保正版！航空燃气涡轮发动机控制(第2版)(精)/航空发动机系列/大飞机出版工程孙健国,李秋红,杨刚,张海波9787313245731上海交通大学出版社

作为创新型国家的标志工程,大型飞机研制重大科技专项已于2007年2月由国务院正式批准立项。为了对该项重大工程提供技术支持,2008年5月,上海交通大学出版社酝酿“大飞机出版工程”,并得到了国家出版基金资助,现已正式立项。“航空发动机系列丛书”是“大飞机出版工程”的组成部分。
    航空发动机为飞机提供动力,是飞机的心脏,是航空工业的重要支柱,其发展水平是一个国家综合国力、工业基础和科技水平的集中体现,是国家重要的基础性战略产业,被誉为现代工业“皇冠上的明珠”。建国以来,发动机行业受到国家的重视,从无到有,取得了长足的进步,但与航空技术先进国家相比,我们仍有较大差距,讨厌的东西同“心脏病”的问题,仍很严重,这已引起国家高度重视,正采取一系列有力措施,提高科学技术水平,加快发展进程。
    航空发动机经历了活塞式发动机和喷气式发动机两个发展阶段。在第二次世界大战期间,活塞式发动机技术日臻成熟,已达到很高水平,但由于其功率不能满足对飞行速度不断提高的要求,加之螺旋桨在高速时尖部激波使效率急剧下降,也不适合高速飞行,这些技术方面的局限性所带来的问题表现得日益突出,客观上提出了对发明新式动力装置的要求。在此背景下,1937年,英国的Frank Whittle, 1939年德国的von Ohain在相互隔绝的情况下,先后发明了喷气式发动机,宣布了喷气航空新时代的来临。喷气发动机的问世,在很短的时间内得到了飞速发展,在很大程度上改变了人类社会的各个方面,对科学技术进步和人类生活产生了深远的影响。
    喷气式发机是燃气涡轮发动机的一种类型,自其问世以来,已出现了适用于不  同用途的多种类型,得到了长足的发展。在20世纪下半叶,它已占据航空动力装置的统治地位,预计起码到21世纪上半叶,这种地位不会改变。现在一般所说的航空发动机都是指航空然气涡轮发动机。本系列丛书只包含与这种发动机有关的内容。
    现代大型客机均采用大涵道比涡轮风扇发动机,它与用于战斗机的小涵道比发动机有一定区别,特别是前者在低油耗、低噪声、低污染排放、高可靠性、长寿命等方面有更高的要求,但两者的基本工作原理、技术等有很大的共同性,所以除了必须指明外,本系列丛书不再按大、小涵道比（或军、民用）分类型论述。
    
