基于切换策略的航空发动机多目标控制设计

摘要

航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械，对它进行的控制设计要兼顾多方面的控制需求。一方面，航空发动机的核心任务是迅速地为飞行器提供稳定可靠的推力。另一方面，因为航空发动机在宽广的飞行包线内运行，运行过程中，发动机受到多种安全边界的限制，又要应对可能出现的外部干扰以及飞行条件的不确定的改变引起的发动机动态规律的变化。此外，执行机构的物理限制也要求控制输入满足一定约束。这些因素都限制了航空发动机稳、准、快地为飞行器提供动力。切换控制策略是解决航空发动机多目标控制问题的有效途径。然而由于这一问题十分复杂，连续动态、离散动态以及约束之间的相互作用机制及其对系统性能的影响机理远未明晰，所以对航空发动机多目标切换控制的系统化设计法的研究还很有限。本文研究了航空发动机在受到安全性约束，飞行条件的不确定改变，以及控制输入受约束等情形下的多目标切换控制设计问题，主要工作概括如下: 第一，为了解决航空发动机“安全性”与“跟踪性能”两大目标之间的矛盾，提出了基于指令切换策略的多目标控制设计方法。该方法针对安全性与跟踪性能分别设计子控制器，再设计切换律来指导子控制器间的切换，实现多目标之间的权衡兼顾。增大了控制设计的自由度，降低了设计的复杂性和保守性。首先，提出了指令切换控制策略，将保护回路的参考指令，切换阈值等待设计参数进行优化，以获得最优的暂态性能指标;其次，提出了协调切换控制策略，给出了保护回路参考指令的选取方法，设计了子控制器之间的协调配合规律，减少了待优化参数;然后，提出了跟踪-保护-复原切换控制策略，减少了切换次数，降低了保护控制的保守性，并基于Lyapunov函数设计了切换律，利用积分重置技术实现了子控制器之间的配合，增加了设计的自由度;最后，讨论了基于线性二次型积分性能指标的切换律设计。 第二，考虑到航空发动机在大范围工作时，其动态行为会受到在大范围任意变化的高度、马赫数等外部参数的影响，又要应对外部干扰，基于多参数依赖型Lyapunov方法，研究了一类带有Markovian参数的切换LPV系统的H∞容错控制问题。首先，放宽了转移概率完全已知的条件，在仅有部分转移概率已知的条件下，给出了H∞容错控制器的可解条件。其次，设计了参数依赖的控制器，保证了闭环系统的随机稳定性和H∞容错性能指标。 第三，基于平衡流形展开模型研究了航空发动机的多目标切换控制设计问题，克服了小偏差动态模型适用范围的局限性。平衡流形展开模型是一种非线性模型，它可以在更宽广的范围内更精确地反映航空发动机的非线性动态行为。此外，平衡流形展开模型又具有形式简单、易于辨识、便于控制设计等优点。本文应用控制Lyapunov函数方法，为航空发动机设计切换控制器，使其实现推力加速的控制目标，并同时满足高压转子角加速度约束和对高压涡轮出口温度的安全约束。首先，针对加速度约束、温度保护和稳态控制等目标，分别设计了子控制器。其次，提出了安全区的概念，设计了切换律，实现了安全与跟踪性能之间的权衡兼顾，避免了构造最小相位的非线性系统，提高了追求跟踪性能的自由度。经过双轴涡扇式发动机的非线性部件级模型验证，所提出的控制设计方案有效并具有鲁棒性。 第四，基于平衡流形展开模型，设计了非线性的动态切换控制器，进一步提高了航空发动机多目标控制设计的自由度。首先，针对高压转子转速跟踪和高压涡轮出口温度保护的控制目标，分别设计了非线性的子控制器。其次，根据对跟踪性能的监测，结合动态控制器状态重置技术设计了切换律，消除了不利于跟踪性能的控制不连续，实现了控制模态之间的平稳过渡，更好的实现了安全与跟踪性能之间的权衡兼顾。然后，考虑了传感器动态。设计了局部单调跟踪控制器，克服了控制作用不能立即阻止安全约束被破坏的困难，放宽了全局单调跟踪控制器的条件。 第五，考虑到航空发动机执行机构的限制以及多个输出受到约束的问题，基于多Lyapunov函数方法研究了输入输出受约束的非线性切换系统的镇定问题。首先，应用改进的Backstepping方法设计了嵌套切换控制器以处理输入约束。其次，同时考虑输入和输出的约束，在改进的Backstepping方法中的每一步利用障碍Lyapunov函数来处理输出约束。我们不要求子系统的镇定问题可解，而是对子系统控制器和切换律的进行了恰当的双重设计，保证了非线性切换系统镇定问题的可解。 最后，总结了本文的主要工作，并对将来的研究作出了展望。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1切换系统概述

1．1．1切换系统的概念

1．1．2切换系统的背景

1．1．3切换系统的研究现状

1．2航空发动机切换控制概述

1．2．1航空发动机的多目标控制问题

1．2．2基于切换策略的多目标控制设计

1．3航空发动机模型概述

1．4本文主要工作

第2章预备知识

2．1航空发动机结构

2．2航空发动机多目标控制

2．3航空发动机模型

2．4本文符号

第3章基于指令切换策略的航空发动机多目标控制

3．1引言

3．2指令切换控制策略

3．2．1指令切换控制

3．2．2协调切换控制

3．3航空发动机的跟踪-保护-复原切换控制

3．4基于性能指标的切换律设计

3．5本章小结

第4章带有Markovian参数的切换LPV系统的H∞容错控制

4．1引言

4．2问题描述与预备知识

4．3带有Markovian参数的切换LPV系统的镇定

4．4带有Markovian参数的切换LPV系统的H∞容错控制

4．5涡扇发动机转速控制仿真算例

4．6本章小结

第5章航空发动机加速／保护切换控制：控制Lyapunov函数方法

5．1引言

5．2切换控制设计

5．2．1控制目标

5．2．2子控制器设计

5．3稳定性分析

5．3．1安全区域

5．3．2切换律设计

5．4涡扇发动机部件级模型仿真

5．5本章小结

第6章航空发动机非线性切换控制：动态复原控制方法

6．1引言

6．2动态切换控制设计

6．2．1问题描述

6．2．2切换子控制器设计

6．2．3稳定性分析

6．3考虑传感器动态的航空发动机多目标切换控制设计

6．3．1考虑传感器动态的发动机模型

6．3．2考虑传感器动态的发动机切换控制设计

6．4涡扇发动机部件级模型仿真

6．5本章小结

第7章带有输入和输出约束的非线性切换系统镇定

7．1引言

7．2问题描述与预备知识

7．3控制受约束时的控制设计

7．4控制和输入同时受约时的控制设计

7．5涡扇发动机转速控制仿真算例

7．6本章小结

第8章结论与展望

8．1结论

8．2未来工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间所做的主要工作

论文有关数据统计