CN112327602A - 变循环发动机气路部件故障增益调度容错控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种变循环发动机气路部件故障增益调度容错控制器。PID控制器组容错控制模块产生控制输入向量u并输出给发动机本体，气路部件故障诊断模块诊断发动机的气路部件故障，PID控制器组容错控制模块根据输入的模式选择活门打开程度msv、健康参数h以及调度参数α，利用内部设计的若干PID控制器计算得到适应的PID控制器，该PID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，能够在变循环发动机气路部件故障的情况下依旧对变循环发动机进行良好控制，保证变循环发动机安全工作，充分发挥变循环发动机的性能，提高飞机的安全性和性能。

Description

变循环发动机气路部件故障增益调度容错控制器

技术领域

本发明涉及变循环发动机控制技术领域，尤其涉及一种变循环发动机气路部件故障增益调度容错控制器。

背景技术

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，未来变循环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。通过研究常规变循环发动机速度特性，研究者发现超声速状态下涡喷变循环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变循环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，涡扇变循环发动机更加适合亚声速飞行，而涡喷变循环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。在变循环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变循环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变循环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变循环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、涡喷变循环发动机的性能优势融为一体的目的，使变循环发动机在变循环发动机工作全过程中均具有优良的性能。

变循环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,变循环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。采用单一的线性控制器无法对变循环发动机在全飞行包线内进行良好的控制，所以有人提出了非线性控制器设计方法，然而该方法不成熟而且非常复杂。针对变循环发动机的控制，使用较多的是增益调度控制，通过对非线性模型中的一些稳定设计点进行线性化以获得对应各个点的线性化模型,然后针对各线化模型分别设计控制器,运用拟合或插值的方法将各个控制器连接起来，从而使用线性控制器对非线性变循环发动机进行有效控制。

然而，现代战机对变循环发动机性能的要求不断提高，其结构也越来越复杂，并且由于变循环发动机工作环境的恶劣多变，变循环发动机故障约占飞机总故障的1/3。其中，气路部件故障占变循环发动机总体故障的90％以上，其维护费用占变循环发动机总体维护费用的60％。为了保证变循环发动机安全工作并使故障变循环发动机提供足够的性能来保证飞机安全飞行或具有高的机动性，必须对故障的变循环发动机性能进行恢复，并且对变循环发动机进行容错控制，保证控制系统正常稳定工作且具有良好的性能。

传统的气路部件故障容错控制方法在变循环发动机出现气路部件故障时通过修正控制规律，使得变循环发动机的推力与油门杆始终匹配，有效的保证了变循环发动机的推力。然而，这些设计方法并没有解决当前控制器和变循环发动机模型不匹配从而导致控制系统性能下降甚至不稳定的问题。当变循环发动机发生气路部件故障时，变循环发动机在同一工作点的线性化模型也会发生较大变化。因此，根据正常状态的变循环发动机模型设计的控制器一般无法保证气路部件故障时变循环发动机的性能，甚至无法保证控制系统的闭环稳定。因此，研究变循环发动机气路部件故障容错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气路部件故障增益调度容错控制器，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，并且在变循环发动机气路部件故障的情况下依旧对变循环发动机进行良好控制，保证变循环发动机安全工作，充分发挥变循环发动机的性能，提高飞机的安全性和性能。

本发明的技术方案为：

所述一种变循环发动机气路部件故障增益调度容错控制器，其特征在于：包括PID控制器组容错控制模块和气路部件故障诊断模块；

其中PID控制器组容错控制模块、气路部件故障诊断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气路部件故障调度控制回路；

所述PID控制器组容错控制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；控制输入向量u以及测量参数y共同输入到气路部件故障诊断模块，气路部件故障诊断模块诊断变循环发动机的气路部件故障情况得到变循环发动机的健康参数h，并输出到PID控制器组容错控制模块；

PID控制器组容错控制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还组成调度参数调度控制回路；由传感器输出调度参数α和模式选择活门打开程度msv至PID控制器组容错控制模块；

所述PID控制器组容错控制模块内设计有若干PID控制器，所述PID控制器是利用若干线性化模型而分别设计得到的，所述线性化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、不同气路部件故障下的变循环发动机非线性模型进行线性化后得到的；

所述PID控制器组容错控制模块根据输入的不同模式选择活门MSV打开程度、健康参数h以及调度参数α，利用内部设计的若干PID控制器计算得到适应的PID控制器，该PID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PID控制器组容错控制模块内设计若干PID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个工作点对包含健康参数的变循环发动机非线性模型进行线性化得到q*J个线性化模型，通过调整健康参数的值，得到分别在变循环发动机无气路部件故障和特定气路部件故障处的11q*J个线性化模型，并对这11q*J个线性化模型分别设计相应的PID控制器从而组成PID控制器组。

