CN111856928B - 变循环发动机鲁棒增益调度控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种变循环发动机鲁棒增益调度控制器，包括鲁棒控制器组调度计算模块；鲁棒控制器组调度计算模块产生控制输入向量u并输出给发动机本体，传感器得到发动机测量参数y；由传感器输出调度参数α和模式选择活门打开程度msv至鲁棒控制器组调度计算模块；鲁棒控制器组调度计算模块内设计有若干鲁棒控制器，鲁棒控制器组调度计算模块根据输入的调度参数α和模式选择活门打开程度msv，利用内部设计的若干鲁棒控制器计算得到适应的鲁棒控制器，该鲁棒控制器根据参考输入r和测量参数y的差值e产生控制输入向量u。本发明能够在全飞行包线内对变循环发动机在不同的工作模式下进行良好控制，具有较强的鲁棒性，保证控制系统的稳定性并充分发挥变循环发动机的性能。

Description

变循环发动机鲁棒增益调度控制器

技术领域

本发明涉及变循环航空发动机控制技术领域，尤其涉及一种变循环发动机鲁棒增益调度控制器。

背景技术

航空发动机是一个复杂的非线性动力学系统，在范围宽广的飞行包线内工作时，发动机的工作状态随着外部条件和飞行条件的变化而不断变化。针对航空发动机的强非线性和模型的不确定性，现有技术中有提出鲁棒增益调度控制方法，将发动机划分为一系列工作点，并在每一个工作点设计鲁棒控制器，最终采用增益调度的方法选择合适的鲁棒控制器对发动机进行控制。

上述航空发动机鲁棒增益调度控制方法可以对航空发动机进行控制。然而，现代战争要求先进战斗机具备长航程亚声速巡航的能力，同时在作战时又要具备快速反应能力，未来航空发动机将向长巡航里程、高推重比、宽工作范围三个方向不断发展。通过研究常规发动机速度特性，研究者发现超声速状态下涡喷发动机具有较高的单位推力和较低的单位燃油消耗率而亚声速状态下大涵道比涡扇发动机具有较低的单位燃油消耗率。考虑现代战争对战斗机推进系统的性能要求，涡扇发动机更加适合亚声速飞行，而涡喷发动机更适合超声速飞行。因此，便有了性能更好的变循环发动机。在发动机不同的工作状态下，通过采用调节特征部件的几何形状、物理位置或尺寸大小等不同的技术手段，将涡扇和涡喷两种不同的航空发动机的性能优势集中一体，从而保证变循环发动机在亚声速巡航状态下以涡扇发动机类似构型工作，从而获得较高的经济性，在超声速作战状态下以涡喷发动机类似构型工作，从而获得持续可靠的高单位推力，达到了将涡扇、涡喷发动机的性能优势融为一体的目的，使变循环发动机在发动机工作全过程中均具有优良的性能。变循环发动机在不同的工作模式下，可以调整自身热力循环状态，除了需要具备特殊的特征部件外，还需要与之适应、性能优良的控制系统。相比传统航空发动机，变循环发动机工作包线宽广、工作模式复杂、可调部件众多，控制系统中控制变量更多、变量间耦合性更强。传统的鲁棒增益调度控制无法适用于变循环发动机，因此，研究变循环发动机鲁棒增益调度控制方法具有重要意义。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种变循环发动机鲁棒增益调度控制器，能够在全飞行包线内对变循环发动机在不同的工作模式下进行良好控制，具有较强的鲁棒性，保证控制系统的稳定性并充分发挥变循环发动机的性能。

本发明的技术方案为：

所述一种变循环发动机鲁棒增益调度控制器，其特征在于：包括鲁棒控制器组调度计算模块；

其中鲁棒控制器组调度计算模块与变循环发动机本体以及变循环发动机上的若干传感器组成调度控制回路；由传感器输出调度参数α和模式选择活门打开程度msv至鲁棒控制器组调度计算模块；

