变循环发动机模型参考自适应滑模控制方法研究

针对变循环航空发动机存在系统不确定性及外部干扰条件下的多变量输出量跟踪控制器设计问题,给出了一种基于LQR方法的增广模型参考自适应滑模控制方法。首先,将模型进行增广,并通过采用最优LQR方法设计参考模型,向控制器提供参考状态。然后,在状态跟踪滑模控制方法的基础上基于李亚普诺夫函数严格稳定条件推导了系统摄动矩阵上界估计和外部干扰上界估计的自适应律。最后,控制器在不确定性和外部干扰条件下,实现系统跟踪误差渐近为零的目标。以一种带CDFS的双外涵变循环发动机为对象进行控制器仿真验证,结果表明:基于LQR方法的增广模型参考自适应滑模控制方法可解决传统滑模控制方法中需要预先指定参考状态的问题,同时改善了变循环发动机系统不确定性和外部干扰条件下的控制效果,有效实现了对控制指令的跟踪,达到了以下控制效果:不同工况下的稳态控制误差均小于0.1%,系统超调量小于0.5%,调节时间小于1 s,均符合发动机控制系统技术要求。     

基于模型参考自适应的四旋翼飞行器反步控制

针对四旋翼飞行器易受干扰的问题,本文提出了一种基于模型参考自适应的反步控制方法,在外界气流干扰和内部参数不确定的情况下,保证四旋翼飞行器稳定平滑地跟踪参考信号。将四旋翼飞行器的飞行控制系统分解为水平位置控制子系统与高度和姿态控制子系统,并对两个子系统分别设计反步控制器,然后在高度和姿态控制子系统应用模型参考自适应控制,提高该子系统的抗干扰性能,从而进一步改善水平位置控制性能,同时采用Lyapunov稳定性理论,证明整个闭环系统渐近稳定。仿真结果表明,该算法能够有效抑制外界气流干扰,对负载不确定性具有较强的自适应能力,有效提高系统的稳定性和抗干扰性能。该研究具有一定的理论和实际应用价值。     

基于滑模变结构的欠驱动浮空器轨迹跟踪控制

为了解决无尾双螺旋桨欠驱动浮空器的轨迹跟踪控制问题,考虑执行机构饱和、内部不确定和外界风扰等因素,设计自适应滑模变结构控制器.建立浮空器的三自由度运动模型,设计内、外环控制回路.外环回路安排目标信号的过渡过程,提取微分信号,设计虚拟轨迹.以虚拟轨迹为目标值,设计内环控制回路,分别设计前飞速度误差的一阶滑模面和横向速度误差的二阶滑模面,得到浮空器所需的推力和力矩.为了提高系统抑制扰动的能力及减少执行机构的抖动,采用自适应滑模变结构控制实现对扰动上界的估计并补偿扰动.以上海交通大学设计的浮空器为模型进行仿真,证明了该控制方法的有效性和鲁棒性.     

高超声速飞行器自适应固定时间抗饱和控制

针对参数不确定和外界干扰下的高超声速飞行器的控制问题,本文提出了一种自适应固定时间控制方法。采用反馈线性化方法对高超声速纵向动力学模型进行输入输出线性化,并基于固定时间控制理论针对该线性模型分别设计了速度和高度通道的固定时间自适应高阶滑模控制器,提高了系统的收敛速度。对于执行器饱和问题,设计了一种新型抗饱和辅助系统并引入控制器中。基于李雅普诺夫理论对所设计的控制器进行严格证明,得到了闭环系统的固定时间收敛特性。与现有文献高阶滑模控制方法进行仿真对比实验,验证了本文所设计方法的有效性和鲁棒性。     

基于自适应观测器的飞行器抗干扰控制

针对近空间飞行器(NSV)在高超音速飞行时气动参数变化剧烈且容易受到外界干扰的特点,提出快速自适应干扰观测器抗干扰方法.建立近空间飞行器的数学模型,进行抗干扰自适应观测器的设计.通过调整自适应参数和设计补偿项的自适应律,在自适应律中增加非线性指数项,提高了干扰观测系统对复合干扰的逼近速度,使其能够在有限时间内将系统误差收敛为零.对闭环系统性能进行严格的理论分析.在高超声速条件下对NSV进行仿真验证,结果表明,设计的控制方案具有更好的快速性和收敛性.     

