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第1章 航空发动机全权限数字电子控制系统发展综述 1

1.1国外控制系统的发展历程 1

1.1.1第一代FADEC （FADEC Ⅰ）系统（20世纪80年代） 2

1.1.2第二代FADEC （FADEC Ⅱ）系统（20世纪90年代初期） 5

1.1.3第三代FADEC （FADEC Ⅲ）系统（20世纪90年代中后期） 7

1.2我国航空发动机全权限数字电子控制系统的发展 9

1.3 FADEC的未来发展趋势 12

1.3.1未来航空发动机控制系统面临的要求和挑战 12

1.3.2未来航空发动机控制技术的发展趋势 12

1.4结论 21

第2章 航空发动机建模与仿真 22

2.1航空发动机建模技术概述 22

2.1.1模型分类 22

2.1.2模型要求 23

2.1.3建模方法 23

2.2航空发动机部件级模型 23

2.2.1各部件模型 24

2.2.2风扇 25

2.2.3压气机 25

2.2.4燃烧室 25

2.2.5高压涡轮 26

2.2.6低压涡轮 26

2.2.7外涵 26

2.2.8掺混室 27

2.2.9加力燃烧室 27

2.2.10尾喷管 27

2.2.11推力计算 28

2.3航空发动机稳态模型 28

2.4航空发动机动态模型 31

2.5航空发动机状态变量模型 32

2.5.1线性化状态变量模型的建模原理 32

2.5.2偏导数法求解线性化模型 33

2.5.3拟合法求线性化模型 33

2.6基于人工智能的航空发动机简化模型 34

2.7航空发动机自适应模型 37

2.7.1自适应模型的发展 37

2.7.2基于卡尔曼滤波器的自适应模型 37

2.7.3基于人工智能的自适应模型 43

2.7.4基于控制器的自适应模型 47

第3章 控制系统技术要求 53

3.1航空燃气涡轮发动机控制计划 53

3.1.1航空燃气涡轮发动机的工作状态 53

3.1.2航空燃气涡轮发动机各工作状态的使用限制 54

3.1.3航空燃气涡轮发动机控制变量的选择 56

3.1.4航空燃气涡轮发动机非加力工作状态的控制计划 57

3.1.5航空燃气涡轮发动机起动状态的控制计划 65

3.1.6航空燃气涡轮发动机加力工作状态的控制计划 66

3.2控制系统功能要求 71

3.2.1控制系统功能 71

3.2.2控制功能的详细描述 73

3.3控制系统性能要求 90

3.3.1稳态性能指标 91

3.3.2动态性能指标 91

3.3.3切换性能指标 91

3.3.4执行机构回路控制品质要求 92

3.4工作环境要求 94

3.4.1电子控制器工作环境 94

3.4.2燃油附件工作环境 94

3.5安全性、可靠性、维修性、保障性、测试性设计要求 94

3.5.1安全性设计要求 94

3.5.2可靠性设计要求 95

3.5.3维修性设计要求 95

3.5.4保障性设计要求 96

3.5.5测试性设计要求 96

第4章 控制系统总体方案设计 97

4.1控制系统的基本结构 97

4.1.1控制系统的总体结构和功能分配 97

4.1.2主燃油流量控制 99

4.1.3风扇进口可调叶片角度控制 100

4.1.4高压压气机进口可调静子叶片角度控制 100

4.1.5加力燃油流量控制 101

4.1.6尾喷管喉道截面面积控制 101

4.1.7矢量喷管控制 102

4.2控制系统余度设计 103

4.2.1控制系统可靠性的基本概念 103

4.2.2控制系统典型结构余度分析 104

4.2.3控制系统结构余度设计 108

4.3控制系统可靠性分析 113

4.3.1控制系统可靠性模型的基本概念 113

4.3.2典型结构可靠性建模与分析 116

4.3.3对控制系统方案的可靠性建模与评估 120

4.3.4控制系统可靠性指标分配 129

