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第1章 引言 1

1.1 工作原理 1

1.1.1 焦耳—布雷顿循环 2

1.2 外涵涡扇发动机 3

1.2.1 真实发动机的性能与效率 5

1.3 工作限制和部件特性图 7

1.3.1 压气机和风扇特性图 7

1.3.2 涡轮特性图 11

1.3.3 R-线与失速裕度 11

1.3.4 燃烧不稳定性与熄火 12

1.3.5 结构与热力限制 13

1.3.6 发动机整体工作限制 13

1.4 总参数和换算参数 13

1.5 小结 15

第2章 发动机模型和仿真工具 16

2.1 双转子动力学 16

2.1.1 基于循环平台数据的模型构建 17

2.1.2 基于系统辨识的模型 19

2.1.3 发动机老化和退化建模 19

2.2 民用模块化航空推进系统仿真 20

2.2.1 CMAPSS主要特点 20

2.2.2 算例 24

第3章 发动机经典控制方法 29

3.1 通过EPR或风扇转速进行设计点控制 29

3.1.1 积分控制 30

3.1.2 采用根轨迹的补偿器设计 30

3.1.3 频域补偿：手工回路成形 32

3.1.4 Edmund模型匹配方法 33

3.1.5 比较性算例 33

3.2 固定线性补偿器设计的不足之处 36

3.2.1 飞行包线内的参数变化 36

3.2.2 发动机限制 38

第4章 发动机鲁棒状态反馈控制 42

4.1 多变量系统理论概述 42

4.1.1 算例 43

4.1.2 奇异值 44

4.1.3 线性系统无穷范数 44

4.1.4 线性系统2-范数 45

4.2 鲁棒状态反馈综合 45

4.2.1 系统不确定性多胞描述 46

4.2.2 标称稳定性和鲁棒稳定性 47

4.2.3 多胞系统的二次稳定性 48

4.3 性能度量 49

4.4 LQR状态反馈综合 50

4.4.1 带有区域特征值约束的LQR 50

4.4.2 经济性LQR问题和性能限制 51

4.4.3 LQR鲁棒性性质 51

4.4.4 多胞型系统 51

4.5 H2状态反馈综合 52

4.5.1 最优H2综合 52

4.5.2 多胞系统 53

4.6 H∞状态反馈综合 53

4.6.1 多胞系统 54

4.7 带有区域极点配置的H2/H∞反馈综合 54

4.7.1 状态反馈设计点调节和输入积分 55

4.8 算例：CMAPSS-40k 58

4.8.1 40k级发动机的一种多胞描述 58

4.8.2 缩放增广对象的可稳定性 58

4.8.3 固定增益LQR设计 59

4.8.4 CMAPSS-40k中的固定增益LQR 60

4.8.5 H2/H∞固定增益综合：多胞对象模型 62

4.9 简化的H∞风扇转速控制 70

4.9.1 混合灵敏度H∞设计 70

4.9.2 频率加权 71

4.9.3 算例：混合H∞综合——CMAPSS-40k 72

4.10 小结 75

第5章 增益调度和自适应 76

5.1 鲁棒性、调度及自适应 76

5.1.1 输入调度 77

5.2 标准燃气轮机增益调度控制 77

5.3 线性参数变化方法 79

5.3.1 从多胞顶点获取LPV分解 80

5.3.2 一种简单的LPV风扇转速PI控制方法 81

5.3.3 其他LPV方法 85

5.4 自适应控制综述 85

5.4.1 相对阶为1的MRAC 87

5.4.2 算例：CMAPSS-1 88

第6章 涡扇发动机滑模控制 93

6.1 研究动机的例子：火箭弹推进器开关控制 94

6.1.1 引入不确定性和干扰 97

6.2 多变量滑模控制调节器 100

6.2.1 匹配型不确定性 100

6.2.2 控制规律的开发设计 101

6.2.3 降阶的动态特性和滑模系数的选取 102

6.2.4 Utkin和Young的LQ方法 105

6.2.5 滑模控制调节器算例：CM APSS-40k 106

6.3 滑模控制输出设计点跟踪 110

6.3.1 算例：线性化CMAPSS-40k模型 111

6.4 简化的单输入单输出积分滑模控制设计 113

6.4.1 算例：CMAPSS-1 115

第7章 采用线性调节器的发动机限制管理 118

7.1 低选—高选限制管理逻辑 119

7.1.1 默认索引假设：低选和高选算子 120

7.1.2 采用动态补偿器的低选—高选限制管理的静态特性 121

7.1.3 算例：CMAPSS-1 124

7.2 集合不变性的基本概念 125

7.2.1 区间的正不变性 126

7.2.2 线性系统的椭球不变集 126

7.2.3 半空间的不变性 127

7.2.4 椭球工作集 127

7.3 采用积分状态反馈控制器的低选—高选限制管理 129

7.3.1 固定调节器下的闭环特性 130

7.3.2 相对固定索引的闭环特性 130

7.3.3 采用状态反馈的低选—高选限制管理的静态特性 131

7.3.4 算例：CMAPSS-1线性化模型 134

7.3.5 过渡态限制保护分析 138

7.4 算例：CMAPSS-1线性化模型 142

7.5 另外一种最小交互性设计：H∞方法 142

7.5.1 算例：CMAPSS-1 143

7.5.2 算例：椭球不变集——CMAPSS-1线性化模型 144

7.6 加速和减速限制 146

7.6.1 “N-Dot”控制和加速调度 147

第8章 采用滑模的发动机限制管理 148

8.1 系统描述、假设以及控制目标 149

8.1.1 控制目标 150

8.1.2 滑模控制律 151

8.2 固定调节器下的特性 151

8.2.1 确定稳态调节器的索引 152

8.3 稳定性特性总结 153

8.3.1 稳定性：低选或高选切换 154

8.3.2 稳定性：低选—高选切换 154

8.4 不变性性质：限制保护 154

8.4.1 低选切换下的不变性 154

8.4.2 高选切换下的不变性 155

8.4.3 低选—高选切换下的不变性 155

8.5 其他考虑 155

8.5.1 受限输出一致性 156

8.6 设计过程 156

8.6.1 多目标控制：混合H2/H∞反馈增益综合 157

8.7 设计算例 158

8.7.1 线性化仿真研究 158

8.7.2 CMAPSS实现：T48的上限 163

8.7.3 带有多个限制调节器的CMAPSS实现 165

8.8 小结 168

第9章 采用模型预测控制的发动机限制管理 170

9.1 数字控制系统和等价的零阶保持模型 171

9.2 最优滚动时域控制 174

9.3 预测方程 176

9.4 增量式模型预测控制表述：非约束情形 177

9.4.1 算例 179

9.5 增量式模型预测控制表述：约束情形 181

9.6 算例：在地面慢车条件下的线性化CMAPSS-40k对象 183

9.7 算例：非线性CMAPSS40k发动机仿真 185

9.8 处理计算代价问题 188

9.8.1 显式的模型预测控制实现 189

9.8.2 多路复用控制 190

后记 192

附录A 风扇转速的时间最优控制 193

A.1 时间最优调节器 193

A.2 算例 195

A.3 最短时间的设计点跟踪器 195

A.4 算例：设计点跟踪 197

附录B 典型线性模型矩阵列表：90k级发动机 198

附录C 典型线性模型矩阵列表：40k级发动机 202

附录D 线性化模型预测控制仿真的Matlab代码 207

术语表 211

参考文献 213

索引 219