航空发动机频域建模与多变量鲁棒控制方法研究

摘要

随着航空技术的发展，飞机对于发动机性能的要求不断提高，使得航空发动机控制系统发展成为复杂的多变量系统。多变量控制系统设计方法已成为航空发动机控制系统重要的研究方向，先进的多变量设计方法同时又迫使着研究人员不断追求更加精确的发动机模型。本文围绕航空发动机模型和控制系统设计开展了航空发动机及执行机构频域辨识、航空发动机鲁棒PI控制，航空发动机PID控制参数频域整定方法、航空发动机控制器快速原型平台及硬件在回路仿真验证、航空发动机性能寻优控制相关关键技术的研究，进行了数字仿真验证。
　　研究了航空发动机及执行机构线性模型的频域建模方法。针对时域建模方法易受噪声信号干扰的缺点，提出对噪声具有抑制性的频域极大似然辨识方法。通过构建待辨识参数的极大似然准则函数，设计合适的多正弦激励信号，优化求解获得模型参数。针对执行机构回路因开环含有积分环节而无法进行开环辨识的问题，提出并证明了一类线性定常负反馈系统具有闭环可辨识性的充分必要条件，为执行机构回路进行闭环辨识试验提供了理论依据。在航空发动机半物理仿真试验平台进行频率响应试验，获得多个主要执行机构的频率动态特性。提出一种带非线性权重的频率特性参数辨识方法，应用于执行机构回路的动态特性，建立执行机构回路数学模型。与试验数据的对比表明，所建立的执行机构数学模型具有较高的精度。
　　针对航空发动机由于非线性、个体差异等因素使之成为区间参数系统的鲁棒PI控制问题，提出了一种含有时滞环节的鲁棒 PI控制参数频域-时域优化方法。该方法利用边界理论将区间参数系统的稳定性问题分解至多个顶点子系统，通过D分解技术和PI参数稳定域图解法的融合，建立满足幅值裕度和相角裕度的区间参数系统的PI参数稳定域。并以动态性能和鲁棒性能指标为目标，在稳定域内求取最优参数。在航空发动机非线性模型上的仿真验证表明，所设计的鲁棒最优PI控制器对发动机参数在一定范围内摄动下具有较好的控制品质。
　　研究了航空发动机PID控制器的频域设计方法，提出一种考虑稳定约束的频域参考模匹配型PID控制参数整定方法。针对单变量系统，将有限匹配频率扩展到连续带宽，并加入稳定条件作为系统约束，建立频率特性匹配优化问题。采用SQP优化方法优化问题，获取PID控制参数；针对多变量系统情况，根据Rosenbrock频域理论，结合Gershgorin定理，提出系统稳定的频域条件，建立多变量频域模型匹配PID参数优化问题，采用SQP方法求解PID参数。设计了在线模糊切换控制器，将发动机稳态工作点PID控制器的适用范围扩展到动态过程，实现了航空发动机大范围的加、减速过程控制，并基于无源性理论证明了切换系统的稳定性。
　　开展了航空发动机性能寻优控制的研究。针对航空发动机最大输出功率模式和最小耗油率模式下的寻优控制问题，提出一种基于距离的自适应惯性权重改进粒子群优化算法，通过调节迭代过程中粒子的权重系数，重新调整其搜索能力，从而避免原算法早熟以及容易陷入局部最优的可能性。在非线性模型上的仿真验证表明所提出的方法具有良好的优化效果，能够有效的挖掘发动机的潜能。
　　基于NICompactRIO硬件平台和LabVIEW软件平台采用模块化思想构建了航空发动机控制系统快速原型仿真验证平台。针对本文中所设计的控制器，通过选取合适的硬件模块以及设计仿真软件，进行了航空发动机控制器硬件在回路仿真验证试验。实现了控制算法从设计、仿真到代码的自动生成与下载，以及实物在回路仿真的无缝集成。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.3 本文各章节内容安排

第二章 航空发动机频域极大似然辨识方法

2.1 引言

2.2 航空发动机单变量模型辨识

2.3 航空发动机多变量辨识

2.4 本章小结

第三章 航空发动机执行机构回路频域辨识

3.1 引言

3.2 可辨识性分析

3.3 试验方案

3.4 辨识方法

3.5 本章小结

第四章 航空发动机鲁棒PI控制参数频域-时域优化方法

4.1 引言

4.2 含有时滞的区间参数PI控制系统

4.3 含有时滞的区间参数PI控制系统参数稳定域

4.4 满足幅值裕度和相角裕度的参数稳定域

4.5 PI控制器参数的优化

4.6 航空发动机鲁棒PI控制参数设计

4.7 本章小结

第五章 航空发动机频域参考模型匹配PID控制参数整定方法

5.1 引言

5.2 航空发动机单变量频域PID参数整定方法

5.3 航空发动机多变量频域PID参数整定方法

5.4 本章小结

第六章 改进粒子群方法的航空发动机性能寻优控制

6.1 引言

6.2 发动机推进系统矩阵

6.3 优化目标及约束条件

6.4 粒子群算法的改进

6.5 发动机性能寻优仿真结果及分析

6.6 本章小结

第七章 航空发动机控制系统快速原型实时仿真验证

7.1 引言

7.2 航空发动机控制系统快速原型平台

7.3 航空发动机控制系统快速原型平台仿真

7.4 本章小结

第八章 总结与展望

8.1 研究工作总结

8.2 创新点

8.3 进一步研究展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文