本發(fā)明涉及一種短垂推進系統(tǒng)模式轉換走廊求解方法，其屬于航空發(fā)動機控制領域。

背景技術：

1、短距垂直起降飛機是一種能垂直或在很短距離起飛和著陸的飛機。該類飛機通常采用短距起飛、垂直降落的起降模式，簡稱短垂飛機。短垂飛機在起飛時同時利用機翼和推進系統(tǒng)(如帶有推力矢量噴管的主發(fā)動機、升力風扇或升力發(fā)動機等)產生升力，而在垂直降落時完全依靠推進系統(tǒng)產生升力。短垂飛機可以靈活起降，又可以實現快速飛行，兼有常規(guī)固定翼飛機和直升機優(yōu)勢，可搭載于兩棲攻擊艦和中小型航母，是一種重要的航空裝備。其中，短垂推進系統(tǒng)是保證戰(zhàn)斗機具備短距/垂直起降能力的關鍵。短垂推進系統(tǒng)與現役常規(guī)推進系統(tǒng)最大的不同是除產生主推力之外還需提供輔助升力，以滿足戰(zhàn)斗機短距/垂直起降過程中的升力需求，提供輔助操縱力矩，以滿足戰(zhàn)斗機短距/垂直起降過程中控制姿態(tài)的需求。

2、以f135-pw-600為代表的軸驅動升力風扇型(shaft?driven?lift?fan,sdlf)超音速短垂推進系統(tǒng)能夠滿足不同模式的涵道比(bypass?ratio,bpr)需求，具有較高的熱力循環(huán)效率和推進系統(tǒng)復用性。然而在推進系統(tǒng)的模式轉換中，低壓軸功率提取和外涵道引氣量發(fā)生巨大變化，極大影響了升力巡航發(fā)動機的匹配。此過程需要綜合調節(jié)尾噴口喉道面積(a8)、后可變面積涵道引射器(rear?variable?area?bypass?injector,rvabi)等執(zhí)行機構，在保證升力巡航發(fā)動機渦輪前溫度穩(wěn)定、壓縮部件不喘振、混合室不臨界不反流等安全約束的前提下，大幅度改變低壓軸傳遞功率和外涵道引氣量。因此，有必要開展短垂推進系統(tǒng)模式轉換控制計劃設計，以實現安全平穩(wěn)的模式轉換。

3、雖然學界已經建立了短垂推進系統(tǒng)的動態(tài)模型，可以實現模式轉換仿真，但對于模式轉換控制計劃的研究仍然十分有限。長期以來，短垂推進系統(tǒng)模式轉換控制計劃常常采用試湊法求得。這些資料未能提出科學的控制計劃設計方法，不僅缺乏普遍性，還常常使得推進系統(tǒng)監(jiān)測量超出限制范圍。近年來，本領域出現了以優(yōu)化法設計控制計劃的研究，然而，優(yōu)化法會使推進系統(tǒng)緊貼安全邊界(即模式轉換中為保證安全所需的控制量邊界)，因此對于模型和控制的精度要求高，控制計劃魯棒性低，為其實際應用帶來阻礙。針對上述問題，可以借鑒傾轉旋翼飛機、尾座式飛機等領域中過渡過程走廊的概念，確定模式轉換過程中控制量的安全邊界，構建推進系統(tǒng)的模式轉換走廊，并設計遠離各安全邊界的魯棒控制計劃。

4、然而，相比于傾轉旋翼飛機、尾座式飛機等領域中過渡過程走廊，短垂推進系統(tǒng)的模式轉換走廊維數高，計算量大，且模型存在收斂性問題。當使用傳統(tǒng)的遍歷法求解走廊時，不僅僅存在時間成本高的問題，還很容易超出推進系統(tǒng)模型的表征范圍，使得已有的求解方法難以應用于推進系統(tǒng)的模式轉換走廊求解中。為了克服上述問題，近年來出現了利用優(yōu)化方法求解走廊邊界的文獻，相比遍歷法能夠高精度快速求解走廊邊界。但當研究對象模型具有收斂性問題，或者需要在模型表征范圍邊界附近求解走廊時，優(yōu)化法的求解精度和速度都會顯著惡化，甚至難以實際使用。

技術實現思路

1、本發(fā)明正是針對現有技術存在的不足，提出一種短垂推進系統(tǒng)模式轉換走廊求解方法。針對走廊求解過程中推進系統(tǒng)模型迭代初值選取不當而造成的收斂性問題，本方法選取一個已知的可行控制計劃作為初始值，保證模型在這個控制計劃內是收斂的，然后逐步擴大搜索范圍，避免因為初值選取的原因發(fā)生不收斂。針對遍歷法和優(yōu)化法求解速度緩慢的問題，本方案將優(yōu)化問題轉化為方程求解問題，利用牛頓法二階收斂特性，實現走廊邊界的高精度快速求解。

2、短垂推進系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模式轉換走廊的定義為：短垂推進系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模式轉換走廊是使得升力巡航發(fā)動機穩(wěn)態(tài)模型在模式轉換中滿足安全約束的控制輸入量up的集合uco。

3、推進系統(tǒng)模式轉換控制計劃中涉及的控制輸入量主要包括離合器軸向壓緊力fcl、滾轉噴口面積arn、燃油流量wf，尾噴管喉道面積a8，外涵道出口面積a52。其中，fcl和arn直接表征推進系統(tǒng)模式轉換的進程，一般作為控制計劃中的調度量，則控制計劃可以表示為：

