固体火箭冲压发动机二元进气道流量控制研究

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固体火箭冲压发动机具有比冲较高、结构简单、性能可靠等优点,成为各国的研究热点。为使固体火箭冲压发动机在宽马赫数范围高效航行,需要对进气道的流量进行调节,以优化固冲发动机的综合工作性能。其中进气道流量调节主要采用变几何的方式进行。本文围绕固冲发动机二元进气道流量调节技术开展了深入研究,在完成了变几何进气道方案设计的基础上,开展了气动特性分析,研究了变几何进气道流量调节系统建模、电机控制算法研究。主要研究内容及所取得的成果为:(1)变几何进气道结构设计和工作特性分析。以某基准进气道为研究对象,进行了不同来流工况下的数值仿真研究;在此基础上设计了带泄流腔的定几何进气道,提高了进气道的综合性能。为了使带泄流腔进气道在来流马赫数为2.6~3.6范围内均处在最佳工作状态,通过调节进气道收缩段和扩张段楔板产生封口激波的方式达到进气道流量调节的目的。研究结果表明,变几何进气道低于设计马赫数时,进气道出口流量相对定几何进气道有10%左右的提高,有利于扩大进气道工作范围和优化进气道气动特性。(2)变几何进气道流量控制系统设计。根据数值仿真得到的进气道流量调节规律,得到来流马赫数与进气道出口流量的关系及来流马赫数与楔板角度的关系。结合进气道流量的调节规律,对进气道流量调节过程进行分析,分别从机械执行机构和无刷直流电机控制系统展开研究,构建了进气道流量调节系统控制模型。(3)以进气道流量调节采用的无刷直流电机数学模型为研究对象,设计了不同的无刷直流电机控制算法。介绍了PID控制器以及滑模控制器。对流量控制系统的电机电流环、速度环设计PI控制器。设计了PID控制器、基于扩张状态观测器固定增益超螺旋滑模控制器、基于扩张状态观测器自适应变增益超螺旋滑模控制器对电机位置环进行优化控制。通过仿真实验对三种控制器的响应性能和跟踪性能进行分析,结果表明,基于扩张状态观测器的变增益超螺旋滑模控制器可使电机具有更好的工作性能。
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