哈工大发动机控制原理——涡喷发动机非线性模型实验报告

涡喷发动机非线性模型实验指导书
一、实验任务
1. 学习借助matlab/simulink软件搭建涡喷发动机非线性模型的方法；
2. 掌握涡喷发动机模型仿真的原理和实施方法；
3. 认识微型涡喷发动机的实时仿真平台，了解系统仿真在发动机控制系统设计中的作用。

二、实验基本原理
针对航空发动机直接进行控制算法的硬件实现，然后在真实工作环境下进行试验具有很高的风险和费用。

为此，需发展降低风险的有效方式——控制系统仿真技术，其对于控制系统的开发和研究具有重要的实际意义。

从控制系统仿真的目的来看，发动机控制系统仿真按照实物和仿真部分的不同分为以下两种：
(1) 控制对象是真实的物理发动机，控制算法用控制原型机仿真实现，而不是最终的控制器硬件。

考虑到可能的控制算法修改，往往用一台可在实时情况下运行的实时仿真机来代替真实的控制器，这种仿真方式被称为快速控制原型（Rapid-control-prototyping）仿真。

matlab/simulink软件是实现发动机控制系统控制原型（Rapid-control
-prototyping）仿真的最便捷方法。

matlab/simulink软件是一种基于MATLAB 的框图设计环境，实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真。

为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI)，只需单击和拖动鼠标操作就能完成，而且可以立即看到系统的仿真结果。

Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。

Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。

(2) 控制对象的行为通过仿真实现，控制算法通过真实的控制器硬件实现。

这种仿真方式被称为硬件在回路中（Hardware-in-the-loop）的仿真，简称HIL 仿真。

执行机构、传感器和对象的物理过程都可以看作控制对象的特性，根据仿真目的不同，在HIL 仿真中这些部件可以部分地使用真实硬件。

目的是验证控制算法是否可通过选择合适的计算方法，并在硬件实现之后能够满足控制性能。

因此需要首先需要将控制算法通过硬件实现，然后将它通过I/O 设备和仿真的
控制对象相连构成闭环系统进行仿真试验。

在仿真过程中控制器为实物，控制对象为仿真程序，整个系统以实时方式运行，如下图。

为此需要选择开发控制器的软硬件方案并建立半实物仿真环境。

三、操作要点
1．涡扇发动机非线性模型——建模与模型仿真
借助matlab/Simulink软件，搭建起典型涡轮发动机、供油系统和控制器的模型，仿真给出不同的参数配置下的控制系统输入输出特性。

（1）启动matalb/simulink软件，掌握matlab基本的操作方法，simulink中仿真参数的配置方法。

（2）搭建起典型涡轮发动机、供油系统和控制器的模型
输出（转速信号）的变化规律。

模拟外界干扰存在下，仿真控制器输入（燃油信号）、发动机输出（转速信号）的变化规律。

模拟发动机模型偏差存在下，仿真控制器输入（燃油信号）、发动机输出（转速信号）的变化规律。

（4）仿真结果的数据分析
对比不同的控制器参数配置下的，仿真控制器输入（燃油信号）、发动机输出（转速信号）的变化，给出发动机转速输出的动态特征（响应时间、超调量），以及控制系统是否会出现失稳。

同样分析外界干扰和发动机模型偏差存在下的仿真控制器输入（燃油信号）、发动机输出（转速信号）的变化规律，评估这些因素对于发动机转速控制的影响。

例如：控制器参数Kp=20，Ki=10时，仿真控制器输入（燃油信号）、发动机输出（转速信号）为，
模型参数
列表给出发动机转速输出的动态特征（响应时间、超调量）。