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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LQR50

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-40k58

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LQR60

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-40k72

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MRAC87

5.4.2 算例：CMAPSS-188

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-40k106

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-1115

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-1124

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-1143

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