所述鲁棒控制器组调度计算模块产生控制输入向量u并输出给变循环发动机本体，传感器得到变循环发动机测量参数y；

所述鲁棒控制器组调度计算模块内设计有若干鲁棒控制器，所述鲁棒控制器是利用若干线性不确定性发动机模型而分别设计得到的，所述线性不确定性发动机模型是对变循环发动机不同模式选择活门MSV打开程度、不同调度参数下的非线性发动机模型进行线性化后再加入摄动块得到的；

所述鲁棒控制器组调度计算模块根据输入的调度参数α和模式选择活门打开程度msv，利用内部设计的若干鲁棒控制器计算得到适应的鲁棒控制器，该鲁棒控制器根据参考输入r和测量参数y的差值e产生控制输入向量u。

进一步的，所述鲁棒控制器组调度计算模块内设计若干鲁棒控制器的过程为：在全飞行包线内根据调度参数α和模式选择活门打开程度msv，选取q*J个工作点对非线性发动机模型进行线性化得到q*J个线性化模型再加入摄动块得到q*J个线性不确定性发动机模型，并对这q*J个线性不确定性发动机模型分别设计相应的鲁棒控制器从而组成鲁棒控制器组。

所述非线性发动机模型为：

y＝g(x,u,msv)

其中

为控制输入向量，

为状态向量，

为输出向量，

为模式选择活门MSV打开程度，f(·)为表示系统动态的n维可微非线性向量函数，g(·)为产生系统输出的m维可微非线性向量函数。

所述线性化过程为：从模式选择活门MSV完全闭合msv₀到完全打开msv_J等间距的选取模式选择活门MSV打开程度msv_j,j＝1,2,...,J，在每一个固定的msv_j,j＝1,2,...,J，选择一组调度参数值α_i,i＝1,2,...,q，代表系统的动态范围，并将飞行包线划分为几个子区间，并将这些点作为工作点，在工作点，采用小扰动法或拟合法对发动机非线性模型在稳态参考点处进行线性化，得到

其中Δ表示该参数的变化量，系数矩阵可由下式得到：

这些系数在发动机不同的工作状态具有不同的值。

所述线性不确定性发动机模型得到方法为：得到的各个工作点的线性化模型为标称模型，线性状态空间方程

也可以表示为

实际的发动机和标称模型之间的误差可以表示为一个摄动块Δ。在标称模型加入摄动块建立发动机不确定模型

进一步的，所述鲁棒控制器组调度计算模块根据输入的调度参数α和模式选择活门打开程度msv插值得到的适应的鲁棒控制器。

进一步的，所述鲁棒控制器组调度计算模块根据变循环发动机当前的调度参数α和模式选择活门打开程度msv选择相邻的四个设定工作点x_i,j、x_i,j+1、x_i+1,j和x_i+1,j+1(x_i,j表示调度参数为α_i，模式选择活门打开程度为msv_j时的工作点)，并获取四个设定工作点对应的线性控制器K_i,j、K_i,j+1、K_i+1,j和K_i+1,j+1(i＝1,2,...,q,j＝1,2,...,J)。根据公式

计算得到变循环发动机当前适应的鲁棒控制器K(α,msv)。

进一步的，所述调度参数α包括变循环发动机的风扇转速或者压气机转速。

进一步的，所述测量参数包括进气道出口、风扇出口、压气机出口、高压涡轮后、低压涡轮后的温度和压力，风扇转速和压气机转速。

有益效果

与现有技术相比较，本发明的变循环发动机鲁棒增益调度控制器利用传统鲁棒增益调度控制器中固有的调度参数，通过新增模式选择活门打开程度msv这一新的调度参数，并对鲁棒控制器组调度计算模块进行了改进，新增了变循环发动机不同工作模式下的多组鲁棒控制器。结合传统的调度参数，实现变循环发动机的增益调度控制，能够在全飞行包线内对变循环发动机在不同的工作模式下进行良好控制，具有较强的鲁棒性，保证控制系统的稳定性并充分发挥变循环发动机的性能。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明变循环发动机鲁棒增益调度控制器的结构简图；

