數設計方法應用困難。法應用困難。4 4、燃燒模態形狀控制方法的、燃燒模態形狀控制方法的提出提出 本文借鑒以結構形狀優化技術等為基礎發展起來本文借鑒以結構形狀優化技術等為基礎發展起來的形狀控制理論，以靈敏度分析、數值優化技術的形狀控制理論，以靈敏度分析、數值優化技術為主要手段代替經典分布參數設計所需的嚴格解為主要手段代替經典分布參數設計所需的嚴格解析設計，提出了超燃沖壓發動機燃燒模態形狀控析設計，提出了超燃沖壓發動機燃燒模態形狀控制的新型控制策略，使得設計方法得以簡化

17、，并制的新型控制策略，使得設計方法得以簡化，并使得分布參數控制目標的實現具有了可行性。使得分布參數控制目標的實現具有了可行性。4 4、燃燒模態形狀控制方、燃燒模態形狀控制方法的提出法的提出 形狀控制的概念是在上世紀八十年代由形狀控制的概念是在上世紀八十年代由Haftka, R. T. Haftka, R. T. 和和Adelman, H. M.Adelman, H. M. 等人提出來的。形狀控制的核心是控等人提出來的。形狀控制的核心是控制參數在空間（一維、二維或三維）的分布規律，在滿制參數在空間（一維、二維或三維）的分布規律，在滿足一定的約束條件下，尋求優化的控制規律，使控制系足一定的約束條件

18、下，尋求優化的控制規律，使控制系統的指標函數（形狀函數的泛函）達到極值，從而使被統的指標函數（形狀函數的泛函）達到極值，從而使被控系統滿足預定的要求。控系統滿足預定的要求。 形狀控制問題是一類沒有顯式解的逆問題，與典型的集形狀控制問題是一類沒有顯式解的逆問題，與典型的集中參數（零維）控制不同，它的形狀函數為一空間連續中參數（零維）控制不同，它的形狀函數為一空間連續（或分段連續）變化的函數，需要有無限個參數才能確（或分段連續）變化的函數，需要有無限個參數才能確定。此時是在函數的無限維空間內研究對象的控制問題，定。此時是在函數的無限維空間內研究對象的控制問題，而不是在有限維設計參數的向量空間。而不

19、是在有限維設計參數的向量空間。4 4、燃燒模態形狀控制方、燃燒模態形狀控制方法的提出法的提出 形狀控制的方法較早應用于太空天線、反射器等系統（形狀控制的方法較早應用于太空天線、反射器等系統（Haftka and Haftka and AdelmanAdelman，19851985），），KoconisKoconis等人在等人在19941994年提出了一種解決基于蜂窩年提出了一種解決基于蜂窩結構的復合板和殼的解析方法，并找到了相應于零傾角變量的最優結構的復合板和殼的解析方法，并找到了相應于零傾角變量的最優方法。方法。HsuHsu等人在等人在19971997年對復合板采用了有限元法，并采用梯度投影

20、年對復合板采用了有限元法，并采用梯度投影法找到了搜尋方向。法找到了搜尋方向。ChandrashekharaChandrashekhara和和VaradarajanVaradarajan在在19971997年采用年采用ReddyReddy的三級位移理論給出了復合梁的形狀控制的迭代方法，而的三級位移理論給出了復合梁的形狀控制的迭代方法，而VaradarajanVaradarajan等人在等人在19981998年對復合板采用一級殼位移理論給出了迭代年對復合板采用一級殼位移理論給出了迭代方法，除了減小誤差函數，他們還考慮了閉環控制，位移作為反饋方法，除了減小誤差函數，他們還考慮了閉環控制，位移作為反饋

