專利名稱：超燃沖壓發(fā)動機燃燒室壁面壓力分布控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)動機燃燒室壁面壓力分布控制方法，具體涉及一種超燃 沖壓發(fā)動機燃燒室壁面壓力分布控制方法。
背景技術：
超燃沖壓發(fā)動機的工作過程跨越很寬的馬赫數(shù)范圍，是非常復雜的氣動熱 力學過程，在飛行包線(啟動、加速、巡航)內(nèi)，它的飛行馬赫數(shù)、高度發(fā)生很 大變化，發(fā)動機流場、燃燒場的氣動熱力學特性也隨之較大改變，對這樣一個 復雜且變化多的過程如不加以控制，超燃沖壓發(fā)動機根本不能正常工作，由此 決定控制技術的關鍵性。超燃沖壓發(fā)動機的燃燒室內(nèi)參數(shù)沿軸向的分布特性表 征了超燃沖壓發(fā)動機最基本的工作狀態(tài)燃前激波系的性質(正激波系或斜激 波系)、位置和強度，燃燒室燃燒狀態(tài)(亞燃、雙模態(tài)燃燒、超燃)以及聲速 臨界截面的存在狀態(tài)，是對超燃沖壓發(fā)動機工作狀態(tài)最核心的描述。在發(fā)動機 的整個工作過程中，都要求控制系統(tǒng)能實時的根據(jù)測量的發(fā)動機來流狀態(tài)和內(nèi) 部流場的參數(shù)分布(壓力、溫度)，給出各個噴油點的燃油控制指令，實現(xiàn)相 應工況下最優(yōu)的參數(shù)分布。超燃沖壓發(fā)動機動態(tài)頻帶寬，在一定頻帶內(nèi)可以認 為沒有動態(tài)時間響應滯后。超燃沖壓發(fā)動機流動和燃燒過程的主要動態(tài)特性包 括激波動態(tài)，擾動波傳播滯后，分離流動態(tài)，燃燒延遲等。數(shù)值計算和試驗的 結果表明，激波屬于主導的低頻動態(tài)，其響應頻率在10HZ以上，而燃燒振蕩的
第一階振蕩模態(tài)的頻率更是接近100Hz。相比之下，燃油調節(jié)閥的動態(tài)響應速 度較低，成為主要的動態(tài)時間常數(shù)。為了適應寬工況飛行的要求，超燃沖壓發(fā)動機采用多點噴射的分布式加熱 模式。在總噴油量一定的情況下，改變多點的燃油分配，則發(fā)動機內(nèi)部流場會 隨之發(fā)生變化，包括推力。這樣必然存在一個最佳的燃油分配條件，在這一條 件下發(fā)動機的燃燒室內(nèi)部流場參數(shù)分布達到最優(yōu)。因此，超燃沖壓發(fā)動機存在 壁面壓力分布優(yōu)化控制的可能。從數(shù)學上看，超燃沖壓發(fā)動機最大推力控制問 題就可以轉化為一個含約束的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化的數(shù)學問題。穩(wěn)態(tài)優(yōu)化問題就是依據(jù)過 程的數(shù)學模型，在約束條件下，優(yōu)化其目標函數(shù)。穩(wěn)態(tài)優(yōu)化控制是工業(yè)過程中 常用的一種自動化技術。長期處于穩(wěn)態(tài)工況的工業(yè)過程，其過程穩(wěn)態(tài)優(yōu)化控制 有著廣泛的實際應用背景。由于超燃沖壓發(fā)動機氣動熱力過程非?？欤蟛糠?工況處于穩(wěn)態(tài)，所以超燃沖壓發(fā)動機燃燒室壁面壓力分布控制可以采用穩(wěn)態(tài)優(yōu) 化的算法來實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種超燃沖壓發(fā)動機燃燒室壁面壓力分布控制方法， 以實現(xiàn)超燃沖壓發(fā)動機最優(yōu)的燃燒室壁面壓力分布的實時控制。
本發(fā)明的技術方案是超燃沖壓發(fā)動機燃燒室壁面壓力分布控制方法是按 照以下步驟實現(xiàn)的
步驟一、給定超燃沖壓發(fā)動機的總噴油量Q;
步驟二、給定超燃沖壓發(fā)動機的最優(yōu)壁面壓力分布P;
步驟三、利用均勻實驗設計的方法進行燃油分配給定n組燃油分配初始 點0=(仏'，&1，，《附1) ，， 2 =(仏"，《2"，......，， n>6;
步驟四、給出n組點的壁面壓力分布戶,……/> :由發(fā)動機數(shù)學模型給出這 n組點的壁面壓力分布P,……A，字母Q表示m個點的燃油分配，Q的下標n 表示第n組點；步驟五、計算、……A :計算每組燃油分配對應的實際壁面壓力分布 S……P 與給定的最優(yōu)壁面壓力分布之差沿燃燒室軸向的積分~……A ;
步驟六、建立擬合函數(shù)令A表示實際壁面壓力分布與給定的最佳壁面壓 力分布之差沿燃燒室軸向的積分，由這n組數(shù)據(jù)使用曲線擬合技術構造A相對 于m點燃油分配的擬合函數(shù)Az/必c)，式中2-(^，《2…^)為m個點的燃油分 配，C表示擬合系數(shù)；