图2是本发明变循环发动机结构示意图；

图3是本发明变循环发动机可调参数示意图；

图4是本发明变循环发动机可调部件示意图；

图5是本发明变循环发动机双外涵模式气流分布图；

图6是本发明变循环发动机单外涵模式气流分布图；

图7是本发明变循环发动机非线性模型线性化示意图。

具体实施方式

航空发动机是一个复杂的非线性动力学系统,在范围宽广的飞行包线内工作时,发动机的工作状态随着外部条件和飞行条件的变化而不断变化，具有强非线性和模型的不确定性。针对发动机的控制，使用较多的是鲁棒增益调度控制。然而，相比传统航空发动机，变循环发动机工作包线宽广、工作模式复杂、可调部件众多，控制系统中控制变量更多、变量间耦合性更强。传统的鲁棒增益调度控制无法适用于变循环发动机。针对这一问题，下面给出本发明的分析研究过程。

1、变循环发动机工作原理

本发明以带有核心驱动风扇级(CDFS)的双外涵变循环发动机为主要研究对象，其主要结构如图2所示，包含的主要部件有进气道、风扇、核心驱动风扇级、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、混合室、加力燃烧室、尾喷管。相比普通双轴涡扇发动机，其显著的结构特点是在风扇和高压压气机之间增加了CDFS，同时在风扇和CDFS后分别设置副外涵和主外涵。在变循环发动机的不同工作状态下，通过改变CDFS的导叶角度，可以大幅度调节发动机外涵道和核心机的空气流量，进而调节发动机内外涵空气流量、涵道比和增压比等循环参数，使发动机的热力循环调节更加灵活。

相比普通双轴涡扇发动机，变循环发动机具有更多的可调部件。带有CDFS部件的变循环发动机主要有8个可调部件，具体如图3所示，可调部件示意图如图4所示。

与传统发动机相比，变循环发动机的性能优势主要体现在由于其可调部件增加，通过改变可调部件参数，调节发动机在工作过程中的气动热力循环，在保证推力基本不变时显著降低单位燃油消耗率，大大提高发动机的经济效益，同时可调部件的增加，使控制系统的调节过程更加灵活，风扇、压气机等部件的稳定裕度将大大提高。

变循环发动机具有单/双外涵两种典型的工作模式，它们通过模式选择活门MSV、FVABI、RVABI等可变阀门实现切换。当MSV完全打开时，气流经风扇后被分为两部分，一股气流流入副外涵，这部分气流最终在主外涵出口截面与主外涵气流有效掺混，流入总外涵。另一股气流流入CDFS，这股气流部分经RVABI被引入总外涵，其余气流将流入核心机。由于尾端涵道和RVABI的存在，总外涵气流在出口处会分为两部分，一股气流直接通过尾端涵道流入尾喷管，另一股气流则会进入混合室，与通过核心机的气流进行掺混后经加力燃烧室燃烧后，流入尾喷管，具体气流分布如图5所示。上述工作过程中，主外涵和副外涵均有气流通过，故被命名为双外涵模式。

当模式选择活门MSV完全关闭时，流经风扇的气流全部流入CDFS，风扇以压气机模式工作，副外涵不再有气流通过，这一过程被命名为单外涵工作模式，其具体气流分布如图6所示。

变循环发动机在不同的工作模式下进行切换时，内部热力循环状态会随之发生改变。为保证发动机能够持续保持稳定可靠地工作，平稳实现单双外涵模式转换，在模式切换过程中应该满足以下基本条件：