21、量來決定輸入電壓。量來決定輸入電壓。BalakrishnanBalakrishnan、TanTan和和BainumBainum在在19941994年采用線性年采用線性二 次 高 斯 最 優 控 制 方 法 得 到 了 智 能 結 構 的 形 狀 控 制 方 法 。二 次 高 斯 最 優 控 制 方 法 得 到 了 智 能 結 構 的 形 狀 控 制 方 法 。Sobieszczanski-SobieskiSobieszczanski-Sobieski和和HaftkaHaftka主導了氣動形狀控制的研究，研主導了氣動形狀控制的研究，研究結合形狀優化技術和究結合形狀優化技術和CFDCFD技術，進行

22、了進氣道結構設計、翼型型面技術，進行了進氣道結構設計、翼型型面設計、風洞壁面設計、軸對稱尾噴管設計等。另外在壓電智能結構設計、風洞壁面設計、軸對稱尾噴管設計等。另外在壓電智能結構的控制的控制 、熱防護的溫度場控制、熱防護的溫度場控制6060等方面也有大量的文獻發表。等方面也有大量的文獻發表。 5 5、燃燒模態形狀控制方、燃燒模態形狀控制方法法 控制指標；控制指標； 控制模型；控制模型； 靈敏度分析；靈敏度分析； 控制算法。控制算法。5.1 5.1 控制指標控制指標dxxMxMJxxtbb221)(),(21)(M Mt t(x)(x)為目標燃燒模態，為目標燃燒模態，T Tb b為控為控制量。制

23、量。 5.2 5.2 問題的描述問題的描述 超燃沖壓發動機燃燒模態與模態轉換形狀控制問超燃沖壓發動機燃燒模態與模態轉換形狀控制問題是一類逆問題，即尋找一個最佳的控制量題是一類逆問題，即尋找一個最佳的控制量T Tb b* *，使得系統的泛函指標使得系統的泛函指標 達到極小值。描述為達到極小值。描述為： 21*)(),(21)()(niitbibbxMxMJJ5.3 5.3 控制模型控制模型 選取經典的一維穩態模型作為控制模型，來初步選取經典的一維穩態模型作為控制模型，來初步驗證超燃沖壓發動機燃燒模態形狀控制的設計思驗證超燃沖壓發動機燃燒模態形狀控制的設計思想。想。 5.4 5.4 靈敏度分析靈敏

24、度分析 形狀控制必須進行靈敏度分析，以便給出形狀變形狀控制必須進行靈敏度分析，以便給出形狀變化的趨勢。化的趨勢。靈敏度函數反映了控制量與系統狀態靈敏度函數反映了控制量與系統狀態間的內在聯系：實時的根據燃燒模態的形狀信息間的內在聯系：實時的根據燃燒模態的形狀信息修正自己，并實時的反作用于燃燒模態上，給出修正自己，并實時的反作用于燃燒模態上，給出其變化趨勢。其變化趨勢。5.5 5.5 控制算法控制算法 形狀控制問題為形狀控制問題為非線性最小二乘問題，較為經典的是非線性最小二乘問題，較為經典的是Gauss-Newton法。該方法利用泰勒級數展開的線性項來法。該方法利用泰勒級數展開的線性項來近似非線性

25、模型，然后用線性最小二乘法來估計參數，近似非線性模型，然后用線性最小二乘法來估計參數，再通過最優迭代得到非線性回歸問題的最優解。再通過最優迭代得到非線性回歸問題的最優解。 5.6 5.6 基本框架基本框架 超燃沖壓發動機燃燒模態形狀控制系統主要包超燃沖壓發動機燃燒模態形狀控制系統主要包括采樣器、數字控制器、零階保持器、執行機括采樣器、數字控制器、零階保持器、執行機構、控制對象（燃燒模態）、靈敏度分析等幾構、控制對象（燃燒模態）、靈敏度分析等幾個部分。個部分。+-CombustionModeSensitivityAnalysisD(z)TargetShapeSamplingSwitchDigitalControllerZero-OrderHoldMt(x)M(x)S(x)sLs+11-e-Ts1ActuatorTTTScramjet5.7 5.7 仿真結果仿真結果