《轴流式压气机模糊防喘控制器的设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《轴流式压气机模糊防喘控制器的设计（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1基于模糊理论的轴流式压气机防喘控制器的设计基于模糊理论的轴流式压气机防喘控制器的设计摘要摘要 为实现对轴流式压气机的喘振现象进行有效控制，在对双转子轴流式压气机过渡态 工作的模拟和对压气机可调参数变化对其工作特性的影响分析的基础上，提出采用模 糊控制技术对压气机喘振现象进行主动控制并研究了压气机防喘的模糊控制规律，设 计了基于模糊控制集合理论的防喘控制器，和对该控制器进行了计算机仿真。仿真结 果证实了该模糊控制器的实用可行。 To control the occurrence of surge in axial flow compressors , simulation on the com
2、pressors transition working states was carried out, also the analysis of the influence of the alterable parameters on its working states. Based on the simulation and analysis, the principle of control the surges occurrence with fuzzy control technology was formulated , fuzzy control law was designed
3、 based on the fuzzy aggregate theory , and an fuzzy controller was designed and simulated. Simulation results shows the controllers credibility and practicability.Based on the simulation of the engines transition working states and the investigation of the influences on the engines work state given
4、by the change of engines controllable parameter, An active fuzzy controller based on the fuzzy aggregate theory was designed in this paper. The controller aims to avoid the surge occurrence by adjust the values of fuel, throttle, and air exhausted between high and low pressure compressors according
5、to the value of SML,SMH and their changing ratio. The simulation result shows the credibility of the controller. Keyword Active control, Fuzzy Control , Surge.通过对双转子轴流式压气机过渡态工作的模拟，对压气机可调参数变化对其工作特性的影响进 行了分析，设计了压气机防喘控制规律和基于模糊控制集合理论的防喘控制器，并对该防喘控制模 型进行了计算机仿真。仿真结果表明控制规律实用可行， 。通过对双转子轴流式涡喷发动机过渡态工作的模拟和研究，以及
6、对各可调参数变 化对压气机工作特性的影响分析，本文对压气机防喘控制规律进行了研究，并设计了 基于模糊控制集合理论的轴流式压气机防喘控制器。该控制器以压气机的高、低压压 气机的喘振裕度及其变化率为控制对象，以发动机供油量、尾喷口面积、压气机中间 级放气量为控制变量实施主动控制。经计算机模拟，该模糊控制器能有效防止压气机 入喘，从而对提高发动机的效能具有重要作用。 关键词关键词 主动控制，模糊控制，喘振 一、引言一、引言2自涡轮喷气发动机问世以来，喘振现象就引起了人们的广泛注意，并进行了大量 的、卓有成效的研究。回顾防喘技术的发展，大致可分为两大体系：一是在发动机的 本体设计上，通过采用双转子甚至
7、三转子，压气机中间级放气等措施来提高发动机的 喘振裕度，并在实际工作中限制发动机的工作范围。近年来又有人提出采用诸如非对 称叶片或利用轮毂失速来收集失速团的方式来避免压气机喘振4；二是外加控制装置， 又可以分为被动防喘和主动防喘两种。 自从 1986 年 Epstein 、Ffowcs williams 和 Greitzer 等人提出喘振的“主动控 制”思想以来，对于压气机的主动控制技术得到了人们的广泛认可并进行了大量的研 究。喘振主动控制囊括了众多技术学科，其中采用控制理论建立与系统流体力学相关 的控制模型是实现主动控制的关键之一，由于喘振主动控制是叶轮机非定常研究的新 方向，探索与现代控制
8、技术相衔接的控制模型及方法就显得尤为重要。目前失稳主动 控制的模式多采用 PID 模型，模糊控制模型及其相关研究并不多见1，4，6。本文对此 作一初步探讨。 模糊控制是一种非线性控制方法，工作范围宽，适用范围广，特别适合对非线性 系统的控制。且它具有内在的并行处理机制，表现出极强的鲁棒性；模糊控制器的设 计参数也比较容易调整2,11，不依赖于被控对象的数学模型，对无法建模或难以建模 的复杂对象，也能利用人的经验知识来设计模糊控制器完成控制任务11。因而，特别 适合像对压气机喘振这种原理尚不明晰的复杂系统的控制。二、模糊控制器的设计二、模糊控制器的设计 设计一个模糊控制器通常由以下几个步骤组成2
