本书是研究涡轮螺旋桨发动机气动热力机械控制机制和设计方法的专著。本书以涡桨发动机控制系统的设计要求为目标，系统介绍单轴、双轴涡桨发动机气动热力学部件级非线性动力学模型的建模方法及其线性化方法，以及涡桨发动机控制系统的时域、频域设计方法，主要包括控制系统的基本概念、原理，螺旋桨、涡桨发动机、液压机械执行机构的数学模型建立，双轴涡桨发动机液压机械式燃油控制、变距调速控制，单轴涡桨发动机数字式控制计划、防喘控制、执行机构小闭环根轨迹设计、转速闭环频域回路成型设计，双轴涡桨发动机数字式控制方案设计、双回路解耦控制、状态反馈闭环极点配置伺服控制，以及双轴涡桨发动机多变量混合灵敏度H∞控制、模型跟踪二自由度H∞控制、不确定性系统μ综合控制、高阶控制器降阶设计、验证等内容。
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第1章绪论
1.1涡桨发动机的发展历程001
1.2涡桨发动机控制特点005
1.3自动控制理论的重要作用007
1.3.1经典控制理论007
1.3.2现代控制理论012
1.4涡桨发动机控制系统设计要求016
1.4.1涡桨发动机控制系统结构组成016
1.4.2涡桨发动机控制计划021
1.4.3涡桨发动机控制变量的选择024
1.4.4涡桨发动机控制系统的设计要求024
1.5本书结构安排032
第2章控制系统的基本概念、原理
2.1系统特征不变性034
2.1.1系统特征不变性及线性模型的归一化034
2.1.2被控对象的增广及归一化与控制器的还原038
2.2渐进稳定041
2.2.1渐进稳定性定义041
2.2.2渐进稳定性判据一： 李雅普诺夫第一方法042
2.2.3渐进稳定性判据二： 劳斯赫尔维茨判据042
2.2.4渐进稳定性判据三： 根轨迹法042
2.2.5渐进稳定性判据四： 奈奎斯特判据043
2.2.6渐进稳定性判据五： 李雅普诺夫第二方法044
2.3闭环负反馈原理045
2.3.1闭环灵敏度函数、补灵敏度函数的约束条件046
2.3.2开环内嵌积分环节伺服性能047
2.3.3闭环负反馈原理048
2.4伺服跟踪和扰动抑制048
2.4.1无静差伺服跟踪048
2.4.2无静差伺服跟踪控制系统结构设计049
2.4.3内模原理050
2.5液压机械系统的两个基本动力学微分方程051
2.6小闭环控制原理052
2.7开环频域回路成型原理054
2.7.1开环频域成型原理054
2.7.2开环频域成型设计055
2.8模型降价原理059
2.8.1主导极点支配逐次迭代降阶法059
2.8.2状态空间模型降阶方法060
2.9执行机构饱和抗积分原理061
2.10热电偶传感器动态特性补偿原理062
2.10.1传感器动态模型062
2.10.2动态补偿算法064
2.10.3算例065
2.11增量式PI控制递归算法067
2.11.1增量式PI控制递归算法067
2.11.2算例068
2.12多状态控制切换最小最大原理070
2.13陷波原理071
2.14运算放大器负反馈电路的高稳定性设计原理077
2.14.1运算放大器的频率响应078
2.14.2运算放大器负反馈电路设计080
第3章螺 旋桨特性
3.1机翼升力和阻力092
3.2叶素运动学095
3.3桨盘动力学096
3.4叶素动力学100
3.5叶片动力学105
3.6螺旋桨部件特性缩比法107
第4章涡桨发动机热力循环及热力计算
4.1涡桨发动机设计点热力循环111
4.1.1大气111
4.1.2进气道112
4.1.3压气机113
4.1.4燃烧室115
4.1.5燃气涡轮116
4.1.6动力涡轮119
4.1.7尾喷管122
4.2涡桨发动机性能124
第5章自由涡轮式双轴涡桨发动机动态模型
5.1螺旋桨工作特性127
5.1.1螺旋桨特性127
5.1.2螺旋桨工作状态129
5.2螺旋桨非线性模型133
5.3涡桨发动机部件特性获取的缩比法136
5.4涡桨发动机部件模型137
5.4.1旋转部件的变比热计算原理137
5.4.2大气139
5.4.3进气道140
5.4.4压气机140
5.4.5燃烧室141
5.4.6燃气涡轮142
5.4.7动力涡轮143
5.4.8尾喷管144
5.4.9减速箱146
5.4.10螺旋桨146
5.4.11涡桨发动机性能146
5.5涡桨发动机部件级非线性动力学迭代模型147
5.5.1非线性动力学迭代模型建模方法147
5.5.2Newton Raphson迭代法147
5.5.3Broyden迭代法149
5.5.4动力学微分方程的解算步长和收敛性149
5.5.5动力学微分方程的Euler法求解150
5.5.6动力学微分方程的改进欧拉法求解150
5.5.7动力学微分方程的RungeKutta法求解150
5.5.8涡桨发动机各部件稳态共同工作平衡方程151
5.5.9涡桨发动机非线性部件级稳态模型计算流程151
5.5.10涡桨发动机各部件动态共同工作平衡方程152
5.5.11涡桨发动机非线性部件级动态模型计算流程153
5.6双轴涡桨发动机线性模型153
5.6.1基本方法153
5.6.2顺数法线性化155
5.6.3线性模型归一化158
5.6.4算例159
第6章单轴涡桨发动机动态模型
6.1涡桨发动机容腔动力学非线性模型162
6.1.1容腔动力学原理（Principle of Volume Dynamics）163
6.1.2大气 （atmosphere）165
