基于PSO的某型FTV涡轮增压发动机控制特性分析

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇基于PSO的某型FTV涡轮增压发动机控制特性分析范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘 要：流体矢量（FTV）涡轮增压发动机技术在飞机上应用是解决舵面控制效率不足问题的有效途径。根据CFD计算结果以及该发动机易受到外界干扰影响和精确数学模型获取困难的实际情况，应用偏差原理建立了控制策略。并应用粒子群自适应（PSO）方法给出了PID控制器参数整定方法。本文解决了控制参数整定等工程问题，为工程应用奠定基础。

关键词：流体矢量；CFD计算；参数整定；PSO自适应控制

中图分类号：V239 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）10-0053-02

推力矢量装置可显著提高飞行器的机动性和可操纵性，在有人机和无人机上都已尝试使用并得到了有效验证[1，2]。已经投入使用的机械式矢量装置需要作动系统驱动从而提高了质量和系统的复杂性。流体矢量喷管相比于机械式矢量喷管，其结构简单，质量轻，成本低，可靠性高等优点。同时由于该喷管几何形状固定，消除了运动部件和缝隙，可以减小雷达散射截面，提高飞机的隐身性能[3]。

由于流体推力矢量喷管的诸多优点，对该技术的研究已是航空技术领域的研究热点之一，这些研究主要集中于风洞实验和CFD计算结果分析方面[4，5]。本文在CFD数值计算的基础上，解决了控制参数的选取，控制策略，以及可工程实现的控制器参数整定等问题，为流体矢量装置的控制提供了可工程实现的设计方法。

1 模型及计算方法

本文采用的计算模型如图1所示。该装置三级涡轮增压航空发动机改进而成。运用ANSYS ICEM软件划分网格，数值计算基于ANSYS FLUENT 14.5软件，采用密度基隐式方法求解，单元空间离散是基于Roe格式的2阶迎风格式，湍流模型采用renormalization group （RNU）二阶模型。计算工质为理想气体，黏性采用Sutherland公式计算。

通过计算，该设计方案在次流为零时，主流矢量角为0°，在最大次流流速下，获得了20.85°的m量角。

2 控制器结构和控制率设定

控制系统设计要考虑的首要问题是反馈信号的测量问题。在该系统中，可以通过空速探针获得主流、次流流速信息。但是，仅采用反馈主流和次流流速信息并不能达到对主流矢量角理想的控制效果，这就需要额外的反馈控制信号。用矢量角信息作为反馈信号控制矢量角的偏转是理想的控制方法。但是矢量角信息的直接测量是十分困难的，而壁面压力信息的测量则相对容易。因此，矢量角信号可以采用测量得到矢量力然后计算得到矢量角信号的方式。

为了实现对偏航和俯仰通道的控制，控制系统控制参数包括主、次流的流速，控制反馈信号包括主流、次流流速、主流矢量角。通过对主流流速的调节，可以实现对推力的控制。通过调节次流流速，可实现对主流矢量角的控制。

由于流体矢量装置尚没有精确的数学方程描述的模型，给控制带来了一定的困难。为达到准确的控制效果，本文采用对模型依赖较小的偏差原理思想进行系统控制系统设计。为了提高系统的鲁棒性，为系统设计了补偿器。系统控制结构如图2所示。

3 基于pso方法的参数自适应控制

由于ftv的矢量角度对参数变化敏感，本文设计了粒子群自适应控制器。粒子群（PSO）算法以其不要求被优化函数具有可微、可导、连续等条件，且具有思想直观、实现简单、执行效率高等优点。对任意给定的非线性函数，则存在常数使得，其中，为向量的2范数，为粒子群算法输出的理想权值矩阵，为粒子群算法的输入向量，为算法的收敛误差。

4 结语

计算结果显示，通过调节次流的流速，主流可以获得最大20.85度的矢量角度，主流矢量角度与次流速度具有较好的线性关系。可作为主流矢量角的控制参数。

根据该装置易受到外界干扰影响和精确数学模型获取困难的实际情况，本文应用偏差原理建立了控制策略。并应用粒子群自适应参数整定给出了PID控制器参数整定方法。该研究为工程应用奠定了基础。

参考文献

[1]Hunter C A， Deere K putational investigation of thrust vectoring，AIAA-1999-2669[R].Reston： AIAA，1999.

[2]王占学，王玉男，李志杰.基于激波控制的流体推力矢量喷管试验[J].推进技术，2010，31（6）：751-756.