基于性能的切换控制及其在航空发动机控制仿真中的应用

摘要

切换控制作为控制领域的研究热点，越来越多的被应用于实际控制问题当中。航空发动机的研制具有极高难度，同时作为国家重点扶植的科研项目，其控制系统的设计也吸引了越来越多的控制学科研究者投身其中。本文基于区域极点配置的方法，研究了切换线性系统的输出反馈H∞控制问题。以线性矩阵不等式的形式推导出输出反馈H∞镇定控制器的存在条件，并将所得结果应用于航空发动机仿真模型中加以验证。本文主要内容概述如下: 首先，针对具有外部扰动的线性时不变切换系统，分析其性能指标，以各子系统闭环极点配置于同一个指定圆形区域为目标，构造线性矩阵不等式，以此为条件给出输出反馈H∞镇定控制器的存在条件。由于各回路求解的是一个共同的Lyapunov函数，所设计的系统可以做到任意切换而保证稳定性要求。接着，结合已有的某型号涡扇发动机实验数据，将结果应用于其中进行单回路仿真，以及切换律为燃油取小切换的多回路切换仿真。仿真时先进行多次试验对圆形区域的存在范围进行约束，找到了一个系统响应时间和超调量都让人满意的圆形区域约束范围，再将多回路切换和单回路仿真结果进行对比，结果显示出多回路切换设计方法既保证了系统动态性能，又降低了闭环系统增益，并能有效抑制外部干扰提升系统的鲁棒性。 然后，针对具有外部扰动的线性时不变切换系统，为其每个子系统设计一个输出反馈H∞镇定控制器，通过将系统的极点配置在新的指定扇形区域内以平衡系统收敛速度与受约束之间的矛盾，结果同样以线性矩阵不等式形式给出，同时设计了一个状态依赖的切换律。最后，将获得的结果应用在航空发动机控制仿真当中。通过在平衡点处进行近似线性化的方式建立小偏差线性化模型，仿真基于这种航空发动机的小偏差线性化模型，并结合某型号涡扇发动机实验数据进行。切换仿真选取了温度保护回路和加速回路两个典型回路，并将结果与单回路控制器转速输出作对比，结果显示文中控制器和切换规则的设计与单一控制器相比，对提高系统性能、尤其是减小系统超调方面具有不错的优势。 以往的研究结果很少有同时将区域极点配置方法、H∞控制方法和切换控制相结合去设计控制器，给出切换规则设计方法并进行航空发动机的控制仿真的实例也很少，两种控制器的设计方式突出了将切换控制、区域极点配置方法引入到输出反馈H∞镇定控制器，进而在提高系统性能方面的重要意义。

目录

声明

摘要

1．1课题研究背景

1．2切换系统研究现状

1．2．1切换系统概述

1．2．2切换系统国内外研究进展

1．3鲁棒控制理论研究现状

1．3．1鲁棒控制理论概述

1．3．2鲁棒控制理论国内外研究进展

1．4多种控制方法在航空发动机中的应用

1．5本文主要内容

2．1符号说明

2．2引言

2．3切换系统稳定性的主要分析方法

2．4区域极点配置方法

2．4．1极点配置方法

2．4．2 LMI区域描述

2．5鲁棒H∞控制相关知识

第3章任意切换下的输出反馈镇定控制器设计

3．1引言

3．2问题描述与预备知识

3．2．1闭环系统极点配置区域

3．2．2系统描述

3．2．3相关定义和引理

3．3系统稳定性分析

3．4仿真验证

3．4．1航空发动机模型的选取

3．4．2航空发动机多回路控制系统结构

3．4．3仿真实例

3．5本章小结

第4章受限切换下的输出反馈镇定控制器设计

4．1引言

4．2问题描述与预备知识

4．2．1闭环系统极点配置区域

4．2．2系统描述

4．2．3相关定义和引理

4．3本章主要结果

4．3．1切换律设计

4．3．2系统稳定性分析

4．4仿真验证

4．5本章小结

5．1本文结论

5．2工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论著、获奖情况及发明专利等项

攻读硕士学位期间参与的科研项目