进一步的，所述气路部件故障诊断模块中包括非线性机载变循环发动机模型和分段线性化卡尔曼滤波器；

所述非线性机载变循环发动机模型为带健康参数的变循环发动机非线性模型：

y＝g(x,u,h,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，

为健康参数向量，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；非线性机载变循环发动机模型输入为控制输入向量u以及上一周期的健康参数h，其输出的健康稳态参考值(x_aug,NOBEM,y_NOBEM)作为分段线性化卡尔曼滤波器当前周期的估计初始值；

所述分段线性化卡尔曼滤波器的输入为测量参数y以及非线性机载变循环发动机模型输出的健康稳态参考值(x_aug,NOBEM,y_NOBEM)，根据公式

计算得到当前周期的变循环发动机的健康参数h；其中

K为卡尔曼滤波的增益，满足

P为Ricati方程

的解；系数A_aug和C_aug根据公式

确定，而A、C、L、M是将健康参数h看作变循环发动机的控制输入，并对非线性机载变循环发动机模型在健康稳态参考点处进行线性化得到的反映变循环发动机性能退化的增广线性状态变量模型

的系数：

w为系统噪声，v为测量噪声，相应的协方差矩阵为对角阵Q和R。

进一步的，所述PID控制器组容错控制模块根据输入的不同模式选择活门MSV打开程度、健康参数h以及调度参数α插值得到的适应的PID控制器。

进一步的，所述PID控制器组容错控制模块先根据模式选择活门打开程度msv前后相邻的两个msv_k和msv_k+1(k＝1,2,...J)，在msv_k处根据变循环发动机当前的调度参数α选择前后相邻的两个设定工作点α_i和α_i+1，并获取两个设定工作点α_i和α_i+1对应变循环发动机无部件故障的控制器Kⁱ和Kⁱ⁺¹，各种典型部件故障Δh_{base_j}的控制器

Δh_{base_j}表示向量Δh的第j个元素的值为Δh_base，其他元素的值为0，即Δh_{base_j}表示10种不同的部件故障，例如Δh_{base_1}表示风扇发生了故障且风扇的效率变化量为Δh_base。根据公式

计算得到变循环发动机所选工作点α_i和α_i+1处变循环发动机的当前部件故障程度(健康参数为h)下的PID控制器K_i和K_i+1(式中Δh_j为向量Δh的第j个元素；仅考虑||Δh||≤||Δh_max||的变循环发动机气路部件故障情况，当||Δh||>||Δh_max||变循环发动机已失效)；再根据公式

计算得到变循环发动机在msv_k处的PID控制器K^j(α)，同理可以计算得到变循环发动机在msv_k+1处的PID控制器K^j+1(α)；

再根据公式

计算得到变循环发动机当前工作模式、工作状态、气路部件故障状态下适应的容错控制器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气路部件故障增益调度容错控制器利用传统增益调度控制器中固有的模块，通过新增气路部件故障诊断模块，并对PID控制器组容错控制模块进行了改进，新增了变循环发动机不同工作模式、不同气路部件故障下的多组PID控制器。气路部件故障诊断模块通过健康参数的可靠估计实现了气路部件故障的准确判断，进而结合传统的调度参数，实现变循环发动机气路部件故障时的增益调度控制，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，保证变循环发动机发生气路部件故障时仍安全工作，最大限度的提高变循环发动机气路部件故障时增益调度的控制精度，缩短控制系统的过渡时间，减小其动态偏差及静态偏差。经控制器控制非线性受控系统，以使系统在整个工作范围内，获得理想的动静态控制品质。

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气路部件故障增益调度容错控制器的结构简图；

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是本实施例气路部件故障调度控制回路中气路部件故障诊断模块的结构示意图；

图8是本实施例气路部件故障诊断模块中卡尔曼滤波器的结构示意图；

图9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

变循环发动机在运行过程中由于自然磨损、腐蚀、积垢以及热蠕变等因素都会引起气路部件性能发生蜕化，并且当性能蜕化到一定程度会引发故障；另外，由于外物吸入引起的损伤、机械疲劳断裂等原因，也会引起气路部件故障的发生。前者故障发生的过程较为缓慢，而后者故障发生的过程是迅速的。当变循环发动机气路部件发生故障却并未失效时，此时变循环发动机的部分性能将会严重偏离额定状态。以涡轮部件为例，当其发生故障后，其工作效率将会下降，即将具有高温、高压的燃气转换为机械能的能力将会有所降低，但仍能为风扇或压气机部件提供相应的动力，使其工作在新的平衡状态下。此时变循环发动机也已较大偏离原始状态。气路部件故障会导致变循环发动机设计时所建立的非线性模型和气路部件故障时的真实变循环发动机严重不匹配，进而导致根据该非线性模型设计的增益调度控制器无法对气路部件故障后的变循环发动机进行良好的控制，严重降低了变循环发动机的性能，甚至不能保证控制系统的稳定性，无法保证变循环发动机安全工作。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、变循环发动机气路部件故障诊断