航空发动机的特点是工作条件恶劣而使用要求又非常之高。航空发动机是在高温、高压、高转速特别是很快的加减速瞬变造成应力和热负荷高低周交变的条件下工作的。以高温为例,目前先进发动机涡轮前燃气温度高达1800～2000K,而现代三代单晶高温合金耐温为1376K；这600多度的温度差跑只能靠复杂的叶片冷却技术和隔热涂层技术解决。发动机转速高达10000~60000r/min,对应的离心加速度约为100000g的量级,承受如此高温的叶片在如此高的离心负荷下要保证安全、可靠、长寿命工作,难度无疑是非常之高的。
    航空发动机是多学科交融的高科技产品,涉及气动力学、固体力学、热力学、传热学、燃烧学、机械学、自动控制、材料学、加工制造等多个学科。这些学科的科学问题,经科学家们长期的艰苦探索、研究,已取得很大成就,所建立的理论体系,可以基本反映客观自然规律,并用以指导航空发动机的工程设计研制。这是本系列丛书的基本内容。但是必须指出,由于许多科学问题,至今尚未得到根本解决,有的甚至基本未得到解决,加之多学科交叉,大大增加了问题的复杂性,人们现在还不能完全靠理论解决工程研制问题。以流动问题为例,气流流过风扇、压气机、燃烧室、涡轮等部件,几何边界条件复杂,流动性质为强三维、固有非定常、包含转捩过程的复杂湍流流动,而湍流理论至今基本未得到解决,而且在近期看不见根本解决的前景。其他的学科也在不同程度上存在类似情况。
    由于诸多科学问题还未得到很好解决,而客观上又对发展这种产品有迫切的需求,人们不得不绕开复杂的科学问题,通过大量试验,认识机理,发现规律,获取知    
识,以基本理论为指导,理论与试验数据结合,总结经验关系,制订各种规范……并以此为基础研制发动机。在认识客观规律的过程中,试验不仅起着揭示现象、探索机理的作用,也是检验理论的终手段。短短七八十年,航空发动机取得如此惊人的成就,其基本经验和技术途径就是如此。
    总之,由于科学问题未得到很好解决,多学科交叉的复杂性,加之工作条件恶劣而使用要求又非常之高的特点,使得工程研制的技术难度很大,这些因素决定了航空发动机发展必须遵循以大量试验为支撑的技术途径。
随着计算机和计算数学的发展,计算流体力学、计算固体力学和计算传热学、计算燃烧学等取得了长足的进展,为深入认识发动机内部复杂物理机理、优化设计和加速工程研制进程、逐步减少对试验的依赖起着非常重要的作用。但是由于上述诸多科学问题尚未解决,纯理论的数值计算不能完全准确反映客观真实,因而不能完全据此进行工程研制。目前先进国家的做法,仍是依靠以试验数据为基础建立起来的经验关联关系。在数值技术高度发展的今天,人们正在做出很大的努力,利用试验数据库修正纯理论的数值程序,以期能在工程研制中发挥更大作用。
    钱学森先生曾提出技术科学的概念,它是搭建科学与工程之间的桥梁。航空发动机是典型的技术科学。而以试验为支撑的理论、经验关系、设计准则和规范等则是构建此桥梁的水泥、砖石。
    对于航空发动机的科学、技术与工程之间的关系及其现状的上述认识将反映在本系列丛书中,并希望得到读者的认同和注意。
    “发动机系列丛书”涵盖总体性能、叶轮机械、燃烧、传热、结构、固体力学、自动控制、机械传动、试验测试、适航等专业方向,力求达到学科基本理论的系统性,内容的相对完整性,并适当结合工程应用。丛书反映了学科的近期和未来的可能发展,注意包含相对成熟的先进内容。
    本系列丛书的编委会由来自高等学校、科研院所和工业部门的教师和科技工作者组成,他们都有很高的学术造诣,丰富的实际经验,掌握全局,了解需求,对于形成系列丛书的指导思想,确定丛书涵盖的范围和内容,审定编写大纲,保证整个丛书质量,发挥了不可替代的重要作用。我对他们接受编委会的工作,并做出了重要贡献  表示衷心感谢。
    本系列丛书的编著者均有很高的学术造诣,理论功底深厚,实际经验丰富,熟悉本领域国内外情况,在业内得到了高度认可,享有很高的声望。我很感谢他们接受邀请,用他们的学识和辛勤劳动完成本系列丛书。在编著中他们融入了自己长期教学科研生涯中获得的经验、发现和创新,形成了本系列丛书的特色,这是难能可贵的。
    本系列丛书以从事航空发动机专业工作的科技人员、教师和与此专业相关的研究生为主要对象,也可作为本科生的参考书,但不是本科教材。希望本丛书的出版能够有益于航空发动机专业人才的培养,有益于提高行业科学技术水平,有益于航空工业的发展,为中国航空事业做出贡献。
    
2013年12月

本书主要以大飞机用的航空燃气涡轮发动机为被控对象,以发动机全权限数字式电子控制(FADEC)为核心，阐述了发动机控制系统的基本原理、发展与展望;发动机建模，发动机稳态控制;发动机过渡态控制，发动机先进控制技术，发动机容错控制，发动机健康管理，并介绍了一种大飞机发动机典型控制系统。本书可作为从事燃气涡轮发动机控制专业以及总体专业的科研、设计与教学人员的参考书,也可作为相关专业高年级本科生、硕士生和博士生的参考书。

