分布式架构下的航空发动机多变量控制系统研究

摘要

航空发动机目前正朝着多变量、分布式控制方向发展。分布式控制具有传输延迟、节点故障等特点，严重影响航空发动机控制系统的可靠性。本文针对分布式架构下航空发动机多变量控制系统的节点故障模式，开展控制律重构的主动容错控制算法及试验研究。
　　首先，在某型涡扇发动机部件级模型基础上，建立了线性状态空间模型。基于所建立的线性状态空间模型开展了航空发动机多变量控制算法研究：（1）采用相对增益阵列方法设计控制器结构，得到最优和次优的被控制量选择方案，为多变量控制和控制律重构奠定基础；（2）采用ALQR和H∞回路整形方法设计航空发动机多变量控制器，实现发动机状态的快速、稳定控制；（3）设计控制律重构方法，根据不同故障模式，重新选择被控制量，重构为新的多变量或单变量控制系统，保证发动机能正常运行，同时还设计了平滑过渡算法，使得重构过程平稳。
　　然后，对南航自主开发的TTP/C总线控制器进行了改进设计，主要改进了总线控制器数据收发电路、监控电路和物理层电路，以解决分布式集群阻塞故障问题。基于TTP/C总线控制器，根据航空发动机控制需求设计了智能节点的信号调理驱动电路及控制软件，搭建了一个包含六个智能节点的分布式冗余控制系统，并进行了相关通道的信号标定。
　　最后开展了航空发动机分布式控制系统的HIL仿真试验研究：（1）在分布式架构下验证了ALQR和H∞多变量控制器的控制效果；（2）通过节点故障模拟，分别进行了多变量和单变量控制律重构的主动容错试验，并检验了平滑过渡算法的有效性。试验结果表明，分布式架构下的多变量控制算法控制效果良好，针对不同的节点故障模式，本文设计的主动容错控制算法能够保证发动机稳定可靠运行。

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注释表

缩略词

第一章 绪 论

1.1 航空发动机分布式控制研究背景与意义

1.2 本文关键技术概述

1.3 国内外研究现状

1.4 本文研究思路和内容安排

第二章 航空发动机多变量控制技术研究

2.1 控制系统设计流程

2.2 航空发动机状态变量模型

2.3 控制结构设计：被控量选择

2.4 航空发动机多变量控制器设计

2.5 主动容错控制器设计

2.6 本章小结

第三章 分布式总线技术研究

3.1 分布式总线架构

3.2 TTP/C总线的实现

3.3 本章小结

第四章 航空发动机分布式控制系统设计

4.1 分布式控制系统总体方案

4.2 分布式控制系统实现

4.3 控制系统监控软件设计

4.4 本章小结

第五章 航空发动机分布式控制试验研究

5.1 构建航空发动机分布式控制器HIL试验平台

5.2 单回路HIL仿真试验

5.3 多变量控制HIL仿真试验

5.4 分布式控制系统故障模拟与诊断

5.5 基于控制律重构的容错控制仿真试验

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 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

附录A TTP/C总线控制器改进关键代码