CN107100741A - 一种提高涡扇发动机控制系统性能的方法及其系统 - Google Patents
一种提高涡扇发动机控制系统性能的方法及其系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种提高涡扇发动机控制系统性能的方法及其系统，在具有单独第一控制器K的原涡扇发动机控制系统中，增加第二控制器Ks；从而在涡扇发动机控制系统特性固定、PID控制器系数、传感器和执行机构参数确定的情况下，采取切换控制改善系统动态特性；所述方法包括：1、保留原第一控制器K，增加第二控制器Ks；2、选择第二控制器Ks，使其单位阶跃响应性能优于第一控制器K的性能；3、切换逻辑设计：在单位阶跃响应的情况下，将切换逻辑设计为当输出响应达到某一设定阈值作为切换条件；4、阈值设计：找出阈值e，使得调节时间ts最优；5、数值仿真验证：采取切换控制改善所述系统的动态特性。本发明计算资源占用小，设计与调试简便易行。
Description
技术领域
本发明属于涡扇发动机控制技术领域，涉及一种提高涡扇发动机控制系统性能的方法及其系统。
背景技术
涡扇发动机作为一个复杂、多变量、强耦合的非线性系统，其控制过程及其复杂。涡扇发动机的控制系统不仅仅要提供满意的动态特性和稳态特性，还必须满足一系列的限制如：燃烧室、涡轮及尾喷口的温度限制，高低压涡轮轴的转速限制，压气机的增压比极限以避免喘振，等等。另一方面，涡扇发动机的动态特性随工况的变化而变化，单一的控制器不能满足全飞行包线内的所有性能要求。为了解决此难题，常用方法是把全飞行包线划分成不同的工作点，在每一个工作点附近用一个线性模型如小偏差状态变量模型或有限脉冲响应模型等来近似，然后利用线性系统控制设计方法，通常为PI(Proportional Integral，比例-积分)或PID(Proportional Integral Derivative，比例-积分-微分)控制，对每一个工作点分别设计控制器；最后采用变增益方法完成对涡扇发动机在全飞行包线内的控制。
在针对每一个工作点进行PI或PID控制设计时，常常遇到的问题是传感器和执行机构的惯性太大，造成系统的时域响应滞后，调节时间过长。减小阻尼系数或者增大开环增益可以明显地改善系统动态特性，但意味着需要对已经设计完成的线性控制器进行参数重调，这在很多情况下难以实现。因为控制器的参数如PID系数是通过大量的试验和耗费巨资的验证而获得，工程实施代价较高，并不希望作进一步修改。在这种极端受限的情况下，如何改善发动机的动态特性是一个十分棘手的问题，是制约涡扇发动机控制性能提高的一项关键技术。
目前，解决这个问题的方法主要是研究新型的传感器和执行机构技术，提高其精度和响应速度，以求从根源上解决问题。
Garg S等人在2007年“Introduction to advanced engine control concepts”中介绍了一种涡扇发动机非线性预测控制技术，但由于预测控制要求每一个采样周期求解一个非线性优化问题，鉴于涡扇发动机的电子控制器典型采样周期只有20毫秒，并且其中约85％的资源又用于涡扇发动机健康监视，只有约15％用于控制，而涡扇发动机电子控制器计算资源极其有限，使得这种预测控制难于用于真实的涡扇发动机环境中。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，针对现有技术的涡扇发动机控制系统中传感器及执行机构存在惯性过大、响应迟缓的问题，提供一种提高涡扇发动机控制系统性能的方法及其系统，其对涡扇发动机电子控制器计算资源占用小，简便易行。
为解决现有技术的上述问题，本发明采用以下技术方案。
本发明的一种提高涡扇发动机控制系统性能的方法，其特征在于，在具有单独的第一控制器K的原涡扇发动机控制系统中，增加具有切换逻辑功能的第二控制器Ks的切换控制子系统；从而，在涡扇发动机控制系统特性固定、PID控制器系数、传感器和执行机构参数确定的情况下，采取切换控制改善所述系统的动态特性；所述方法包括如下步骤：
步骤1，保留原有的第一控制器K，增加第二控制器Ks；
步骤2，选择第二控制器Ks，使得单位阶跃响应性能优于第一控制器K的性能；
步骤3，切换逻辑的设计：在单位阶跃响应的情况下，将切换逻辑设计为当输出响应达到某一设定阈值作为切换条件；
步骤4，阈值的设计：找出阈值e，使得调节时间ts最优；
步骤5，数值仿真验证：采取切换控制改善所述系统的动态特性。
其中，所述步骤1的过程包括：
在单独使用第一控制器K时，系统具有临界阻尼，其单位阶跃响应为：
其中，ωn为自然频率；由此得到调节时间为：
