CN111082720A

CN111082720A - 一种直驱式航空电动燃油泵鲁棒控制器

Info

Publication number: CN111082720A
Application number: CN202010001361.3A
Authority: CN
Inventors: 肖玲斐; 马磊明; 徐敏; 孟中祥; 林聪�; 叶志锋
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2020-01-02
Filing date: 2020-01-02
Publication date: 2020-04-28
Anticipated expiration: 2040-01-02
Also published as: CN111082720B

Abstract

本发明公开了一种直驱式航空电动燃油泵鲁棒控制器，由内环和外环组成，内环是电流环，通过二阶积分滑模电流环控制器，实现电流跟踪；外环是速度环，通过基于不确定性和干扰估计(UDE)的速度环控制器，跟踪期望的转速指令，同时提供期望的q轴电流给电流环。本发明结合二阶积分滑模控制思想和不确定性和干扰估计(UDE)控制策略，提出了一种直驱式航空电动燃油泵(AEFP)鲁棒控制器，用以准确地、鲁棒地实现为飞机发动机按需供油。

Description

一种直驱式航空电动燃油泵鲁棒控制器

技术领域

本发明属于一种鲁棒控制器。

背景技术

自20世纪90年代以来，一些国家实施了多电飞机的计划。多电发动机(MEE)是多电飞机的核心技术，而航空电动燃油泵(AEFP)已成为MEE的重要组成部分之一，因为它结构简单，可变流量。AEFP的基本功能是提供为飞机发动机提供具有指定压力和流量的连续燃油。

与传统的航空燃油泵相比，AEFP有许多显著优势。AEFP是机电一体化的产品，传统的飞机发动机主燃油泵由附件驱动变速箱。它的速度与发动机速度直接相关。为了提供准确的燃油流量，需要将多余的燃油回流，这导致功率损失和燃料温度升高。AEFP用电机来驱动燃油泵，它的速度与发动机速度无关。因此，燃油泵的速度可以通过电子控制器直接调节，以满足发动机的实际燃料需求，可以最大程度地减少燃料回流。此外，AEFP省去了传动结构和相应的润滑系统，降低了燃料控制系统的复杂性，降低了整个燃料系统的体积和重量，从而有利于提高推重比。此外，AEFP燃料供应很快，可以改善发动机的起动特性。鉴于AEFP的诸多优势，为了实现快速准确的为发动机提供燃料，AEFP控制系统的研究吸引了许多研究者的关注[4]-[7]。

滑模控制由于其强大的鲁棒性，是一种广泛有效的控制策略[8]-[10]。到目前为止，SMC已经广泛应用于许多领域，如燃油泵[6]、[7]、飞行器[11]、[12]、飞机发动机[13]、[14]，永磁同步电机(PMSM)[15]-[17],等其他对象[18]，[19]。

在传统的滑模控制方法中，抖振是众所周知的。许多研究人员做了许多工作减少或消除SMC中的抖振。一种有效的方法是高阶滑模(HOSM)方法[20]-[22]。在HOSM算法中，二阶滑模(SOSM)控制是最受欢迎的，因为SOSM控制器的结构相对简单，所需信息相对较少[19]，[23]-[25]。

除了SMC方法之外，一些其他的控制方法也用于复杂系统提高其鲁棒性，包括不确定性和干扰估计器(UDE)控制策略[26]-[31]。

航空电动燃油泵(AEFP)是MEE燃油供应系统的核心部件，包括电机和泵。航空用电机主要是永磁无刷电机DC电机、开关磁阻电机、永磁同步电机(PMSM)等。齿轮泵通常用作飞机发动机的主燃油泵。

本发明针对的是一类直驱式AEFP，它由一个外啮合齿轮泵和一个PMSM所组成的，齿轮泵是工作机，PMSM是动力机，泵和电机之间的连接是直接驱动形式，因此，泵的速度与电机的速度一致。直驱式AEFP的结构见图1。