气路部件故障会导致部件对应的特性参数发生变化。变循环发动机气路部件故障最终表征在不同转子部件的工作效率和流通量的改变上，即可以从风风扇、压气机、主燃烧、高压涡轮和低压涡轮部件的效率系数或者流量系数的变化来揭示变循环发动机故障位置以及故障程度，风扇、压气机、主燃烧室、高压涡轮和低压涡轮部件的效率系数或流量系数被称为健康参数。

基于部件法，建立带健康参数的变循环发动机非线性模型

y＝g(x,u,h,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，

为健康参数向量，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。

将健康参数h看作变循环发动机的控制输入，采用小扰动法或拟合法对变循环发动机非线性模型在健康稳态参考点处进行线性化。

其中

A′＝A,B′＝(BL),C′＝C,

D′＝(DM),Δu′＝(ΔuΔh)^T

w为系统噪声，v为测量噪声，h为健康参数,Δh＝h-h₀；上述w与v皆为不相关的高斯白噪声，其均值均为0，协方差矩阵为对角阵Q和R，即满足条件如下：

E(w)＝0 E[ww^T]＝Q

E(v)＝0 E[vv^T]＝R

Δ表示该参数的变化量，h₀表示变循环发动机初始状态健康参数。

进一步得到了反映变循环发动机性能退化的增广线性状态变量模型

其中系数矩阵可由下式得到：

这些系数在变循环发动机不同的工作状态具有不同的值。

实际上，健康参数很难测量，甚至不可能测量，而变循环发动机各部分的压力、温度、转速等参数比较容易通过测量得到，通常称为“测量参数”，主要包括进气道出口、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。当变循环发动机工作环境不发生变化时，健康参数的变化会引起被测参数的相应变化，二者之间存在气动热力学关系。因此，可以设计最优估计滤波器，通过测量参数来实现健康参数的最优估计。

对于渐变型部件故障，对应故障部件健康参数变化缓慢，因此在进行单次故障诊断的时间周期内，可以认为满足

对于突变型部件故障，更加关心的是变循环发动机在故障发生后再次稳定工作时部件故障的严重程度，变循环发动机再次稳定工作后，故障部件的健康参数变化依旧满足

将健康参数进一步转化为状态变量，可以得到

其中

建立的气路部件故障诊断模块主要由两部分组成，一部分是基于健康参数的非线性机载变循环发动机模型，另一部分是分段线性卡尔曼滤波器。基本工作原理是将非线性机载变循环发动机模型的输出作为分段线性卡尔曼滤波器的稳态参考值，并扩展健康参数，通过分段线性卡尔曼滤波器进行在线实时估计，最后反馈给非线性机载变循环发动机模型进行在线实时更新，实现对实际变循环发动机的实时跟踪。

卡尔曼估计方程为：

K为卡尔曼滤波的增益，满足

P为Ricati方程

的解；利用非线性机载模型输出的健康稳态参考值(x_aug,NOBEM,y_NOBEM)作为式

的初值，可得计算公式：

根据该计算公式可以得到变循环发动机的健康参数h，实现变循环发动机的气路部件故障诊断。

3、增益调度容错控制设计

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。增益调度容错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，获得不同设定工作点下的、不同气路部件故障下的变循环发动机线性化模型并分别设计对应的PID控制器得到图1中的PID控制器组。

请参阅图9，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，有这些方程

其中

为所选择的第i个工作点，u_di为在时刻

保持平衡所需的稳态控制输入。

利用小扰动法，可以得到各工况点健康参数的线性模型，并得到变循环发动机正常状态和性能退化h状态下的线性模型。

请参阅图9，上、下实线分别表示变循环发动机无气路部件故障和有气路部件故障h的非线性模型。一系列的黑色小圆点表示变循环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。针对变循环发动机正常状态和不同气路部件故障状态下的线性模型，分别设计一系列PID控制器得到图1中的PID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反映变循环发动机气路部件故障程度的健康参数h。工作原理是图1中的PID控制器组容错控制模块根据模式选择活门MSV打开程度、调度参数和健康参数进行线性插值获得相应的PID控制器来控制系统。