在单独使用第二控制器Ks时，涡扇发动机控制系统为欠阻尼，其阻尼系数为ξ，其单位阶跃响应是：
得到相应的调节时间为：
切换涡扇发动机控制系统的响应由起始阶段，其响应时间tsKs和切换后在第一控制器K作用下至涡扇发动机控制系统到稳态的时间tsK之和构成；所述的起始阶段的输出y∈[0,1-e]，所述的稳态时间的输出y∈[1-e,1]；
在第二控制器Ks作用下，涡扇发动机控制系统输出y从零到(1-e)的时间tsKs为：
在第二控制器Ks控制器作用时间tsKs后，切换至第一控制器K，这时的涡扇发动机控制系统的初始条件可通过下式求得：
定义在控制器K作用下的闭环传递函数对应的动态方程为：
则容易求得(7)以(6)为初始条件时，由y＝1-e到y＝1所经历的时间tsK：
可得涡扇发动机控制系统在切换控制下总的调节时间为：
ts＝tsKs+tsK (9)
由此，切换逻辑设计问题转述成优化问题。
在所述步骤2中，所述的阈值设计采取试凑的方法，使其最优调节时间需满足以下条件：
ts＝tsKs+tsK；
其中：
ye＝1-e；
在所述步骤2中，使用试凑法进行阈值设计：取一组阈值e，不同的阈值e下必然会产生不同的输出响应，从中选取最优输出响应情况下的阈值作为最优阈值eop t。
在所述步骤2中，所述的阈值设计采用数学优化的方法定量得出。
本发明的一种涡扇发动机控制系统，其特征在于，在具有单独的第一控制器K的原涡扇发动机控制系统中，增加具有切换逻辑功能的第二控制器Ks的切换控制子系统；所述的两个控制器K和Ks由切换逻辑在合适的阈值e设计下进行切换；从而，在涡扇发动机控制系统特性固定、PID控制器系数、传感器和执行机构参数确定的情况下，采取切换控制改善所述系统的动态特性。所述的第二控制器Ks选用满足涡扇发动机控制系统动态响应要求的控制器。
相比现有技术,本发明的有益效果和优点是：
(1)本发明利用切换控制理论，无需改变原系统结构和参数，在控制器系数、传感器和执行机构参数固定的情况下，可有效改善系统的动态特性，而且设计容易、调试方便的特点。
(2)本发明克服了现有技术的涡扇发动机控制系统中传感器及执行机构存在惯性过大、响应迟缓的问题，对涡扇发动机电子控制器计算资源占用小。而且，维护方便，有利于降低成本。
(3)本发明只需增加简单的控制逻辑，无需增加涡扇发动机电子控制器的计算资源；而且无需更改已有控制系统的结构，仅是通过简单的逻辑设计即可显著地提高涡扇发动机控制系统的性能，从而在计算资源有限情况下得到便于工程实施的技术方法。
附图说明
图1a是现有技术的原涡扇发动机控制系统的结构示意图。
图1b是图1a所示的原涡扇发动机控制系统的单位阶跃响应曲线图。
图1c是本发明一种涡扇发动机控制系统的一种实施例的结构示意图，其中，增加了具有切换逻辑功能的第二控制器Ks。
图1d是图1c所示的涡扇发动机控制系统的单位阶跃响应、原涡扇发动机控制系统的单位阶跃响应、以及单独使用第二控制器Ks下单位阶跃响应的曲线对比图。
图2是本发明一种涡扇发动机控制系统的一种实施例的关键设计变量—阈值e曲线图。
图3是本发明一种涡扇发动机控制系统的一种实施例在不同阈值e下的系统输出响应曲线。其中，图3a是切换阈值为0.8时的涡扇发动机控制系统单位阶跃响应曲线图，图3b是切换阈值为0.6时的涡扇发动机控制系统单位阶跃响应曲线图，图3c是切换阈值为0.4时的涡扇发动机控制系统单位阶跃响应曲线图，图3d则是切换阈值为0.2时的涡扇发动机控制系统单位阶跃响应曲线图。
图4是本发明的一种实施例的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做进一步详细说明。
图1a是现有技术的原涡扇发动机控制系统的结构示意图。如图1a所示：已知发动机动态特性Plant和控制器K，常规的闭环控制。图1b上述系统的单位阶跃响应曲线图，可见由于惯性太大而造成了接近于5秒的上升时间。那么，在PID控制器系数、传感器和执行机构参数确定的情况下，采取切换控制理论，在系统特性固定的情况下就可以有效改善系统的动态特性。本发明的基本思想是，所谓采用切换控制，是首先使用一个动态响应好的控制器Ks，在接近稳态值时切换回原控制器K。需要注意的是，尽管控制器K使得系统动态响应缓慢，若单独使用Ks则可能使系统动态响应过快而造成很大的超调，这在发动机控制中是绝对不允许的(原因是存在一系列温度、压力和转速极限的限制)。所以问题的关键在于合理的设计切换逻辑或者说是切换条件。