欠驱动船舶路径跟踪神经元自适应迭代滑模控制

针对模型存在参数不确定以及遭受未知外界干扰的欠驱动船舶路径跟踪控制问题,本文提出一种基于Lyapunov稳定性的神经元自适应迭代滑模控制方法。该方法根据路径跟踪偏差信息构造出四阶非线性迭代滑模面,利用最高阶滑模面构建Lyapunov能量函数,并得到满足系统渐近稳定性条件的一个误差函数,进而采用Adaline单神经元设计自适应控制器,且结合最小二乘法推导出使误差函数收敛的神经元权重在线学习算法,可避免对模型参数不确定项和外界干扰进行估计。将设计的控制器应用于5446TEU集装箱船模型进行仿真,结果表明控制系统能有效地处理模型参数摄动及风浪干扰,具有强鲁棒性,且与迭代滑模控制器相比所得控制舵角输出更加平滑有效。     

熔化极气体保护焊中弧长系统的改进无模型自适应控制

针对熔化极气体保护焊中电流与弧长非线性时变系统难以建立精确的模型,且在焊接过程中,系统存在各类不确定因素并易受到内外界扰动的问题,提出一种改进的无模型自适应控制方法。首先,设计了带有可测与不可测干扰以及不确定因素的动态线性化泛模型,采用参数估计算法在线估计伪偏导数,引入干扰观测器实时补偿逼近内外界扰动和不确定因素;进而,通过构建准则函数设计出弧长系统的控制律通,在此基础上,得到改进的无模型自适应控制方案;最后,证明了该方法的鲁棒稳定性。仿真结果表明：与现有无模型自适应控制方案相比,所提出方法具有良好的跟踪性能和更快的响应速度;当焊接过程中遇到可测和不可测干扰以及不确定因素时,所提出的控制方法具有更强的鲁棒性,从而确保了焊接过程中弧长的稳定和较好的控制品质。     

船舶单轴并联式气电混合动力系统节能评价

为了提高船舶动力系统能效,同时弥补天然气发动机作为船舶主机时动态特性差、低负荷性能差等问题,本文提出了船舶单轴并联式气电混合动力系统方案。采用模块化建模的方法建立系统的Simulink仿真模型,以周期性作业船舶运行循环为例计算蓄电池储能效率,而后研究系统在E3循环、不同混合度下的单位时间系统能耗以及节能率变化规律,得出节能率脉谱图,并对系统的实际节能率进行加权评价。结果表明:系统在不同混合度、不同负荷下的节能率都为正值,在混合度为0. 3～0. 5、负荷小于40%时,平均节能率大于15%。本文的研究结果可为船舶单轴并联式气电混合动力系统的设计选型、匹配优化以及能量管理策略设计等提供理论依据。     

控制增益符号未知的非线性系统执行器故障补偿

针对一类具有方向未知的不确定增益函数和未知执行器故障的不确定非线性系统,将Nussbaum函数增益与自适应输出反馈设计相结合,提出一种自适应鲁棒非线性容错控制方案。本方案无需精确获得执行器故障信息,并通过引入控制参数在线自适应调整技术,使得控制器对参数、干扰以及故障变化具有很强的鲁棒性,采用Nussbaum增益方法放松了对高频增益符号已知的假设,利用鲁棒项抵补偿自适应逼近误差和未知外界干扰的影响,通过李雅普诺夫方法从理论上严格证明了整个闭环系统信号的有界性和渐进的输出跟踪。仿真结果验证了该方法的有效性。     

电弧炉的间接自适应模糊鲁棒控制

针对三相电弧炉电极调节系统的电极控制问题,设计了自适应模糊鲁棒控制器,给出了模糊鲁棒控制系统的详细设计过程.该方法考虑了跟踪误差和逼近误差对参数自适应律的影响,并对模糊逼近误差和外扰采用H∞补偿控制.仿真结果表明:该控制算法具有较好的动态响应和稳态控制精度,对外界干扰及结构参数不确定性具有很强的鲁棒性.     

天然气发动机点火提前角的优化

为提高天然气发动机的动力性和燃料经济性,对天然气发动机的点火提前角进行了优化研究.利用GTPower软件搭建了天然气发动机的仿真模型,通过理论分析与数值模拟相结合的方法,分析了点火提前角对天然气发动机缸内燃烧压力和燃烧温度、压力升高率、燃烧放热率、转矩及燃气消耗率的影响.在此基础上,利用DOE(design of experiments)模块,针对增压天然气发动机节气门全开、空燃比为22~25的工况,以转速和点火提前角为独立变量、以输出转矩为相关变量、以缸内燃烧压力峰值出现的位置及压力升高率限值为约束条件,进行了点火提前角的优化计算,得到了最佳点火提前角的三维MAP图.     

天然气/柴油双燃料发动机油气切换过程的优化控制

为避免双燃料发动机在由纯柴油工况向双燃料工况切换过程中出现的转速大幅度波动现象,在对控制系统硬件不作较大改动的前提下,改进软件算法实现油气切换过程的平稳过渡.基于能量守恒方程,建立了油气切换过程的控制模型.在PID子模型中,采用了神经元自适应PID控制模型实现参数的在线自调整.引入了最优控制中的二次型性能指标对神经元的权值进行调整.在试验台中应用此模型对稳定转速工况下(转速为1 810 r/min,发动机有效功率为其额定功率的25%)的油气切换过程进行控制,结果显示切换过程中的转速波动率小于1.6%,实现了油气切换过程的平稳过渡,提高了整机性能.     