本发明针对该类AEFP系统，结合二阶积分滑模控制思想和UDE控制策略，提出了一种鲁棒控制器，用以准确、鲁棒地实现对多电发动机的按需供油。

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发明内容

本发明的目的是提供一种直驱式航空电动燃油泵鲁棒控制器，基于不确定性和干扰估计(UDE)策略和二阶积分滑模控制(SOISMC)思想，以速度环和电流环相串联的形式，构成鲁棒控制器。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种直驱式航空电动燃油泵鲁棒控制器，由内环和外环组成，内环是电流环，通过二阶积分滑模电流环控制器，实现电流跟踪；外环是速度环，通过基于不确定性和干扰估计(UDE)的速度环控制器，跟踪期望的转速指令，同时提供期望的q轴电流给电流环。

所述二阶积分滑模电流环控制器为：

所述基于不确定性和干扰估计(UDE)的速度环控制器为：

有益效果：本发明结合二阶积分滑模控制思想和不确定性和干扰估计(UDE)控制策略，提出了一种直驱式航空电动燃油泵(AEFP)鲁棒控制器，用以准确地、鲁棒地实现为飞机发动机按需供油。相比于现有技术，优势在于：

1)考虑到AEFP的结构特点，以UDE和SOISMC为基础，提出了一种新颖的鲁棒控制器。该鲁棒控制器是串级的结构，由内环和外环组成：内环是电流环，由SOISMC设计；外环是速度环，它基于UDE控制策略，给内环提供所需的q轴电流。

2)针对AEFP电流环提出了一种的二阶积分滑模(SOISM)电流环控制器，用于保证电流具有良好的快速性和鲁棒性。基于李亚普诺夫理论，给出了内环鲁棒稳定的充分条件。

3)速度回路采用UDE控制策略，以实现系统对速度指令变化和燃油泵脉动，具有强鲁棒性。

4)给出了AEFP瞬时流量和动态转矩的计算方法。

5)为了验证UDE-SOISMC方法对AEFP系统的有效性，在Matlab/Simulink/SimpowerSystems上进行了仿真验证。

附图说明

图1直驱式航空电动燃油泵结构图；

图2航空电动燃油泵系统UDE-SOISMC鲁棒控制结构；

图3基于Matlab/Simulink/SimPowerSystems的航空电动燃油泵系统UDE-SOISMC鲁棒控制器设计仿真平台；

图4速度跟踪响应曲线；

图5 a-b-c轴系下电流响应曲线；

图6 d-q轴系下电流响应曲线；

图7 d-q轴系下电压控制信号曲线；

图8燃油流量曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

本发明针对航空电动燃油泵(AEFP)，提出了一种鲁棒控制器。基于不确定性和干扰估计(UDE)策略和二阶积分滑模控制(SOISMC)思想，以速度环和电流环相串联的形式，构成了所提的鲁棒控制器设计方法(UDE-SOISMC)。首先，考虑到AEFP可能受到的不确定性因素的影响，建立了AEFP的不确定动态模型。其次，为了让AEFP的电流回路既具有快速性又具有鲁棒性，构造了一种二阶积分滑模面，设计了SOISMC电流环控制器。然后，为了实现AEFP能够鲁棒地跟踪速度指令，设计了基于UDE的速度环控制器。

下面对本发明做详细说明。

1、航空电动燃油泵系统模型

航空电动燃油泵(AEFP)的结构见图1所示。航空电动燃油泵系统模型主要基于PMSM的数学模型，齿轮泵视为PMSM的负载，形成对PMSM的负载转矩。

PMSM的数学模型包含两个部分，一个是电压方程，另一个是动态运动方程。通常采用串级控制策略，内环为电流回路，外环是速度回路。内环的控制基于电压方程，外环的控制基于动态运动方程。