图1c是本发明一种涡扇发动机控制系统的一种实施例的结构示意图。如图1c所示，在原控制系统图1a的基础上增加了具有切换逻辑功能的第二控制器Ks。Ks通常选为满足系统动态响应要求的控制器。两个控制器由切换逻辑在合适的阈值e设计下进行切换。图1c所示的本发明的一种实施例系统，是在具有单独的第一控制器K的原涡扇发动机控制系统中，增加具有切换逻辑功能的第二控制器Ks的切换控制子系统；所述的两个控制器K和Ks由切换逻辑在合适的阈值e设计下进行切换；从而，在涡扇发动机控制系统特性固定、PID控制器系数、传感器和执行机构参数确定的情况下，采取切换控制改善所述系统的动态特性。所述的第二控制器Ks选用满足涡扇发动机控制系统动态响应要求的控制器。满足系统动态响应要求，主要是指控制器的以下参数需达到要求：(1)调节时间，(2)超调量。
图1d是图1c所示的涡扇发动机控制系统的单位阶跃响应、原涡扇发动机控制系统的单位阶跃响应、以及单独使用第二控制器Ks下单位阶跃响应的曲线对比图。如图1d中所示，单独使用Ks时尽管调节时间大大改善(2.64秒)，但存在接近20％的超调量；如果采用切换控制，则调节时间为2.62秒而不存在超调。可见切换控制极大地改善了原系统的动态响应特性。
图4是本发明一种提高涡扇发动机控制系统性能方法的一种实施例的方法流程图。本实施例方法，其特征在于，在具有单独的第一控制器K的原涡扇发动机控制系统中，增加具有切换逻辑功能的第二控制器Ks的切换控制子系统；从而，在涡扇发动机控制系统特性固定、PID控制器系数、传感器和执行机构参数确定的情况下，采取切换控制改善所述系统的动态特性；所述方法包括如下步骤：
步骤1，保留原有的第一控制器K，增加第二控制器Ks；
步骤2，选择第二控制器Ks，使得单位阶跃响应性能优于第一控制器K的性能；
步骤3，切换逻辑的设计：在单位阶跃响应的情况下，将切换逻辑设计为当输出响应达到某一设定阈值作为切换条件；
步骤4，阈值的设计：找出阈值e，使得调节时间ts最优；
步骤5，数值仿真验证：采取切换控制改善所述系统的动态特性。
其中，所述步骤1的过程包括：
在单独使用第一控制器K时，系统具有临界阻尼，其单位阶跃响应为：
其中，ωn为自然频率；由此得到调节时间为：
在单独使用第二控制器Ks时，涡扇发动机控制系统为欠阻尼，其阻尼系数为ξ，其单位阶跃响应是：
得到相应的调节时间为：
切换涡扇发动机控制系统的响应由起始阶段，其响应时间tsKs和切换后在第一控制器K作用下至涡扇发动机控制系统到稳态的时间tsK之和构成；所述的起始阶段的输出y∈[0,1-e]，所述的稳态时间的输出y∈[1-e,1]；
在第二控制器Ks作用下，涡扇发动机控制系统输出y从零到(1-e)的时间tsKs为：
在第二控制器Ks控制器作用时间tsKs后，切换至第一控制器K，这时的涡扇发动机控制系统的初始条件可通过下式求得：
定义在控制器K作用下的闭环传递函数对应的动态方程为：
则容易求得(7)以(6)为初始条件时，由y＝1-e到y＝1所经历的时间tsK：
可得涡扇发动机控制系统在切换控制下总的调节时间为：
ts＝tsKs+tsK (9)
由此，切换逻辑设计问题转述成优化问题。
在所述步骤2中，所述的阈值设计采取试凑的方法，使其最优调节时间需满足以下条件：
ts＝tsKs+tsK；
其中：
ye＝1-e；
在所述步骤2中，使用试凑法进行阈值设计：取一组阈值e，不同的阈值e下必然会产生不同的输出响应，从中选取最优输出响应情况下的阈值作为最优阈值eopt。
在所述步骤2中，所述的阈值设计采用数学优化的方法定量得出。
图2是本发明一种涡扇发动机控制系统的一种实施例的关键设计变量—阈值e曲线图。如图2所示的逻辑切换过程为：选定切换阈值e，系统在起始阶段(输出y∈[0,1-e]))时由切换控制器Ks控制；在y＝(1-e)时，切换逻辑把控制器由Ks切换到K，直至系统达到稳态。
图3是本发明一种涡扇发动机控制系统的一种实施例在不同阈值e下的系统输出响应曲线。其中，图3a是切换阈值为0.8时的涡扇发动机控制系统单位阶跃响应曲线图，图3b是切换阈值为0.6时的涡扇发动机控制系统单位阶跃响应曲线图，图3c是切换阈值为0.4时的涡扇发动机控制系统单位阶跃响应曲线图，图3d则是切换阈值为0.2时的涡扇发动机控制系统单位阶跃响应曲线图。
由图3可以发现：
(1)切换系统的上升时间tr介于两个被切换控制器所产生的系统输出响应之间；
(2)切换系统的调节时间ts可以优于被切换控制器所产生的系统输出调节时间：如图中阈值e＝0.6所对应的由切换控制所产生的输出响应调节时间只有1.5秒，而两个单独的控制器所产生的输出响应调节时间分别为4.8秒和2.7秒。但不恰当的阈值设计也可能使情形恶化。如图中阈值e＝0.2所对应的切换控制调节时间长达5秒，大于两个单独控制器的调节时间。