(1)风扇进口流量基本保持不变；

(2)风扇增压比基本保持不变；

(3)核心驱动风扇级的增压比随切换过程平稳变化；

(4)涵道比随MSV位移的改变而平稳变化；

(5)保证回流裕度始终大于0，即不存在气流绕CDFS的倒流；

(6)避免发生持续的超温、超转现象，避免喘振现象。

为了满足上述条件，在调节MSV位移时，应该配合调节其他可调部件参数，模式选择活门MSV打开程度可以表征变循环发动机的工作模式。目前已证实切实可行的模式切换调节策略是：在单外涵至双外涵的模式切换过程中，通过调节MSV位移，增大副外涵进口截面面积，为避免风扇压比的大幅度降低，需要配合减小CDFS进口导流叶片角度α_i，同时减小可调涡轮导向器角度α_t。由双外涵至单外涵的模式切换过程，调节策略相反。变循环发动机在不同工作模式工作时，为获得理想的涵道比同时保证气流不发生喘振或其他非正常工作状态，需要调节CDFS导流叶片角度α_i以改变内涵空气流量，使之与发动机工作状态匹配。

2、变循环发动机增益调度控制设计

增益调度控制的实质是设计一组线性化的控制器，然后将它们有规律地组合起来，从而能够控制非线性系统。变循环发动机增益调度控制的基本原理是选择一系列的模式选择活门MSV打开程度，分别获得不同设定工作点下的发动机线性化模型并分别设计对应的鲁棒控制器得到图1中的鲁棒控制器组。

非线性模型是得到线性化模型的基础，基于部件法，建立变循环发动机非线性模型

y＝g(x,u,msv)

其中

为控制输入向量，

为状态向量，

为输出向量，

为模式选择活门MSV打开程度，f(·)为表示系统动态的n维可微非线性向量函数，g(·)为产生系统输出的m维可微非线性向量函数。

请参阅图7，从模式选择活门MSV完全闭合msv₀到完全打开msv_J等间距的选取模式选择活门MSV打开程度msv_j,j＝1,2,...,J，在每一个固定的msv_j,j＝1,2,...,J，选择一组调度参数值α_i,i＝1,2,...,q，代表系统的动态范围，并将飞行包线划分为几个子区间，并将这些点作为工作点，在工作点，采用小扰动法或拟合法对发动机非线性模型在稳态参考点处进行线性化，得到

其中Δ表示该参数的变化量，系数矩阵可由下式得到：

这些系数在发动机不同的工作状态具有不同的值。

请参阅图7，上、下实线分别表示模式选择活门MSV完全打开和模式选择活门MSV完全闭合时发动机的非线性模型。一系列的黑色小圆点表示发动机不同的工作点，在每一个工作点进行线性化得到线性模型。针对所有的线性模型，分别设计一系列鲁棒控制器得到图1中的鲁棒控制器组。然后，在选定的工作点之间，对控制器增益进行线性内插，使得对于所有的固定参数值，闭环系统都稳定且具有良好的性能。参数α是调度参数，这里可以定义为变循环发动机的风扇转速或者压气机转速，可以实时测量。控制系统的另一个调度变量是改变发动机工作模式的模式选择活门MSV的打开程度msv。工作原理是图1中的鲁棒控制器组调度计算模块根据调度参数α和模式选择活门打开程度msv进行线性插值获得相应的鲁棒控制器来控制系统。

3、不确定模型的鲁棒控制器设计

任何实际系统都不可避免地存在不确定性，它可以分为两类:扰动信号和模型不确定性。扰动信号包括干扰、噪声等。模型的不确定性代表了数学模型与实际对象之间的差异。

模型不确定性可能有几个原因:线性模型中总有一些参数是有误差的；线性模型中的参数可能由于非线性或工作条件的变化而变化；建模时人为的简化；由于磨损等因素发动机性能的退化。

不确定性可能会对控制系统的稳定性和性能产生不利影响。

上面得到的各个工作点的线性化模型为标称模型，线性状态空间方程

也可以表示为

实际的发动机和标称模型之间的误差可以表示为一个摄动块Δ。在标称模型加入摄动块建立发动机不确定模型

最后根据不确定模型利用传统的鲁棒控制器设计方法设计鲁棒控制器。

4、控制器的插值

这部分说明了图1中的鲁棒控制器组调度计算模块通过调度参数和健康参数调度线性插值获得相应的鲁棒控制器的调度计算原理。

根据变循环发动机当前的调度参数α和模式选择活门打开程度msv选择相邻的四个设定工作点x_i,j、x_i,j+1、x_i+1,j和x_i+1,j+1(x_i,j表示调度参数为α_i，模式选择活门打开程度为msv_j时的工作点)，并获取四个设定工作点对应的线性控制器K_i,j、K_i,j+1、K_i+1,j和K_i+1,j+1(i＝1,2,...,q,j＝1,2,...,J)。根据公式

