摘要
单杆操控是先进涡桨发动机控制系统的发展方向。本文以实验室一台真实的可变桨距微型涡桨发动机为对象开展控制系统研究，内容涉及微型涡桨发动机建模、单杆操控系统设计、硬件在环仿真试验以及台架试验。（1）微型涡桨发动机建模研究。本文根据开环试验数据，利用二阶ARX模型建立核心机转速动态模型，利用转子动力学方法建立螺旋桨转速动态模型，最终建立了以燃油量和桨距角为输入量，核心机和螺旋桨转速为输出量的微型涡桨发动机慢车以上状态数值拟合模型。以该模型为研究对象，建立恒转速闭环控制算法，并进行仿真验证。（2）单杆操控系统设计。本文通过分析微型涡桨发动机的工作特性，设计单杆操控系统结构。设计了单杆操控系统的控制计划，规划发动机核心机转速与螺旋桨转速，使单功率杆线性对应发动机输出功率。设计单杆操控系统的控制算法，建立参考模型滑模变结构控制算法，设计算法参数，使其能自动调节燃油量与桨距角，跟踪核心机与螺旋桨转速指令。通过数值仿真对单杆操控系统进行了验证。（3）硬件在环仿真试验。针对发动机台架的传感器与执行机构特点，设计接口模拟器的硬件与软件。根据发动机监控需求，设计微型涡桨发动机的上位机监控软件，软件拥有对发动机的完整监控权限，能够在不同控制律间实现平稳切换。对滑模变结构控制算法进行硬件在环仿真，模拟真实台架上的控制效果并对控制算法进行优化。（4）台架试验验证。对实验室微型涡桨发动机进行台架试车，验证单杆操控系统的可行性与效果。台架试验表明，本文设计的单杆操控系统能有效控制双自由度发动机，简化发动机操作；滑模变结构控制算法可有效进行多变量控制；功率规划系统可实现功率杆开度与发动机功率的线性对应，输出功率偏差不超过3%；单杆稳态控制计划与传统的恒转速控制计划相比，相同功率下平均耗油可降低5.7%。
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