(3)超调量σ％具有和调节时间ts同样的特性。
上述的数值仿真验证步骤中，仿真所采用的模型是某一工况下发动机连同执行机构)的模型为控制器K为一简单的比例环节K＝1，切换控制器Ks＝4。当阈值e分别取0.8、0.6、0.4和0.2时，切换系统的输出响应如图3所示。所述的执行机构包括液压执行机构，其液压执行机构的一阶模型可以用积分器来表示。
Claims (7)
1.一种提高涡扇发动机控制系统性能的方法，其特征在于，在具有单独的第一控制器K的原涡扇发动机控制系统中，增加具有切换逻辑功能的第二控制器Ks的切换控制子系统；从而，在涡扇发动机控制系统特性固定、PID控制器系数、传感器和执行机构参数确定的情况下，采取切换控制改善所述涡扇发动机控制系统的动态特性；所述方法包括如下步骤：
步骤1，保留原有的第一控制器K，增加第二控制器Ks；
步骤2，选择第二控制器Ks，使得单位阶跃响应性能优于第一控制器K的性能；
步骤3，切换逻辑的设计：在单位阶跃响应的情况下，将切换逻辑设计为当输出响应达到某一设定阈值作为切换条件；
步骤4，阈值的设计：找出阈值e，使得调节时间ts最优；
步骤5，数值仿真验证：采取切换控制改善所述系统的动态特性。
2.根据权利要求1所述的一种提高涡扇发动机控制系统性能的方法，其特征在于：所述步骤1的过程包括：
在单独使用第一控制器K时，系统具有临界阻尼，其单位阶跃响应为：
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切换涡扇发动机控制系统的响应由起始阶段，其响应时间tsKs和切换后在第一控制器K作用下至涡扇发动机控制系统到稳态的时间tsK之和构成；所述的起始阶段的输出y∈[0,1-e]，所述的稳态时间的输出y∈[1-e,1]；
在第二控制器Ks作用下，涡扇发动机控制系统输出y从零到(1-e)的时间tsKs为：
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在第二控制器Ks控制器作用时间tsKs后，切换至第一控制器K，这时的涡扇发动机控制系统的初始条件可通过下式求得：
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定义在控制器K作用下的闭环传递函数对应的动态方程为：
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</mrow>
则容易求得(7)以(6)为初始条件时，由y＝1-e到y＝1所经历的时间tsK：
<mrow>
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</mrow>
可得涡扇发动机控制系统在切换控制下总的调节时间为：
ts＝tsKs+tsK (9)
由此，切换逻辑设计问题转述成优化问题。
3.根据权利要求1所述的一种提高涡扇发动机控制系统性能的方法，其特征在于：在所述步骤2中，所述的阈值设计采取试凑的方法，使其最优调节时间需满足以下条件：
ts＝tsKs+tsK；
<mrow>
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<mi>s</mi>
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其中：
ye＝1-e；
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</mrow>
4.根据权利要求1所述的一种提高涡扇发动机控制系统性能的方法，其特征在于：在所述步骤2中，使用试凑法进行阈值设计：取一组阈值e，不同的阈值e下必然会产生不同的输出响应，从中选取最优输出响应情况下的阈值作为最优阈值eopt。
5.根据权利要求1所述的一种提高涡扇发动机控制系统性能的方法，其特征在于：在所述步骤2中，所述的阈值设计采用数学优化的方法定量得出。
6.一种涡扇发动机控制系统，其特征在于，在具有单独的第一控制器K的原涡扇发动机控制系统中，增加具有切换逻辑功能的第二控制器Ks的切换控制子系统；所述的两个控制器K和Ks由切换逻辑在合适的阈值e设计下进行切换；从而，在涡扇发动机控制系统特性固定、PID控制器系数、传感器和执行机构参数确定的情况下，采取切换控制改善所述系统的动态特性。
7.根据权利要求6所述的一种涡扇发动机控制系统，其特征在于，所述的第二控制器Ks选用满足涡扇发动机控制系统动态响应要求的控制器。
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