1绪论

1.1航空燃气涡轮发动机控制系统的组成功能和基本原理

1.1.1 控制系统的组成

1.1.2 控制系统的功能和基本原理

1.2航空燃气涡轮发动机控制系统的发展及展望

1.2.1 数字式电子控制

1.2.2 多变量控制

1.2.3 综合控制

1.2.4 容错控制

1.2.5 分布式控制

1.2.6模型基控制

1.2.7健康管理

1.2.8主动控制

1.3航空燃气涡轮发动机控制系统的设计要求

1.3.1 性能要求

1.3.2 可靠性要求

1.3.3重量要求

1.3.4 维修性要求

2航空燃气涡轮发动机的建模与仿真

2.1引言

2.1.1发动机数学模型的种类

2.1.2对模型的要求

2.1.3建模方法

2.2部件级模型

2.2.1稳态部件级模型及其仿真

2.2.2 动态部件级模型及其仿真

2.2.3容积动力学和传热动力学

2.2.4改善模型收敛性的方法

2.2.5提高模型实时性的措施

2.3状态变量模型

2.3.1 偏导数法

2.3.2 拟合法

2.3.3须注意的几个问题

2.4智能模型

2.4.1 人工神经网络模型

2.4.2遗传算法建模

2.5 自适应模型

2.5.1 自适应模型概述

2.5.2输入转换模块

2.5.3状态变量模型模块

2.5.4增广状态变量模型模块

2.5.5卡尔曼滤波器模块

2.5.6神经网络模块

2.5.7稳态基线模型模块

2.5.8 输出转换模块

2.5.9非线性计算模块

2.5.10仿真结果

2.6组件对象模型

2.6.1 引言

2.6.2组件化设计思想

2.6.3 COM接口

2.6.4动态链接库

2.6.5部件模型的组件化

2.6.6组建发动机模型

3航空燃气涡轮发动机稳态控制

3.1发动机稳态共同工作及控制计划

3.1.1发动机的共同工作

3.1.2涡扇发动机的控制计划

3.2单转子发动机稳态控制

3.2.1单转子发动机控制零极点对消法设计

3.2.2单转子发动机控制根轨迹和频率响应设计

3.2.3 PID控制参数对发动机响应的影响

3.3双转子(涡扇)发动机稳态控制

3.3.1不带执行机构动力学的双转子(涡扇)发动机PI控制律设计

3.3.2带有执行机构动力学的双转子(涡扇)发动机PID控制律设计

3.4发动机控制量的选择——用燃油流量比作为控制变量

3.5航空发动机控制的全包线扩展

4航空燃气涡轮发动机过渡态控制

4.1发动机过渡态控制总述

4.1.1 发动机起动过程控制要求

4.1.2发动机加速过程控制要求

4.1.3发动机减速过程控制要求

4.2过渡态控制设计方法

4.2.1基于程序的过渡态控制(开环控制)

4.2.2 基于转加速度n的过渡态控制(闭环控制)

