張旺

摘 要：流體矢量（FTV）渦輪增壓發(fā)動機技術在飛機上應用是解決舵面控制效率不足問題的有效途徑。根據(jù)CFD計算結(jié)果以及該發(fā)動機易受到外界干擾影響和精確數(shù)學模型獲取困難的實際情況，應用偏差原理建立了控制策略。并應用粒子群自適應（PSO）方法給出了PID控制器參數(shù)整定方法。本文解決了控制參數(shù)整定等工程問題，為工程應用奠定基礎。

關鍵詞：流體矢量；CFD計算；參數(shù)整定；PSO自適應控制

中圖分類號：V239 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）10-0053-02

推力矢量裝置可顯著提高飛行器的機動性和可操縱性，在有人機和無人機上都已嘗試使用并得到了有效驗證[1，2]。已經(jīng)投入使用的機械式矢量裝置需要作動系統(tǒng)驅(qū)動從而提高了質(zhì)量和系統(tǒng)的復雜性。流體矢量噴管相比于機械式矢量噴管，其結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，成本低，可靠性高等優(yōu)點。同時由于該噴管幾何形狀固定，消除了運動部件和縫隙，可以減小雷達散射截面，提高飛機的隱身性能[3]。

由于流體推力矢量噴管的諸多優(yōu)點，對該技術的研究已是航空技術領域的研究熱點之一，這些研究主要集中于風洞實驗和CFD計算結(jié)果分析方面[4，5]。本文在CFD數(shù)值計算的基礎上，解決了控制參數(shù)的選取，控制策略，以及可工程實現(xiàn)的控制器參數(shù)整定等問題，為流體矢量裝置的控制提供了可工程實現(xiàn)的設計方法。

1 模型及計算方法

本文采用的計算模型如圖1所示。該裝置三級渦輪增壓航空發(fā)動機改進而成。運用ANSYS ICEM軟件劃分網(wǎng)格，數(shù)值計算基于ANSYS FLUENT 14.5軟件，采用密度基隱式方法求解，單元空間離散是基于Roe格式的2階迎風格式，湍流模型采用renormalization group （RNU）二階模型。計算工質(zhì)為理想氣體，黏性采用Sutherland公式計算。

通過計算，該設計方案在次流為零時，主流矢量角為0°，在最大次流流速下，獲得了20.85°的適量角。

2 控制器結(jié)構(gòu)和控制率設定

控制系統(tǒng)設計要考慮的首要問題是反饋信號的測量問題。在該系統(tǒng)中，可以通過空速探針獲得主流、次流流速信息。但是，僅采用反饋主流和次流流速信息并不能達到對主流矢量角理想的控制效果，這就需要額外的反饋控制信號。用矢量角信息作為反饋信號控制矢量角的偏轉(zhuǎn)是理想的控制方法。但是矢量角信息的直接測量是十分困難的，而壁面壓力信息的測量則相對容易。因此，矢量角信號可以采用測量得到矢量力然后計算得到矢量角信號的方式。

為了實現(xiàn)對偏航和俯仰通道的控制，控制系統(tǒng)控制參數(shù)包括主、次流的流速，控制反饋信號包括主流、次流流速、主流矢量角。通過對主流流速的調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)對推力的控制。通過調(diào)節(jié)次流流速，可實現(xiàn)對主流矢量角的控制。

由于流體矢量裝置尚沒有精確的數(shù)學方程描述的模型，給控制帶來了一定的困難。為達到準確的控制效果，本文采用對模型依賴較小的偏差原理思想進行系統(tǒng)控制系統(tǒng)設計。為了提高系統(tǒng)的魯棒性，為系統(tǒng)設計了補償器。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 基于PSO方法的參數(shù)自適應控制

由于FTV的矢量角度對參數(shù)變化敏感，本文設計了粒子群自適應控制器。粒子群（PSO）算法以其不要求被優(yōu)化函數(shù)具有可微、可導、連續(xù)等條件，且具有思想直觀、實現(xiàn)簡單、執(zhí)行效率高等優(yōu)點。對任意給定的非線性函數(shù)，則存在常數(shù)使得，其中，為向量的2范數(shù)，為粒子群算法輸出的理想權(quán)值矩陣，為粒子群算法的輸入向量，為算法的收斂誤差。

4 結(jié)語

計算結(jié)果顯示，通過調(diào)節(jié)次流的流速，主流可以獲得最大20.85度的矢量角度，主流矢量角度與次流速度具有較好的線性關系?？勺鳛橹髁魇噶拷堑目刂茀?shù)。

根據(jù)該裝置易受到外界干擾影響和精確數(shù)學模型獲取困難的實際情況，本文應用偏差原理建立了控制策略。并應用粒子群自適應參數(shù)整定給出了PID控制器參數(shù)整定方法。該研究為工程應用奠定了基礎。

參考文獻

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

[2]王占學，王玉男，李志杰.基于激波控制的流體推力矢量噴管試驗[J].推進技術，2010，31（6）：751-756.