9、： （1） 模糊量化处理模块：确定模糊控制参数、设计模糊控制参数的隶属度函数；（2） 模糊推理模块（设计控制规则、确定模糊推理方法） 。 1、参数的选择参数的选择 通过建立发动机过渡态工作和压气机可调参数变化对喘振裕度影响的计算机模拟 3，本文选取尾喷口面积、发动机供油量和压气机中间级放气量作为控制参数，并得 出如下结论（该结论也是本文设计模糊控制规律的主要依据）：1）尾喷口面积变化对高低压压气机喘振裕度变化的影响：开大尾喷口面积，eA使高、低压涡轮落压比、增大，使得高、低压涡轮的输出功增加，* th* tl从而进一步导致高、低压转子转速、上升，而低压转子转速上升又2n1n1n会导致低压压气机
10、入口流量上升，虽说对高低压压气机的影响效果相1am同，但影响幅度不同。同理，通过计算机模拟，尾喷口减小时的发动机性 能参数变化情况同开大尾喷口时相反。模糊化模糊推理反模糊化输出 输入知识库图 1 模糊控制器结构图模糊控制器32）供油量变化对压气机喘振裕度的影响分析：供油量减小，直接影响到高、 低压涡轮落压比，使涡轮输出功降低，进而导致转子转速下降，但由模拟 结果可以看出，低压转子转速比高压转子转速下降快，且低压转子换算转 速在 0.7 以下时，喘振裕度较小，此时若不加以控制，极有可能入喘。3）压气机中间级放气对压气机喘振裕度的影响：压气机中间级放气，可调节 高、低压压气机流量系数，但高低压压气
11、机中间级放气，会使低压压气机 喘振裕度有所提高，但却使高压压气机喘振裕度有所降低3。 2、模糊化模糊化 参数模糊化，即为每一参数设计一隶属度函数根据对发动机可调参数及其对喘振 裕度的影响的分析，需模糊化的参数有以下几种：高、低压压气机喘振裕度及其变化 率、供油量、尾喷口面积和压气机中间级放气量。 隶属度函数的选取基本上是由设计者根据自己的经验和需要进行的，常用的有钟 型、三角型、梯形等，本文采用了三角形隶属函数。以低压压气机喘振裕度的模糊化 过程为例（见图 2）：低压压气机喘振裕度 SML, ,11PSPMPBAAAAAniiLL3、控制规律控制规律 通过前面对各可调参数变化对高、低压压气机喘
12、振裕度的影响，设计控制规律如 下： 当时，调整喷口面积和放气量,调节规律如下：05. 0,05. 0smhsml的调节规律： 表 1eA smleAsmlNBNMNSZEROPSPMPBPBPBPBPBPMPMPSPSPMPBPBPMPS000PSPMPSPS0000的调节规律： 表 2 qx0.05 0.025 PM PB PS SML 图 2 低压压气机喘振裕度隶属度函数图4 smlqxsmlNBNMNSZEROPSPMPBPBPBPBPBPMPMPSPSPMPBPBPMPS000PSPMPSPS0000 当只调节喷口面积。05. 0,05. 0smhsml的调节规律： eA表 3 smh
13、eAsmhNBNMNSZEROPSPMPBPBPBPBPBPMPMPSPSPMPBPBPMPS000PSPMPSPS0000 当，应分别根据高、低压压气机喘振裕度及其变化率调05. 0,05. 0smhsml整喷口面积，根据分析：发动机在过渡态工作时，低压压气机较高压压气机更容易入 喘。因而在有些情况下，应设置一个权重系数，使喷口面积的调整不仅能同时照顾到 高、低压压气机已经接近喘振边界这一现实，同时又能体现对低压压气机喘振裕度优 先保障的原则，经过多次运算及仿真，本文中采用的权重因子。即：假设由低8 . 0压压气机喘振裕度及其变化率计算所得的喷口面积需调节为，由高压压气机喘振裕eLA度及其变
14、化率计算所得的喷口需调节面积为，则最后的输出结果为：eHA式 1eHeLeAAA)1 (注：由高、低压压气机喘振裕度及其变化率计算喷口面积或放气量的模糊控制规律同上面所述。 当涡轮前温度摄氏度时（燃烧室超温） ，调供油量：1800* 3T5式 2afdafmm8 . 0 当时（由于在模拟减速过程中，低压转子转速下降较快，但一般6 . 0Lcorn不低于这一数值，同时，由于数据限制，本文研究过程中所收集到的数据也只到该转速） ，调供油量：式 3afdafmm2 . 14、模糊推理反模糊化 模糊推理（也称为近似推理） ，是从几个模糊命题推导出一个模糊命题的推理方 法。模糊推理的方法有许多种。本文采
15、用的是最常用的 Mamdani 法，也称为 Min-Max 重心法。模糊控制规则的一般形式为：IF x is A,THEN y is B 式 4事实：x is ,then y is 式 5AB这里，A 和不总是相同的，这里，我们将式 4 称为广义的肯定前件的假言推理，A写作：，这是一个模糊条件，可用蕴含来表示，它的隶属函数为：BA ba 式 6)()(),(yxyxBABAMamdani 将蕴含解释为：ba 式 7baba这样，采用这种方法，由式 5 所推导出的结论应为：B式 8)()()()()()()()()()(xxxxxxxxxyBAxBBBAxBBAxB图 3 由 Mamdani 法所得到的推理结果1AABBxy6其中的是模糊集合和的交集的高度，可以将其理解为和之间的一致AAAA性程度。结论则可通过对一致性和取小来得到。见图 3：B)(yB从图 3 可以看出，由于模糊集 B 的顶采用而截去，所以这种推理方法有时也叫做截头法。在模糊推理中，我们用最后得到的推理结果的重心作为它的代表点，其数值B0y可用下述方法求得(输出值采用位置增量输出的形式)：式 9 dyydyyy yBB)()(