步驟七、建立罰函數(shù)，M2，...,《m]-(其中P〉0為罰系數(shù))；
步驟八、建立目標函數(shù)將得到的擬合函數(shù)么=/(0，。加上罰函數(shù)
fh，^,…,《j-[ ，...^"]|2 ，并進行優(yōu)化得到目標函數(shù)
min /必c)+ll[仏,《2，…,^]-[仏"，&"，…C]lf;所得的極值點(仏，？2，…，《m) 即為下一步的噴油量分配^+^ …，《m"+1);
步驟九、將計算的噴油量分配送入到超燃沖壓發(fā)動機中將計算得到的 0^送入到超燃沖壓發(fā)動機中，此時的超燃沖壓發(fā)動機壁面壓力分布為P"+,， 令"="+ 1，再執(zhí)行步驟三，以此反復循環(huán)。
本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明可以實現(xiàn)在總噴油量一定時通過控制多 個噴油點的燃油配比來實現(xiàn)燃燒室內(nèi)部壁面壓力沿軸向的分布達到給定的模 態(tài)。本方法以超燃沖壓發(fā)動機多個噴油點的噴油量為被控量，根據(jù)超燃沖壓發(fā) 動機動態(tài)響應快，大部分工況處于穩(wěn)態(tài)的特點，將其燃燒室內(nèi)部壁面壓力分布 控制問題轉化為含約束的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化的數(shù)學問題。并且采用基于未知模型的穩(wěn)態(tài) 優(yōu)化算法，可以克服超燃沖壓發(fā)動機對象復雜，難以用數(shù)學模型描述的困難。 該方法用解約束極值的方法快速獲得最優(yōu)點，可以實現(xiàn)超燃沖壓發(fā)動機燃燒室 壁面壓力分布的實時控制。


圖l為本發(fā)明的流程框圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一本實施方式的超燃沖壓發(fā)動機燃燒室壁面壓力分布控制 方法是按照以下步驟實現(xiàn)的
步驟一、給定超燃沖壓發(fā)動機的總噴油量Q;
步驟二、給定超燃沖壓發(fā)動機的最優(yōu)壁面壓力分布P;
步驟三、利用均勻實驗設計的方法進行燃油分配給定n組燃油分配初始 點2r (W， &'，……，L1)，……，2 =(仏"，g2"，……，0/) ， n〉6;
步驟四、給出n組點的壁面壓力分布^……由發(fā)動機數(shù)學模型給出這 n組點的壁面壓力分布《……尸 ，字母Q表示m個點的燃油分配，Q的下標n 表示第n組點；
步驟五、計算A,……A :計算每組燃油分配對應的實際壁面壓力分布 P,……A與給定的最優(yōu)壁面壓力分布之差沿燃燒室軸向的積分A,……A ;
步驟六、建立擬合函數(shù)令A表示實際壁面壓力分布與給定的最佳壁面壓 力分布之差沿燃燒室軸向的積分，由這n組數(shù)據(jù)使用曲線擬合技術構造A相對 于m點燃油分配的擬合函數(shù)"/(^)，式中e-(仏，&…0為m個點的燃油分
配，C表示擬合系數(shù)；
步驟七、建立罰函數(shù)flto，《2,…，^]-(其中p〉0為罰系數(shù))； 步驟八、建立目標函數(shù)將得到的擬合函數(shù)A^/(込c)加上罰函數(shù) k,《2，…,^]-[^，…^"]lf ， 并進行優(yōu)化得到目標函數(shù) min /(acO+晉ll^,《2，…，^]一^"，^,…Cf;所得的極值點(仏，&，…，《w)
即為下一步的噴油量分配a+尸(《r+1， …，？m"+1);考慮到超燃沖壓發(fā)
動機實際飛行過程中的不啟動限制，熄火邊界等，各點的噴油量需要滿足一定的約束條件，此優(yōu)化問題即為約束極值問題；
步驟九、將計算的噴油量分配送入到超燃沖壓發(fā)動機中將計算得到的 0^送入到超燃沖壓發(fā)動機中，此時的超燃沖壓發(fā)動機壁面壓力分布為尸 +1 ， 令"="+ 1，再執(zhí)行步驟三，以此反復循環(huán)。
在給定總噴油量的情況下，根據(jù)當時的工況考慮到最佳的推力性能給定通 過控制多點的燃油分配達到此工況下發(fā)動機所能夠達到的最優(yōu)燃燒室壁面壓 力分布。本發(fā)明采用基于未知模型的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化算法，無需對象的數(shù)學模型，將 燃燒室壁面壓力分布控制問題轉化為含約束穩(wěn)態(tài)優(yōu)化的數(shù)學問題，從而實現(xiàn)超 燃沖壓發(fā)動機燃燒室壁面壓力分布的實時控制。通過控制超燃沖壓發(fā)動機多點 的燃油分配實現(xiàn)最優(yōu)的燃燒室壁面壓力分布。本發(fā)明以超燃沖壓發(fā)動機多個噴 油點的噴油量為被控量，達到最佳的燃油分配點。本發(fā)明采用基于未知模型的 穩(wěn)態(tài)優(yōu)化算法，無需對象的數(shù)學模型。