在PMSM驱动的应用中，通过使用Park变换和Clark变换，可以推导出d、q轴系下的PMSM模型。

电压方程为：

其中u_d和u_q分别是d轴和q轴定子电压；i_d和i_q分别是d和q轴定子电流，

和

分别是i_d和i_q的导数；R_s是定子电阻；L_d和L_q是分别d轴和q轴定子电感；ω是机械转子角速度；ψ_f是磁链；p是极点对的数量。

当考虑表贴式的PMSM时，即d轴和q轴定子电感满足L_d＝L_q，(1)可以重写为

让x＝[i_d,i_q]^T,u＝[u_d,u_q]^T,有

其中

在有机械负载的情况下，PMSM的动态运动方程可以写成:

其中，ω是机械转子角速度，

是ω的导数；J是转动惯量；T_e是电磁转矩；B_v是粘性摩擦力,T_L是负载扭矩。在AEFP中，齿轮泵视为PMSM的负载，提供扭矩T_L。

磁场定向控制(FOC)通常用于控制PMSM驱动系统。在FOC的概念中，d轴电流需要保持在零，以便最大化输出扭矩，实现转子磁链与电磁转矩的解耦。此时，扭矩方程可表示为:

其中

是PMSM扭矩常数。

然后(4)可以被重新写为

其中，

R_s,L_d,ψ_f可能会由于外在条件的变化，而产生不确定性△R_s,△L_d,△ψ_f。例如，定子电阻会随着温度的升高、磁链的变化而变化，定子电感会随着转速的变化而变化。因此，考虑到不确定量△R_s,△L_d,△ψ_f的作用，结合式(2)和式(6)，AEFP的不确定动态模型为

其中，△A_x,△B_x,△A_ω,△B_ω,△d_x(x),△d_ω(x)分别代表A_x,B_x,A_ω,B_ω,d_x(x),d_ω(ω)的不确定性。

令

D_x(x)＝[D_d(x),D_q(x)]^T＝△A_xx+△B_xu+d_x(x)+△d_x(x),

D_ω(x)＝△A_ωω+△B_ωi_q+d_ω(ω)+△d_ω(ω),

分别代表系统(7)中第一个式子和第二个式子中的集成扰动，那么(7)可以重写为

设定条件1：ω^★是转速ω的期望速度指令，且已知。i_d,i_q,ω,

均可测量。

设定条件2：集成扰动D_x(x)和D_ω(ω)是连续的，满足

|D_ω(ω)|≤μ_ω,其中μ_d,μ_q和μ_ω是已知的正值常数。

2、航空电动燃油泵鲁棒控制器

2.1AEFP系统UDE-SOISMC鲁棒控制结构

考虑到AEFP的结构特点，基于不确定性和干扰估计(UDE)策略和二阶积分滑模控制(SOISMC)思想，本发明提出了一种鲁棒控制器(UDE-SOISMC)

在一定的控制规律下，通过改变电机速度，可以改变燃油泵转速，从而调节燃油流量，实现AEFP向航空发动机按需供油。

针对直驱式AEFP，本发明所提出的UDE-SOISMC鲁棒控制器，由内环和外环组成，内环是电流环，通过二阶积分滑模电流环控制器，实现电流跟踪；外环是速度环，通过基于干扰估计的速度环控制器，跟踪期望的转速指令，同时提供期望的q轴电流给电流环。