计算得到变循环发动机当前适应的鲁棒控制器K(α,msv)，并对发动机进行有效控制。

基于上述过程，下面给出本实施例中提出的一种变循环发动机鲁棒增益调度控制器，如图1所示，主要包括鲁棒控制器组调度计算模块。

其中鲁棒控制器组调度计算模块与变循环发动机本体以及变循环发动机上的若干传感器组成多维调度控制回路10。

所述鲁棒控制器组调度计算模块产生控制输入向量u并输出给变循环发动机本体，传感器得到变循环发动机测量参数y；传感器同时得到发动机调度参数α和模式选择活门打开程度msv，并输出到鲁棒控制器组调度计算模块。

所述鲁棒控制器组调度计算模块内设计有若干鲁棒控制器，所述鲁棒控制器是利用若干线性不确定性发动机模型而分别设计得到的，所述线性不确定性发动机模型是对变循环发动机不同模式选择活门MSV打开程度、不同调度参数下的非线性发动机模型进行线性化后再加入摄动块得到的。

优选的一种具体实现方式，可以通过以下过程得到设计若干鲁棒控制器：在全飞行包线内根据调度参数α和模式选择活门打开程度msv，选取q*J个工作点对非线性发动机模型进行线性化得到q*J个线性化模型再加入摄动块得到q*J个线性不确定性发动机模型，并对这q*J个线性不确定性发动机模型分别设计相应的鲁棒控制器从而组成鲁棒控制器组。

所述鲁棒控制器组调度计算模块根据输入的调度参数α和模式选择活门打开程度msv，利用内部设计的若干鲁棒控制器计算得到适应的鲁棒控制器，该鲁棒控制器根据参考输入r和测量参数y的差值e产生控制输入向量u。

优选的一种具体实现方式，可以根据输入的调度参数α和模式选择活门打开程度msv插值得到的适应的鲁棒控制器：

根据变循环发动机当前的调度参数α和模式选择活门打开程度msv选择相邻的四个设定工作点x_i,j、x_i,j+1、x_i+1,j和x_i+1,j+1(x_i,j表示调度参数为α_i，模式选择活门打开程度为msv_j时的工作点)，并获取四个设定工作点对应的线性控制器K_i,j、K_i,j+1、K_i+1,j和K_i+1,j+1(i＝1,2,...,q,j＝1,2,...,J)。根据公式

计算得到变循环发动机当前适应的鲁棒控制器K(α,msv)。

所述非线性发动机模型为：

y＝g(x,u,msv)

其中

为控制输入向量，

为状态向量，

为输出向量，

为模式选择活门MSV打开程度，f(·)为表示系统动态的n维可微非线性向量函数，g(·)为产生系统输出的m维可微非线性向量函数。

所述一系列线性化模型为，从模式选择活门MSV完全闭合msv₀到完全打开msv_J等间距的选取模式选择活门MSV打开程度msv_j,j＝1,2,...,J，在每一个固定的msv_j,j＝1,2,...,J，选择一组调度参数值α_i,i＝1,2,...,q，代表系统的动态范围，并将飞行包线划分为几个子区间，并将这些点作为工作点，在工作点，采用小扰动法或拟合法对发动机非线性模型在稳态参考点处进行线性化，得到

其中Δ表示该参数的变化量，系数矩阵可由下式得到：

这些系数在发动机不同的工作状态具有不同的值。

所述线性不确定性发动机模型得到方法为：得到的各个工作点的线性化模型为标称模型，线性状态空间方程

也可以表示为

实际的发动机和标称模型之间的误差可以表示为一个摄动块Δ。在标称模型加入摄动块建立发动机不确定模型

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种变循环发动机鲁棒增益调度控制器，其特征在于：包括鲁棒控制器组调度计算模块；