车用天然气发动机起动及怠速过程的试验研究

采用自主研发的车用天然气发动机控制系统(ECU),针对经过改装后的JL465Q5发动机进行了起动和怠速过程的试验研究.以AVR单片机为核心,ECU采用多片式结构;采用步进电机控制旁通空气阀开度,从而控制起动和怠速工况下的空气进气量;采用电控天然气喷射阀,控制发动机运转时的天然气供给量;开发了试验监控系统,作为人机对话接口;开发了转速采集系统,可以实时准确地记录起动过程.通过试验发现,采用较浓的混合气、较高的冷却水温度均有利于天然气发动机的冷起动过程;采用增量式PID控制算法对天然气发动机怠速转速进行闭环控制是有效可行的,而且控制效果较好.试验结果表明,自主研发的控制系统和转速采集系统实用可行.     

气动发动机台架性能试验研究

作为新型动力,气动发动机的功率和气耗率是影响其运用推广的关键因素.为了准确了解气动发动机的功率和气耗率的变化趋势,利用改造的样机进行了台架试验,得到了速度特性曲线和负荷特性曲线.结果表明在进气压力不变时,随转速升高发动机功率线性下降,气耗率升高,在高转速时气耗率恶化;在转速不变的情况下,随着负荷的增加,发动机气耗率下降,进气压力升高.从结果可知气动发动机的特性不同于传统的内燃机,其最佳工作区间在较低转速、较高负荷的区域,此时,其动力性能和经济性能较好.在其推广运用过程中,要根据此特性对配套的零部件进行改造或重新设计.     

柴油机燃用液化石油气的试验研究

液化石油气不易被压燃,因此本实验采用组合燃烧的方式.在S195柴油机的基础上,增加了一套液化石油气供气系统及控制系统,实现了在柴油机中燃用液化石油气.在不同的工况下,对烧纯柴油的发动机与掺烧液化石油气时发动机的负荷特性进行了对比,结果表明,在柴油机中掺烧液化石油气时其动力性、经济性均有所下降.针对这个问题,本文分析了其原因,并提出了几点改善液化石油气发动机的燃烧性能与工作性能的措施.     

新型热声发动机驱动的脉管制冷机实验研究

为完全消除低温系统中的运动部件,简化低温系统结构并提高其可靠性,对自制新型热声发动机驱动的脉管制冷机系统进行了实验研究.对热声发动机的性能进行了实验分析,确定出系统充气压力和制冷机的接口位置,将一台单级小孔型脉管制冷机接到系统中.通过调节小孔阀,对脉管制冷机性能进行了优化.结果表明,以氦气为工质,在充气压力为2MPa时,发动机单独运行时最大压比达1.19,驱动单级小孔型脉管制冷机获得了119K的低温,这为热声制冷机系统应用于天然气液化奠定了良好基础.     

基于6134柴油机的天然气发动机凸轮型线设计

通过Matlab软件建立了基于6134柴油机改装为火花点火式天然气发动机的整机模型,宏观上描述整个发动机的热力学过程,并通过台架试验验证了该模型的可靠性。在此基础上,研究了配气机构对该天然气发动机性能的影响。应用建立的模型对发动机的配气相位与凸轮型线进行了优化设计,通过台架试验验证达到了设计要求,提高了发动机的充气效率,降低了发动机的排温。     

双燃料发动机天然气喷射控制系统及其性能

介绍了天然气 /柴油双燃料发动机的压缩天然气 (CNG)电控喷气系统的喷气方式、控制形式、控制系统构架等。试验表明 ,电控喷气可以明显改善双燃料发动机的燃料经济性 ,提高发动机的热效率 ,改善双燃料发动机的排放性能。合理选择喷射压力和喷射相位可以有效地提高燃烧速度和燃烧稳定性。     

车用柴油机三种代用燃料的性能分析

柴油机排放的尾气危害较为严重,为保护环境,最大程度地减少柴油机尾气污染,对柴油机代用燃料的研究已引起了关注.在柴油机众多的代用燃料中,以二甲醚、天然气和氢气为代表,分析了其作为柴油机代用燃料在燃烧特性、排放特性、动力性和经济性等方面的独特优势.结果表明,柴油机掺烧二甲醚在保证动力性的情况下,能同时降低NOx和碳烟排放;柴油机掺烧天然气能大幅减少碳烟排放,同时燃油经济性较好;柴油机掺烧氢气后碳烟排放较低,低负荷下能有效降低NOx排放,高负荷下NOx排放上升.     

F6L91 2 Q发动机电控柴油双燃料喷射系统试验研究

为改善柴油发动机的排放性能和实现柴油燃料的转换 ,开发了一种柴油 天然气双燃料电控喷射系统 .该系统采用电磁阀实现多点天然气的进气喷射控制 .针对F6L912Q柴油机设计的系统通过台架试验表明系统可改善柴油机的动力性和排放性能 .外特性平均燃料替代率超过 80 % .双燃料电控系统实用且可实现高天然气替代率工作 ,是改善发动机排放性能的有效方法 .