4、

5、對于短垂推進系統(tǒng)而言，控制輸入量共有五個，則過渡走廊有五個維度，難以開展研究，因此本文作出如下化簡：

6、1.離合器脫開(接合)和滾轉噴管關閉(打開)是推進系統(tǒng)模式轉換的主要目的，離合器壓緊力和滾轉噴口面積分別表征離合器脫開(接合)和滾轉噴管關閉(打開)的程度，直接反映模式轉換的進程。這兩個反映模式轉換進程的變量可以相互構建一個函數關系，消除一個自由度。由此，原先的控制計劃可以化為：

7、

8、其中，arn＝arn(fcl)在本文中設為線性關系，比例系數由第二設計點決定。

9、2.由于渦輪前總溫t4對熱效率的影響較大，因此希望通過調節(jié)wf，使得t4能夠在模式轉換的過程中保持在t4,goal。此舉可以進一步簡化走廊，實現走廊維度上的縮減。

10、至此，原先的五個控制量中只有三個可以獨立變化，即尾噴管喉道面積u1＝a8、外涵道出口面積u2＝a52和離合器壓緊力u3＝fcl。這三個變量可以構成推進系統(tǒng)模式轉換走廊的坐標軸。

11、本發(fā)明的目的是通過下述技術方案實現的。

12、本發(fā)明提出一種短垂推進系統(tǒng)模式轉換走廊求解方法?？汕蠼庖噪x合器壓緊力u1為x軸，尾噴口喉道面積u2為y軸，外涵道出口面積u3為z軸的短垂推進系統(tǒng)走廊上邊界和下邊界主要包括以下步驟：

13、步驟1：使用變量替換法或者其他傳統(tǒng)方法設計一條可行的模式轉換控制計劃，其中u2的控制計劃為u20(u1)，u3的控制計劃為u30(u1)，并設i＝0，用于代入步驟3和步驟4；進入步驟2；

14、步驟2：設j＝0，并更新當前循環(huán)下的離合器壓緊力u1＝u1,i：

15、

16、用于代入步驟5，進入步驟3；

17、步驟3：更新當前循環(huán)下的尾噴口喉道面積u2＝u2,j：

18、

19、用于代入步驟5，進入步驟4；

20、步驟4：給定u3的初值u3,1；若j＝0，則u3,1＝u30(u1,i)；若j>0，則令：

21、

22、用于代入步驟5；

23、步驟5：以u3為決策變量，u3,1為初值，使用基于牛頓法的約束集區(qū)間求解方法，求解在約束[ymin-y?y-ymax]≤0下u3的上界和下界并代入步驟6，其中y＝y(tǒng)(u1,u2,u3)為推進系統(tǒng)的輸出約束量，ymin和ymax分別為約束輸出量y的下限和上限；

24、步驟6：比較和的大小，確定約束集是否存在；若j<nu2-1，則令j＝j+1并進入步驟3；若j＝nu2-1且i<nu1-1，則令i＝i+1并進入步驟2；若j＝nu2-1且i＝nu1-1，則進入步驟7；

25、步驟7：求解流程終止，輸出與其中i＝0,2,l,nu1-1，j＝0,2,l,nu2-1。

26、在上述求解方法中，步驟5所述基于牛頓法的約束集區(qū)間求解方法，可用于求解多個單調約束ci(z)≤0,i＝1,2,l,nc下z的上界zmax和下界zmin，主要包括以下步驟：

27、步驟1：確定決策量初值z1、單調約束函數ci(z),i＝1,2,l,nc、收斂容差tol以及最大迭代次數niter,max，并代入步驟2開始zmax迭代計算；

28、步驟2：令k＝1，進入步驟3；

29、步驟3：根據上一步的迭代近似解zk，當k＝1時zk＝z1，使用如下公式計算nc個可能的迭代近似解增量δzk,i并代入步驟4：

30、

31、步驟4：使用如下公式選取迭代近似解增量δzk并代入步驟5：

32、δzk＝minδzk,i,i∈si?(19)

33、其中，si為使得ci遞增的i的集合：

34、

35、i為不滿足的約束的i的集合：

36、i(z)@{i|ci(z)≥0}?(21)

37、u為i的全集：

38、u＝{1,2,l,nc}?(22)

39、步驟5：更新迭代近似解zk，代入步驟6：

40、zk+1＝zk+δzk?(23)

41、步驟6：迭代收斂條件為：

42、|maxci(zk)|<tol,i∈si?(24)

43、若迭代次數k已大于最大迭代次數niter,max，則回到步驟1，重新設定迭代初值z1；若式(24)所示的迭代收斂條件不成立，則回到步驟3；若式(24)所示的迭代收斂條件成立，則進入步驟7開始zmin迭代計算；

44、步驟7：令k＝1，并進入步驟8；

45、步驟8：根據上一步的迭代近似解zk(當k＝1時zk＝z1)，使用式(18)計算nc個可能的迭代近似解增量δzk,i并代入步驟9；

46、步驟9：使用如下公式選取迭代近似解增量δzk并代入步驟10：

47、δzk＝maxδzk,i,i∈sd?(25)

48、其中，sd為使得ci遞減的i的集合：

49、

50、i為不滿足的約束的i的集合：

51、i(z)@{i|ci(z)≥0}?(27)

52、步驟10：按照式(23)更新迭代近似解zk并代入步驟11；

53、步驟11：迭代收斂條件為：

54、|maxci(zk)|<tol,i∈sd?(28)

55、若迭代次數k已大于最大迭代次數niter,max，則回到步驟1，重新設定迭代初值z1；若式(28)所示的迭代收斂條件不成立，則回到步驟8；若式(28)所示的迭代收斂條件成立，則進入步驟12；

56、步驟12：求解流程終止，輸出得到的zmin和zmax。