3、控制器的插值

这部分说明了图1中的PID控制器组容错控制模块通过模式选择活门打开程度msv、调度参数和健康参数调度线性插值获得相应的PID控制器的调度计算原理。

先根据模式选择活门打开程度msv选择前后相邻的两个msv_k和msv_k+1(k＝1,2,...J)，在msv_k处根据变循环发动机当前的调度参数α选择前后相邻的两个设定工作点α_i和α_i+1，并获取两个设定工作点α_i和α_i+1对应变循环发动机无部件故障的控制器Kⁱ和Kⁱ⁺¹，各种典型部件故障Δh_{base_j}的控制器

Δh_{base_j}表示向量Δh的第j个元素的值为Δh_base，其他元素的值为0，即Δh_{base_j}表示10种不同的部件故障，例如Δh_{base_1}表示风扇发生了故障且风扇的效率变化量为Δh_base。根据公式

计算得到变循环发动机所选工作点α_i和α_i+1处变循环发动机的当前部件故障程度(健康参数为h)下的PID控制器K_i和K_i+1(式中Δh_j为向量Δh的第j个元素；仅考虑||Δh||≤||Δh_max||的变循环发动机气路部件故障情况，当||Δh||>||Δh_max||变循环发动机已失效)；再根据公式

计算得到变循环发动机在msv_k处的PID控制器K^j(α)，同理可以计算得到变循环发动机在msv_k+1处的PID控制器K^j+1(α)；

再根据公式

计算得到变循环发动机当前工作模式、工作状态、气路部件故障状态下适应的容错控制器K(α,msv)，并对变循环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气路部件故障增益调度容错控制器，如图1所示，主要包括PID控制器组容错控制模块和气路部件故障诊断模块。

其中PID控制器组容错控制模块、气路部件故障诊断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气路部件故障调度控制回路10。

所述PID控制器组容错控制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；控制输入向量u以及测量参数y共同输入到气路部件故障诊断模块，气路部件故障诊断模块解算得到变循环发动机的健康参数h，并输出到PID控制器组容错控制模块。

PID控制器组容错控制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还组成调度参数调度控制回路20；由传感器输出调度参数α和模式选择活门打开程度msv至PID控制器组容错控制模块。

所述PID控制器组容错控制模块内设计有若干PID控制器，所述PID控制器是利用若干线性化模型而分别设计得到的，所述线性化模型是变循环发动机不同模式选择活门MSV打开程度、不同设定工作点下的、不同气路部件故障下的变循环发动机非线性模型进行线性化后得到的。

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PID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个工作点对包含健康参数的变循环发动机非线性模型进行线性化得到q*J个线性化模型，通过调整健康参数的值，得到分别在变循环发动机无气路部件故障和特定气路部件故障处的11q*J个线性化模型，并对这11q*J个线性化模型分别设计相应的PID控制器从而组成PID控制器组。

进一步的，所述气路部件故障诊断模块中包括非线性机载变循环发动机模型和分段线性化卡尔曼滤波器；

所述非线性机载变循环发动机模型为带健康参数的变循环发动机非线性模型：

y＝g(x,u,h,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，

为健康参数向量，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；非线性机载变循环发动机模型输入为控制输入向量u以及上一周期的健康参数h，其输出的健康稳态参考值(x_aug,NOBEM,y_NOBEM)作为分段线性化卡尔曼滤波器当前周期的估计初始值；

所述分段线性化卡尔曼滤波器的输入为测量参数y以及非线性机载变循环发动机模型输出的健康稳态参考值(x_aug,NOBEM,y_NOBEM)，根据公式

计算得到当前周期的变循环发动机的健康参数h；其中

K为卡尔曼滤波的增益，满足

P为Ricati方程

的解；系数A_aug和C_aug根据公式

确定，而A、C、L、M是将健康参数h看作变循环发动机的控制输入，并对非线性机载变循环发动机模型在健康稳态参考点处进行线性化得到的反映变循环发动机性能退化的增广线性状态变量模型

的系数：

w为系统噪声，v为测量噪声，相应的协方差矩阵为对角阵Q和R。

进一步的，所述PID控制器组容错控制模块根据输入的模式选择活门打开程度msv、健康参数h以及调度参数α，利用内部设计的若干PID控制器计算得到适应的PID控制器，该PID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，可以根据输入的不同模式选择活门MSV打开程度、健康参数h以及调度参数α插值得到的适应的PID控制器：

