新型战机高升限、高速度、大机动的特点,对座舱压力调节系统的性能提出了全新要求,国内现有的气动式座舱压力调节系统(简称气动式座舱压调系统)出现了如下两个方面的问题:(1)动态性能差,飞机高速俯冲时,高空座舱增压缓慢;中低空座舱压力变化率超限。(2)稳定性能不佳,在某飞行高度会发生座舱压力的周期性波动。这两方面问题引起的压耳现象,会造成飞行员的听力下降、耳鸣、疲劳等不适,甚至出现头晕、耳痛症状,严重地影响了飞行员的舒适感和飞行安全。本文应用流体动力学、机械动力学和现代控制理论,建立了气动式座舱压力调节系统中各组件的数学模型,采用理论分析、仿真实验和实验验证方法,在座舱压力变化率控制、稳定性分析以及系统优化设计方面,取得了如下创新性研究成果:(1)全面研究了现有气动式座舱压力调节系统的控制策略和动静态特性,揭示了座舱压力制度的生成机理与自动切换控制逻辑,分析了主要组件结构参数对系统动静态特性及稳定性的影响。不仅为解决现有气动式座舱压调系统出现的压力变化率超限和座舱压力波动等问题奠定了理论基础,而且为新型座舱压力调节系统的研发和优化设计提供了很好的理论依据和技术支撑。(2)针对未来先进飞机的高空、高速和高升限特性,提出了一种改善气动式座舱压调系统动态性能的压差补偿方法,有效地解决了飞机高速俯冲条件下座舱压力变化率超限问题。对现有速率限制毛细管的流量参数和变化规律进行了优化设计,使系统整体动态性能得到大幅提高;设计了压差补偿器,根据飞行高度动态调整限流元件两侧的压力差,使得高空中的最大座舱压力变化率在原来基础上提高了25%以上。实验结果表明:高速俯冲时,座舱压力变化率不超限的空域范围向低空延伸超过2000m。研究结果为飞机高空、高速、大机动等恶劣飞行条件下座舱压力环境的舒适性改善探索了一条有效的解决途径。(3)根据气动环节传递函数的时间常数随工作条件(工作点压力和气动信号幅值)连续变化的特点,提出了气动系统频率特性研究的网格线性化方法,来获取气动系统在所有工况下的幅相特性(集员幅相特性曲线簇)。该项研究为座舱压力调节系统的稳定性分析奠定了理论依据,同时,网格线性化方法对其它变参数非线性系统的特性研究也具有重要的借鉴意义。(4)针对复杂不确定的气动式座舱压调系统非线性特点,提出了一种基于集员描述函数法的座舱压力调节系统稳定性分析方法,有效地解决了高升限战机在某飞行高度存在的座舱压力波动问题。该方法以定常非线性环节负倒描述函数曲线与集员幅相特性曲线簇中的任一条相交作为系统存在不稳定情况的判据,再对压力制度组件结构参数进行优化设计,使系统开环放大倍数减小,从而消除了系统不稳定现象。集员描述函数法对气动控制系统和复杂变参数非线性系统的稳定性分析具有重要的启发意义。为了验证文中所提方法或方案的可行性与有效性,结合国内某企业XX飞机的座舱压力调节系统综合性能测试实验台,对改进后的气动式座舱压力调节系统进行了平原起降、高原起降、高速俯冲、快速爬升和供气量冲击等实验验证。实验结果表明:座舱压力调节系统的动态性能得到大幅提升,飞机在高升限俯冲时的座舱压力变化率超限问题得到解决,所有飞行条件下的座舱压力周期性波动现象消失,可以满足未来先进飞机的实战需要。