基于H∞/Leitmann方法的航空发动机鲁棒控制方法研究

摘要

航空发动机分布式控制系统是一个复杂的系统。航空发动机分布式控制系统的发展带来优越性的同时，通信网络的时延、参数摄动、建模误差、个体差异等带来的不确定性，噪声的影响，参数的耦合等也为航空发动机分布式控制带来了新的问题与难点。本文以某型涡扇发动机为研究对象，展开面向分布式控制的鲁棒控制方法研究，并基于这些研究进一步进行拓展。
　　根据某型涡扇发动机气动热力学特性，利用小扰动拟合法建立航空发动机稳态平衡点的线性状态变量模型，为后续鲁棒控制器的设计和仿真验证奠定基础。
　　首先基于该状态变量模型，同时考虑建模误差、参数摄动和模型差异等因素造成的不确定性以及噪声影响，建立含有不确定性和噪声的发动机控制系统状态变量模型。提出H∞/Leitmann鲁棒控制方法，设计了H∞/Leitmann状态调节器。H∞控制实现无不确定性的标称系统的渐进稳定和噪声抑制，Leitmann方法与H∞控制共同工作，实现含噪声和不确定性系统的“一致有界”和“一致最终有界”。为获得发动机控制系统输出跟踪性能，引入参考模型建立偏差模型实现跟踪，并建立误差积分为状态量获得新的高维增广系统模型，定义了“一致跟踪有界”和“一致最终跟踪有界”两个新的性能指标，将原系统的跟踪控制问题转化成H∞/Leitmann鲁棒控制设计问题，提出了H∞/Leitmann跟踪控制方法，设计的H∞/Leitmann控制器保证含噪声的不确定性系统“一致跟踪有界”和“一致最终跟踪有界”。
　　考虑分布式系统中网络时延，建立含噪声和不确定性的时延系统线性模型。提出H∞/Leitmann时延鲁棒控制方法，通过选取Lyapunov-Krasovskii泛函、引入自由权矩阵和线性矩阵不等式等推导出时延相关的稳定性定理，获得控制器求解方法，结合H∞/Leitmann控制算法，设计出针对时延系统的H∞/Leitmann时延鲁棒控制器。
　　考虑分散系统和分布式控制系统结构的契合性，建立含有多个子系统，且每个子系统中均存在噪声，不确定性，时延以及其他子系统的耦合项的复杂系统。通过将一个状态变量模型表示的系统拆分为多个互相耦合子系统构成的大系统作为研究对象以在研究中引入模型之间的耦合性，通过Leitmann控制算法达到抑制耦合影响的目的，同时结合上文设计的H∞/Leitmann控制算法，设计出针对该复杂系统的H∞/Leitmann鲁棒控制器。

目录

声明

注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1航空发动机控制系统概述

1.2控制系统相关问题

1.3Leitmann鲁棒控制方法

1.4本文主要研究内容及章节安排

第二章 航空发动机线化模型的建立

2.1 一般航空发动机线化模型的建立

2.2基于时延的网络控制系统建模

2.3基于航空发动机线化模型的复杂系统建模

2.4本章小结

第三章 航空发动机H∞/Leitmann跟踪控制方法研究

3.1引言

3.2稳态调节器的设计

3.3含参考模型的线性模型跟踪控制器设计

3.4增广非线性模型跟踪控制器设计

3.5本章小结

第四章 航空发动机时延系统H∞/Leitmann跟踪控制方法研究

4.1引言

4.2含时延状态调节器设计

4.3含参考模型时延系统跟踪控制器设计

4.4含时延非线性模型增广跟踪控制器设计

4.5本章小结

第五章 航空发动机复杂系统H∞/Leitmann控制方法研究

5.1引言

5.2分散控制系统控制器设计

5.3含时延分散控制系统控制器设计

5.4本章小结

第六章 半物理仿真试验

6.1引言

6.2无时延系统控制器试验验证

6.3含时延系统控制器试验验证

6.4本章小结

第七章 总结与展望

7.1本文主要工作总结

7.2展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文