其中鲁棒控制器组调度计算模块与变循环发动机本体以及变循环发动机上的若干传感器组成调度控制回路；由传感器输出调度参数α和模式选择活门打开程度msv至鲁棒控制器组调度计算模块；

所述鲁棒控制器组调度计算模块产生控制输入向量u并输出给变循环发动机本体，传感器得到变循环发动机测量参数y；

所述鲁棒控制器组调度计算模块内设计有若干鲁棒控制器，所述鲁棒控制器是利用若干线性不确定性发动机模型而分别设计得到的，所述线性不确定性发动机模型是对变循环发动机不同模式选择活门MSV打开程度、不同调度参数下的非线性发动机模型进行线性化后再加入摄动块得到的；

所述鲁棒控制器组调度计算模块根据输入的调度参数α和模式选择活门打开程度msv，利用内部设计的若干鲁棒控制器计算得到适应的鲁棒控制器，该鲁棒控制器根据参考输入r和测量参数y的差值e产生控制输入向量u；

所述鲁棒控制器组调度计算模块根据输入的调度参数α和模式选择活门打开程度msv插值得到的适应的鲁棒控制器；

所述鲁棒控制器组调度计算模块根据变循环发动机当前的调度参数α和模式选择活门打开程度msv选择相邻的四个设定工作点x_i,j、x_i,j+1、x_i+1,j和x_i+1,j+1，x_i,j表示调度参数为α_i，模式选择活门打开程度为msv_j时的工作点，并获取四个设定工作点对应的线性控制器K_i,j、K_i,j+1、K_i+1,j和K_i+1,j+1，i＝1,2,...,q,j＝1,2,...,J，根据公式

计算得到变循环发动机当前适应的鲁棒控制器K(α,msv)；

所述非线性发动机模型为：

y＝g(x,u,msv)

其中

为控制输入向量，

为状态向量，

为输出向量，

为模式选择活门MSV打开程度，f(·)为表示系统动态的n维可微非线性向量函数，g(·)为产生系统输出的m维可微非线性向量函数；

所述线性化过程为：从模式选择活门MSV完全闭合msv₀到完全打开msv_J等间距的选取模式选择活门MSV打开程度msv_j,j＝1,2,...,J，在每一个固定的msv_j,j＝1,2,...,J，选择一组调度参数值α_i,i＝1,2,...,q，代表系统的动态范围，并将飞行包线划分为几个子区间，并将这些点作为工作点，在工作点，采用小扰动法或拟合法对发动机非线性模型在稳态参考点处进行线性化，得到

其中Δ表示该参数的变化量，系数矩阵可由下式得到：

这些系数在发动机不同的工作状态具有不同的值；

所述线性不确定性发动机模型得到方法为：得到的各个工作点的线性化模型为标称模型，线性状态空间方程

也可以表示为

实际的发动机和标称模型之间的误差可以表示为一个摄动块Δ(s)，在标称模型加入摄动块建立发动机不确定模型

2.根据权利要求1所述一种变循环发动机鲁棒增益调度控制器，其特征在于：所述鲁棒控制器组调度计算模块内设计若干鲁棒控制器的过程为：在全飞行包线内根据调度参数α和模式选择活门打开程度msv，选取q*J个工作点对非线性发动机模型进行线性化得到q*J个线性化模型再加入摄动块得到q*J个线性不确定性发动机模型，并对这q*J个线性不确定性发动机模型分别设计相应的鲁棒控制器从而组成鲁棒控制器组。

3.根据权利要求1所述一种变循环发动机鲁棒增益调度控制器，其特征在于：所述调度参数α包括变循环发动机的风扇转速或者压气机转速。

4.根据权利要求1所述一种变循环发动机鲁棒增益调度控制器，其特征在于：所述测量参数包括进气道出口、风扇出口、压气机出口、高压涡轮后、低压涡轮后的温度和压力，风扇转速和压气机转速。

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