6.1.3进气道（inlet）165
6.1.4压气机（compressor）166
6.1.5容腔Ⅰ（volume Ⅰ）169
6.1.6涡轮（turbine）169
6.1.7容腔Ⅱ（volume Ⅱ）170
6.1.8尾喷管（nozzle）171
6.1.9减速箱 （reduction gearbox）173
6.1.10螺旋桨转子动力学（propeller rotordynamics）173
6.1.11燃气发生器转子动力学（gas generator rotordynamics）174
6.1.12涡桨发动机性能 （turboprop engine performance）174
6.2单轴涡桨发动机线性模型175
第7章涡桨发动机液压机械式控制
7.1涡桨发动机控制系统基本组成177
7.2燃油控制系统179
7.2.1燃油泵组件179
7.2.2燃油调节器180
7.2.3燃油流量分配器184
7.3涡桨发动机状态燃油控制185
7.3.1起动控制186
7.3.2加速控制187
7.3.3减速控制188
7.3.4稳态控制189
7.3.5超转限制保护控制190
7.4螺旋桨变距调速系统190
7.4.1桨叶变距调速原理190
7.4.2变距调速器的稳定工作状态192
7.4.3变距调速器的闭环负反馈调节193
7.4.4螺旋桨变距调速器超转保护模式194
7.4.5螺旋桨变距调速器Beta模式194
7.4.6螺旋桨变距调速器反桨模式195
7.4.7超转保护和发动机故障顺桨196
第8章单轴涡桨发动机数字控制
8.1控制计划分析199
8.1.1涡桨发动机工作状态的选择199
8.1.2调节方案201
8.2单轴涡桨发动机控制计划202
8.2.1工作状态定义202
8.2.2单轴涡桨发动机功率管理计划203
8.2.3节流状态控制计划205
8.2.4恒转速状态组合控制计划207
8.2.5加减速过渡态控制计划213
8.3起动、加速安全工作边界217
8.4单轴涡桨发动机过渡态控制218
8.4.1起动加速到慢车状态的控制219
8.4.2从慢车状态快速加速到起飞状态的控制219
8.4.3从慢车状态慢速过渡到起飞状态的控制220
8.5压气机防喘控制220
8.5.1喘振机制220
8.5.2IGV调节防喘控制222
8.5.3VSV调节防喘控制224
8.5.4压气机中间级、末级放气防喘控制224
8.5.5采用三转子结构防喘225
8.6执行机构小闭环设计227
8.6.1执行机构小闭环回路227
8.6.2电液伺服燃油计量开环模型228
8.6.3根轨迹设计原理231
8.6.4设计算例232
8.7单轴涡桨发动机控制系统设计算例235
8.7.1单轴涡桨发动机转速控制结构235
8.7.2转速闭环控制频域回路成型设计236
8.7.3单轴涡桨发动机控制系统仿真243
第9章双轴涡桨发动机数字控制
9.1双轴涡桨发动机稳态控制回路方案设计247
9.1.1地面慢车状态控制方案247
9.1.2飞行慢车状态控制方案248
9.1.3起飞状态控制方案248
9.1.4巡航状态控制方案249
9.2双轴涡桨发动机加减速控制回路方案设计250
9.2.1地面慢车加速控制方案250
9.2.2飞行慢车减速控制方案250
9.3双回路解耦控制251
9.3.1前馈补偿去干扰原理251
9.3.2双回路解耦前馈补偿器设计252
9.3.3双回路解耦系统结构255
9.4状态反馈极点配置伺服控制规律设计256
9.4.1运动的模态256
9.4.2极点配置问题260
9.4.3期望闭环极点261
9.4.4极点配置算法263
9.4.5状态反馈极点配置伺服控制265
9.4.6转速双回路解耦前馈补偿器设计268
9.4.7燃气发生器转速输出反馈控制器设计273
9.4.8动力涡轮转速状态反馈控制器设计276
9.5仿真验证281
9.5.1线性系统仿真281
9.5.2飞行包线内仿真283
第10章双轴涡桨发动机多变量综合控制
10.1混合灵敏度H∞控制设计297
10.1.1设计原理297
10.1.2闭环灵敏度函数频域整形299
10.1.3涡桨发动机混合灵敏度H∞控制设计301
10.2涡桨发动机模型跟踪H∞控制设计311
10.2.1模型跟踪H∞控制设计311
10.2.2二自由度模型跟踪H∞控制设计328
10.3不确定性对象建模339
10.3.1参数不确定性数学描述339
10.3.2动态不确定性数学描述340
10.3.3乘性不确定性权函数的计算341
10.3.4未建模动态乘性不确定性权函数的确定341
10.3.5乘性不确定性闭环系统的鲁棒稳定性RS342
10.3.6标称性能NP的权函数的设计343
10.3.7鲁棒性能RP的评估345
10.4不确定性系统的鲁棒控制设计与鲁棒裕度345
10.4.1不确定性控制系统架构345
10.4.2鲁棒稳定性和鲁棒性能要求347
10.4.3ΔM结构的鲁棒稳定性348
10.4.4非结构化不确定性的鲁棒稳定性348
10.4.5不确定性鲁棒稳定性的μ检测方法348
10.4.6不确定性系统鲁棒性能的μ检测方法349
10.4.7鲁棒稳定性和鲁棒性能的μ分析350
10.4.8μ控制器的DK迭代法351
10.5涡桨发动机不确定性系统μ综合控制设计351
10.5.1模型跟踪μ控制设计351
10.5.2二自由度模型跟踪μ控制设计393
参考文献406
京公网安备 11010102004214号