權利要求
1、一種超燃沖壓發(fā)動機燃燒室壁面壓力分布控制方法，其特征在于它是按照以下步驟實現(xiàn)的步驟一、給定超燃沖壓發(fā)動機的總噴油量Q；步驟二、給定超燃沖壓發(fā)動機的最優(yōu)壁面壓力分布P；步驟三、利用均勻實驗設計的方法進行燃油分配給定n組燃油分配初始點Q1＝(q11，q21，……，qm1)，……，Qn＝(q1n，q2n，……，qmn)，n＞6；步驟四、給出n組點的壁面壓力分布P1……Pn由發(fā)動機數(shù)學模型給出這n組點的壁面壓力分布P1……Pn，字母Q表示m個點的燃油分配，Q的下標n表示第n組點；步驟五、計算Δ1……Δn計算每組燃油分配對應的實際壁面壓力分布P1……Pn與給定的最優(yōu)壁面壓力分布之差沿燃燒室軸向的積分Δ1……Δn；步驟六、建立擬合函數(shù)令Δ表示實際壁面壓力分布與給定的最佳壁面壓力分布之差沿燃燒室軸向的積分，由這n組數(shù)據(jù)使用曲線擬合技術構造Δ相對于m點燃油分配的擬合函數(shù)Δ＝f(Q，c)，式中Q＝(q1，q2…qm)為m個點的燃油分配，c表示擬合系數(shù)；步驟七、建立罰函數(shù)<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mfrac> <mi>&rho;</mi> <mn>2</mn></mfrac><msup> <mrow><mo>|</mo><mo>|</mo><mo>[</mo><msub> <mi>q</mi> <mn>1</mn></msub><mo>,</mo><msub> <mi>q</mi> <mn>2</mn></msub><mo>,</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>,</mo><msub> <mi>q</mi> <mi>m</mi></msub><mo>]</mo><mo>-</mo><mo>[</mo><msup> <msub><mi>q</mi><mn>1</mn> </msub> <mi>n</mi></msup><mo>,</mo><msup> <msub><mi>q</mi><mn>2</mn> </msub> <mi>n</mi></msup><mo>,</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><msup> <msub><mi>q</mi><mi>m</mi> </msub> <mi>n</mi></msup><mo>]</mo><mo>|</mo><mo>|</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2008100648760002C1.tif" wi="59" he="8" top= "172" left = "79" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>(其中ρ＞0為罰系數(shù))；步驟八、建立目標函數(shù)將得到的擬合函數(shù)Δ＝f(Q，c)加上罰函數(shù)<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><mfrac> <mi>&rho;</mi> <mn>2</mn></mfrac><msup> <mrow><mo>|</mo><mo>|</mo><mo>[</mo><msub> <mi>q</mi> <mn>1</mn></msub><mo>,</mo><msub> <mi>q</mi> <mn>2</mn></msub><mo>,</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>,</mo><msub> <mi>q</mi> <mi>m</mi></msub><mo>]</mo><mo>-</mo><mo>[</mo><msup> <msub><mi>q</mi><mn>1</mn> </msub> <mi>n</mi></msup><mo>,</mo><msup> <msub><mi>q</mi><mn>2</mn> </msub> <mi>n</mi></msup><mo>,</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><msup> <msub><mi>q</mi><mi>m</mi> </msub> <mi>n</mi></msup><mo>]</mo><mo>|</mo><mo>|</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0002" file="A2008100648760002C2.tif" wi="64" he="8" top= "194" left = "22" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>并進行優(yōu)化得到目標函數(shù)<maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>min</mi><mi>f</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>Q</mi> <mo>,</mo> <mi>c</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mfrac> <mi>&rho;</mi> <mn>2</mn></mfrac><msup> <mrow><mo>|</mo><mo>|</mo><mo>[</mo><msub> <mi>q</mi> <mn>1</mn></msub><mo>,</mo><msub> <mi>q</mi> <mn>2</mn></msub><mo>,</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>,</mo><msub> <mi>q</mi> <mi>m</mi></msub><mo>]</mo><mo>-</mo><mo>[</mo><msup> <msub><mi>q</mi><mn>1</mn> </msub> <mi>n</mi></msup><mo>,</mo><msup> <msub><mi>q</mi><mn>2</mn> </msub> <mi>n</mi></msup><mo>,</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><msup> <msub><mi>q</mi><mi>m</mi> </msub> <mi>n</mi></msup><mo>]</mo><mo>|</mo><mo>|</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mo>;</mo> </mrow>]]></math> id="icf0003" file="A2008100648760002C3.tif" wi="91" he="8" top= "205" left = "22" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>所得的極值點(q1，q2，…，qm)即為下一步的噴油量分配Qn+1＝(q1n+1，q2n+1，…，qmn+1)；步驟九、將計算的噴油量分配送入到超燃沖壓發(fā)動機中將計算得到的Qn+1送入到超燃沖壓發(fā)動機中，此時的超燃沖壓發(fā)動機壁面壓力分布為Pn+1，令n＝n+1，再執(zhí)行步驟三，以此反復循環(huán)。
全文摘要
超燃沖壓發(fā)動機燃燒室壁面壓力分布控制方法，它涉及一種發(fā)動機燃燒室壁面壓力分布控制方法。本發(fā)明實現(xiàn)了超燃沖壓發(fā)動機最優(yōu)的燃燒室壁面壓力分布的實時控制。本發(fā)明的主要步驟為給定超燃沖壓發(fā)動機的總噴油量Q、給定超燃沖壓發(fā)動機的最優(yōu)壁面壓力分布P、利用均勻實驗設計的方法進行燃油分配、給出n組點的壁面壓力分布P₁……P_n、計算Δ₁……Δ_n、建立擬合函數(shù)、建立罰函數(shù)、建立目標函數(shù)、將計算的噴油量分配送入到超燃沖壓發(fā)動機中。本方法將其燃燒室內(nèi)部壁面壓力分布控制問題轉化為含約束的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化的數(shù)學問題，并且采用基于未知模型的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化算法，可以克服超燃沖壓發(fā)動機對象復雜，難以用數(shù)學模型描述的困難。
文檔編號F02K7/10GK101307735SQ20081006487
公開日2008年11月19日 申請日期2008年7月7日 優(yōu)先權日2008年7月7日
發(fā)明者于達仁, 舒 和, 濤 崔, 趙曉敏, 文 鮑 申請人:哈爾濱工業(yè)大學