航空电动燃油泵系统UDE-SOISMC鲁棒控制结构如图2所示。

2.2二阶积分滑模电流环控制器

电流环控制算法应确保在存在不确定性影响时，仍然可以精确跟踪电流参考值。为了实现这样的控制目标，定义d轴和q轴电流跟踪误差为

和

其中，

和

分别是d轴和q轴电流参考值,

和

分别是d轴和q轴电流跟踪误差。将电流跟踪误差

和

写成误差状态变量向量

d轴和q轴电流参考值

和

写成电流期望向量

有e＝x^★-x，

其中，

为误差状态变量向量，

分别表示e的的一阶导数和二阶导数，

为电流期望向量，

分别表示x^★的一阶导数和二阶导数，

x＝[i_d,i_q]^T为状态变量向量，

分别表示x的一阶导数和二阶导数；

令σ＝[σ_d,σ_q]∈R^2×1是一阶滑模向量，s＝[s_d,s_q]^T∈R^2×1是二阶滑模向量,设计滑模函数为

其中，

是正定的对角矩阵,它们可以由设计者来设定，用于保证电流跟踪误差具有满意的收敛速率。因此，滑模面为

其中，

表示s的一阶导数；

对σ分别求取一阶导数和二阶导数，有

当

时，有

因此，

显然，电流跟踪误差e指数收敛.

式(9)可以重新书写为

对式(11)求导数，可得

考虑到式(8)的第一个式子对应的标称模型为

对式(12)求导数，得

所以，有

令

于是

因此，设计

v＝v_eq+v_n (13)

其中，

sgn(·)是符号函数.

因此，二阶积分滑模电流环控制器为

2.3基于不确定性和干扰估计(UDE)的速度环控制器

从图2中可以看出，u_ω被视为

作用于电流环，所以，在速度环控制器设计中，令u_ω＝i_q,由式(8)的第二个式子，有

控制目的是使得转速ω跟踪期望的转速指令ω^★，所以，令e_ω＝ω^＊-ω。

根据式(15)，有

其中，

为式(16)选择一个跟踪误差参考模型如式(17)所示

其中，

是设计者可设计的具有期望性能的函数。

通过控制器设计使得

收敛并具有如式(17)所示指定的动态

其中，K_ω是计者可选择的误差反馈增益。

显然，由式(16)和式(17)有

根据式(18)，可得

因此，

因为在式(19)中存在未知量d_ω(ω),速度环控制信号u_ω不能通过式(19)直接获得。

根据文献[26]中介绍的(UDE)策略，我们采用未知量d_ω(ω)的估计量来获得速度环控制信号u_ω

令

假设g_f(t)是滤波器G_f(s)的脉冲响应,它的带宽涵盖了

的频率，于是

可以由式(20)的输出ude来估计。

其中，*是卷积算子,且

是拉普拉斯变换算子。

因此，由式(19)和式(20)可得

另外，通过式(16)可以发现

也可以由式(22)来表示

因此，把(22)代入(21)可得

于是

所以

显然，式(23)中没有未知量，从式(23)中可以获得控制信号u_ω。

实施例

考虑电机参数和齿轮泵参数如表1和表2所示的航空电动燃油泵。

表1永磁同步电机参数

表2齿轮泵参数

为此航空电动燃油泵设计UDE-SOISMC鲁棒控制器，其中，二阶积分滑模函数(9)中的参数为α＝diag{1000,800},β＝diag{1000,800},γ＝diag{1,1},电流环二阶积分滑模控制器(14)中的参数为

速度环基于UDE的控制器(23)中选取K_ω＝-20,

T＝0.01,

Λ＝-60,考虑不确定性△R_s＝0.5R_s，△L_d＝0.5L_d，△ψ_f＝0.5ψ_f.根据齿轮泵的燃油流量计算理论，可以由电机转速获得齿轮泵的燃油流量。

基于Matlab/Simulink/SimPowerSystems的仿真平台如图3所示。仿真结果如图4-图8所示。

图4-图8说明，在存在不确定性的情况下，AEFP的转速能够在0.2秒内跟踪上额定转速6000r/min；a-b-c轴系下，电流0.03秒内进入平稳阶段；d-q轴系中，i_d电流0.03秒之后保持在零值附近；d-q轴系中，电压u_d在0.05秒内进入稳定，电压u_q在0.2秒内达到稳定；燃油流量在45L/min和61L/min之间脉动，与表2中所示的燃油流量的额定值56L/min比较吻合。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。