4.4控制系统精度分析 130

4.4.1在给定控制计划下控制精度的选择 130

4.4.2根据控制精度选择控制计划 133

4.4.3传感器精度计算方法 134

4.4.4传感器精度计算 135

4.5控制系统稳定性分析 138

4.5.1主燃油流量控制回路 138

4.5.2尾喷管喉道截面面积控制回路 142

4.5.3其他控制回路 146

4.5.4多回路共同工作对系统稳定性的影响 146

4.6主要部件原理方案和基本参数设计 149

4.6.1电子控制器 150

4.6.2燃油系统 160

4.6.3控制软件 170

4.6.4传感器 174

第5章 控制律设计 177

5.1经典控制方法 177

5.1.1主燃油流量控制 177

5.1.2加力燃油流量控制 192

5.1.3风扇进口可调叶片角度控制 193

5.1.4高压压气机进口可调静子叶片角度控制 194

5.1.5喷口控制 194

5.1.6矢量喷管控制 197

5.1.7伺服回路控制 199

5.2鲁棒控制技术 204

5.2.1 LQG/LTR控制方法 204

5.2.2 H∞控制方法 208

5.2.3 ALQR控制方法 211

5.2.4 LQ—H∞控制方法 214

5.3自适应控制技术 217

5.3.1基于李雅普诺夫理论的模型参考自适应控制方法 218

5.3.2纳朗特兰（Narendra）自适应控制方法 223

5.3.3基于发动机相似参数的自适应控制方法 230

5.4智能控制技术 235

5.4.1控制器参数智能优化方法 235

5.4.2神经网络PID控制器设计方法 238

5.4.3模糊控制 243

5.5性能寻优控制 247

5.5.1引言 247

5.5.2优化原理 248

5.5.3数字仿真 252

5.5.4结论 254

5.6高稳定性控制 254

5.6.1基于迎角预测的发动机高稳定性控制原理 255

5.6.2扩展的发动机模型 257

5.6.3仿真算例 258

5.6.4结论 260

第6章 故障诊断与容错设计 261

6.1故障诊断与测试的基本概念 261

6.1.1故障定义与分类 261

6.1.2故障诊断的概念和过程 262

6.1.3测试性与机内自检测 264

6.1.4故障诊断与测试技术指标 264

6.2机内自检测设计 267

6.2.1上电机内自检测 267

6.2.2运行前（飞行前）机内自检测 268

6.2.3运行中（飞行中）机内自检测 270

6.2.4维护机内自检测 273

6.3故障诊断与故障处理的基本方法 273

6.3.1故障发现 273

6.3.2故障定位 275

6.3.3故障隔离 275

6.3.4系统重构 279

6.3.5故障恢复 282

6.3.6故障告警 283

6.3.7故障记录 284

6.4先进的故障诊断和容错控制技术 284

6.4.1基于部件跟踪滤波器的故障诊断方法 285

6.4.2基于卡尔曼滤波器的故障诊断方法 287

6.4.3基于模型的容错控制方案 291

6.4.4基于人工智能的航空发动机容错控制方案 295

第7章 控制系统的综合与试验验证 300

7.1电子控制器在回路仿真 300

7.1.1电子控制器在回路仿真装置的主要功能 301

7.1.2电子控制器在回路仿真系统的组成和原理 301

7.1.3电子控制器在回路仿真装置主要参数的精度要求 303

7.1.4电子控制器在回路仿真的主要内容 303

7.2控制系统半物理模拟试验 307

7.2.1半物理模拟试验器的主要功能 308

7.2.2半物理模拟试验的组成和原理 308

7.2.3半物理模拟试验器的主要指标要求 312

7.2.4半物理模拟试验的主要内容 313

7.3发动机试验与验证 324

7.3.1发动机地面台试车 324

7.3.2发动机高空台试验 327

7.3.3发动机飞行试验 327

参考文献 329