4.3加减速控制

4.3.1基于程序的加、减速控制

4.3.2基于n的加减速控制

4.4 加速控制过程中的非线性

4.4.1 增益调参

4.4.2抗积分饱和

4.5 限制保护控制器设计

4.6控制综合

4.6.1单转子发动机控制器综合

4.6.2双转子发动机控制器综合

5航空燃气涡轮发动机先进控制技术

5.1发动机鲁棒控制

5.1.1 发动机ALOR控制方法

5.1.2发动机H_∞/LTR控制技术

5.2发动机智能控制

5.2.1发动机自适应神经网络PID控制

5.2.2发动机神经网络逆模型PI控制

5.3发动机性能蜕化缓解控制

5.3.1性能蜕化缓解控制机理

5.3.2推力估计技术

5.3.3性能蜕化缓解控制器设计

5.4发动机综合性能实时优化控制

5.4.1概述

5.4.2发动机性能寻优控制原理

5.4.3发动机性能寻优控制算法

5.4.4性能寻优用的机载发动机模型

5.4.5发动机性能寻优控制数字仿真验证

5.5发动机涡轮主动间控制

5.5.1概述

5.5.2发动机涡轮叶尖间隙模拟及主动控制原理

5.5.3数字仿真验证

5.6发动机主动稳定性控制

5.6.1 概述

5.6.2基于相关度测量的主动稳定性控制技术原理

5.6.3发动机主动稳定性控制器设计

5.6.4基于压力相关度测量的主动稳定性控制仿真算例

6航空燃气涡轮发动机容错控制

6.1基于系统重构的多通道容错控制

6.1.1 故障检测

6.1.2 余度技术

6.1.3容错控制

6.2基于支持向量机的传感器解析余度技术

6.2.1约简小二乘支持向量机

6.2.2在线训练约简小二乘支持向量机

6.2.3基于在线RLSSVR的航空发动机传感器解析余度

6.3基干离线训练神经网络的传器解析余度技术

6.3.1基于BP神经网络的稳态智能映射模块

6.3.2基于BP神经网络的动态智能修正模块

6.3.3 基于Kalman滤波器的发动机蜕化影响补偿模块

6.4基于控制器切换的主动容错控制

6.5基于模型的执行机构故障诊技术

6.5.1执行机构故障诊断系统设计

6.5.2执行机构模型

6.5.3发动机逆模型

6.5.4执行机构故障诊断仿真

7航空燃气涡轮发动机健康管理

7.1健康管理系统概述

7.1.1机载健康管理系统

7.1.2地面健康管理系统

7.1.3健康管理系统的信息处理

7.2发动机健康监视系统

7.2.1发动机健康监视系统体系结构

7.2.2发动机结构健康监视系统

7.2.3发动机气路健康监视系统

7.3基于模型的发动机健康评估

7.3.1对象分析

7.3.2奇异值分解方法

7.3.3基于奇异值分解的健康分析

7.4发动机故障定位技术

7.4.1 小二乘支持向量分类机

7.4.2学习机

7.4.3传感器与部件故障诊断系统

7.5基于Kalman滤波的气路健康评估

7.5.1增量式LKF与EKF

7.5.2 UKF估计方法

8大飞机涡扇发动机典型控制系统

8.1发动机燃油系统概述

8.2发动机燃油系统工作原理

8.3燃油供给和分配系统

8.3.1燃油供油管道

8.3.2具有离心增压级和主齿轮级的燃油泵

8.3.3燃油/滑油热交换器

8.3.4燃油滤

8.3.5 燃油滤压差开关

8.3.6伺服燃油加热器

8.3.7液压机械装置(HMU)

8.3.8燃油流量变送器(传感器)

8.3.9燃油温度传感器

8.3.10燃油总管

8.3.11 燃油喷嘴

8.3.12燃烧室排油阀

8.4 FADEC系统

8.4.1 概述

8.4.2 FADEC功能

8.4.3 FADEC接收的输入信号

8.4.4 FADEC的核心部件ECU

8.4.5 ECU接口

8.4.6发动机控制的又一重要部件HMU

8.4.7 FADEC的其他外围元部件

8.5发动机起动控制

8.5.1发动机起动概述

8.5.2 起动/点火

8.5.3正常自动起动

8.5.4正常手动起动

8.5.5发动机运转

8.6涡轮主动间隙控制系统

8.6.1高压涡轮主动间隙控制系统

8.6.2 低压涡轮主动间隙控制系统

8.7压气机控制

8.7.1可变放气阀(VBV)控制系统

8.7.2可变静止叶片(VSV)控制系统

8.8反推力控制

8.9功率控制

8.9.1油门控制

8.9.2油门控制杆

8.9.3反推力装置控制杆

8.9.4油门控制手感装置

8.9.5 ENG/MASTER控制

本书主要以大飞机用的航空燃气涡轮发动机为被控对象,以发动机全权限数字式电子控制(FADEC)为核心，阐述了发动机控制系统的基本原理、发展与展望;发动机建模，发动机稳态控制;发动机过渡态控制，发动机先进控制技术，发动机容错控制，发动机健康管理，并介绍了一种大飞机发动机典型控制系统。本书可作为从事燃气涡轮发动机控制专业以及总体专业的科研、设计与教学人员的参考书,也可作为相关专业高年级本科生、硕士生和博士生的参考书。

本书在第1版基础上增加了一些工程实用性更强的方法，将部分术语调整为国内大飞机公司习惯使用的术语，便于工程上使用。