基于PSO的某型FTV渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)控制特性分析

張旺

摘 要：流體矢量（FTV）渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)在飛機(jī)上應(yīng)用是解決舵面控制效率不足問(wèn)題的有效途徑。根據(jù)CFD計(jì)算結(jié)果以及該發(fā)動(dòng)機(jī)易受到外界干擾影響和精確數(shù)學(xué)模型獲取困難的實(shí)際情況，應(yīng)用偏差原理建立了控制策略。并應(yīng)用粒子群自適應(yīng)（PSO）方法給出了PID控制器參數(shù)整定方法。本文解決了控制參數(shù)整定等工程問(wèn)題，為工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：流體矢量；CFD計(jì)算；參數(shù)整定；PSO自適應(yīng)控制

中圖分類號(hào)：V239 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）10-0053-02

推力矢量裝置可顯著提高飛行器的機(jī)動(dòng)性和可操縱性，在有人機(jī)和無(wú)人機(jī)上都已嘗試使用并得到了有效驗(yàn)證[1，2]。已經(jīng)投入使用的機(jī)械式矢量裝置需要作動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)從而提高了質(zhì)量和系統(tǒng)的復(fù)雜性。流體矢量噴管相比于機(jī)械式矢量噴管，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，成本低，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)由于該噴管幾何形狀固定，消除了運(yùn)動(dòng)部件和縫隙，可以減小雷達(dá)散射截面，提高飛機(jī)的隱身性能[3]。

由于流體推力矢量噴管的諸多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)該技術(shù)的研究已是航空技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，這些研究主要集中于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和CFD計(jì)算結(jié)果分析方面[4，5]。本文在CFD數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上，解決了控制參數(shù)的選取，控制策略，以及可工程實(shí)現(xiàn)的控制器參數(shù)整定等問(wèn)題，為流體矢量裝置的控制提供了可工程實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)方法。

1 模型及計(jì)算方法

本文采用的計(jì)算模型如圖1所示。該裝置三級(jí)渦輪增壓航空發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)而成。運(yùn)用ANSYS ICEM軟件劃分網(wǎng)格，數(shù)值計(jì)算基于ANSYS FLUENT 14.5軟件，采用密度基隱式方法求解，單元空間離散是基于Roe格式的2階迎風(fēng)格式，湍流模型采用renormalization group （RNU）二階模型。計(jì)算工質(zhì)為理想氣體，黏性采用Sutherland公式計(jì)算。

通過(guò)計(jì)算，該設(shè)計(jì)方案在次流為零時(shí)，主流矢量角為0°，在最大次流流速下，獲得了20.85°的適量角。

2 控制器結(jié)構(gòu)和控制率設(shè)定

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要考慮的首要問(wèn)題是反饋信號(hào)的測(cè)量問(wèn)題。在該系統(tǒng)中，可以通過(guò)空速探針獲得主流、次流流速信息。但是，僅采用反饋主流和次流流速信息并不能達(dá)到對(duì)主流矢量角理想的控制效果，這就需要額外的反饋控制信號(hào)。用矢量角信息作為反饋信號(hào)控制矢量角的偏轉(zhuǎn)是理想的控制方法。但是矢量角信息的直接測(cè)量是十分困難的，而壁面壓力信息的測(cè)量則相對(duì)容易。因此，矢量角信號(hào)可以采用測(cè)量得到矢量力然后計(jì)算得到矢量角信號(hào)的方式。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)偏航和俯仰通道的控制，控制系統(tǒng)控制參數(shù)包括主、次流的流速，控制反饋信號(hào)包括主流、次流流速、主流矢量角。通過(guò)對(duì)主流流速的調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)推力的控制。通過(guò)調(diào)節(jié)次流流速，可實(shí)現(xiàn)對(duì)主流矢量角的控制。

由于流體矢量裝置尚沒(méi)有精確的數(shù)學(xué)方程描述的模型，給控制帶來(lái)了一定的困難。為達(dá)到準(zhǔn)確的控制效果，本文采用對(duì)模型依賴較小的偏差原理思想進(jìn)行系統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為了提高系統(tǒng)的魯棒性，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)了補(bǔ)償器。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 基于PSO方法的參數(shù)自適應(yīng)控制

由于FTV的矢量角度對(duì)參數(shù)變化敏感，本文設(shè)計(jì)了粒子群自適應(yīng)控制器。粒子群（PSO）算法以其不要求被優(yōu)化函數(shù)具有可微、可導(dǎo)、連續(xù)等條件，且具有思想直觀、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、執(zhí)行效率高等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)任意給定的非線性函數(shù)，則存在常數(shù)使得，其中，為向量的2范數(shù)，為粒子群算法輸出的理想權(quán)值矩陣，為粒子群算法的輸入向量，為算法的收斂誤差。

4 結(jié)語(yǔ)

計(jì)算結(jié)果顯示，通過(guò)調(diào)節(jié)次流的流速，主流可以獲得最大20.85度的矢量角度，主流矢量角度與次流速度具有較好的線性關(guān)系。可作為主流矢量角的控制參數(shù)。

根據(jù)該裝置易受到外界干擾影響和精確數(shù)學(xué)模型獲取困難的實(shí)際情況，本文應(yīng)用偏差原理建立了控制策略。并應(yīng)用粒子群自適應(yīng)參數(shù)整定給出了PID控制器參數(shù)整定方法。該研究為工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]Hunter C A， Deere K A.Computational investigation of thrust vectoring，AIAA-1999-2669[R].Reston： AIAA，1999.

[2]王占學(xué)，王玉男，李志杰.基于激波控制的流體推力矢量噴管試驗(yàn)[J].推進(jìn)技術(shù)，2010，31（6）：751-756.