先根据模式选择活门打开程度msv前后相邻的两个msv_k和msv_k+1(k＝1,2,...J)，在msv_k处根据变循环发动机当前的调度参数α选择前后相邻的两个设定工作点α_i和α_i+1，并获取两个设定工作点α_i和α_i+1对应变循环发动机无部件故障的控制器Kⁱ和Kⁱ⁺¹，各种典型部件故障Δh_{base_j}的控制器

Δh_{base_j}表示向量Δh的第j个元素的值为Δh_base，其他元素的值为0，即Δh_{base_j}表示10种不同的部件故障，例如Δh_{base_1}表示风扇发生了故障且风扇的效率变化量为Δh_base。根据公式

计算得到变循环发动机所选工作点α_i和α_i+1处变循环发动机的当前部件故障程度(健康参数为h)下的PID控制器K_i和K_i+1(式中Δh_j为向量Δh的第j个元素；仅考虑||Δh||≤||Δh_max||的变循环发动机气路部件故障情况，当||Δh||>||Δh_max||变循环发动机已失效)；再根据公式

计算得到变循环发动机在msv_k处的PID控制器K^j(α)，同理可以计算得到变循环发动机在msv_k+1处的PID控制器K^j+1(α)；

再根据公式

计算得到变循环发动机当前工作模式、工作状态、气路部件故障状态下适应的容错控制器K(α,msv)。

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 (7)

1.一种变循环发动机气路部件故障增益调度容错控制器，其特征在于：包括PID控制器组容错控制模块和气路部件故障诊断模块；

其中PID控制器组容错控制模块、气路部件故障诊断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气路部件故障调度控制回路；

所述PID控制器组容错控制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；控制输入向量u以及测量参数y共同输入到气路部件故障诊断模块，气路部件故障诊断模块解算得到变循环发动机的健康参数h，并输出到PID控制器组容错控制模块；

PID控制器组容错控制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还组成调度参数调度控制回路；由传感器输出调度参数α和模式选择活门打开程度至PID控制器组容错控制模块；

所述PID控制器组容错控制模块内设计有若干PID控制器，所述PID控制器是利用若干线性化模型而分别设计得到的，所述线性化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、不同气路部件故障下的变循环发动机非线性模型进行线性化后得到的；

所述PID控制器组容错控制模块根据输入的健康参数h以及调度参数α，利用内部设计的若干PID控制器计算得到适应的PID控制器，该PID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。

2.根据权利要求1所述一种变循环发动机气路部件故障增益调度容错控制器，其特征在于：所述PID控制器组容错控制模块内设计若干PID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个工作点对包含健康参数的变循环发动机非线性模型进行线性化得到q*J个线性化模型，通过调整健康参数的值，得到分别在变循环发动机无气路部件故障和特定气路部件故障处的11q*J个线性化模型，并对这11q*J个线性化模型分别设计相应的PID控制器从而组成PID控制器组。

3.根据权利要求1所述一种变循环发动机气路部件故障增益调度容错控制器，其特征在于：所述PID控制器组容错控制模块根据输入的模式选择活门打开程度msv、健康参数h以及调度参数α插值得到适应的PID控制器。

4.根据权利要求1所述一种变循环发动机气路部件故障增益调度容错控制器，其特征在于：所述PID控制器组容错控制模块先根据模式选择活门打开程度msv前后相邻的两个msv_k和msv_k+1(k＝1,2,...J)，在msv_k处根据变循环发动机当前的调度参数α选择前后相邻的两个设定工作点α_i和α_i+1，并获取两个设定工作点α_i和α_i+1对应发动机无部件故障的控制器Kⁱ和Kⁱ⁺¹，各种典型部件故障Δh_{base_j}的控制器

Δh_{base_j}表示向量Δh的第j个元素的值为Δh_base，其他元素的值为0，即Δh_{base_j}表示10种不同的部件故障，例如Δh_{base_1}表示风扇发生了故障且风扇的效率变化量为Δh_base。根据公式

计算得到变循环发动机所选工作点α_i和α_i+1处发动机的当前部件故障程度(健康参数为h)下的PID控制器K_i和K_i+1(式中Δh_j为向量Δh的第j个元素；仅考虑||Δh||≤||Δh_max||的发动机气路部件故障情况，当||Δh||>||Δh_max||发动机已失效)；再根据公式

计算得到变循环发动机在msv_k处的PID控制器K^j(α)，同理可以计算得到变循环发动机在msv_k+1处的PID控制器K^j+1(α)；

再根据公式

计算得到变循环发动机当前工作模式、工作状态、气路部件故障状态下适应的容错控制器K(α,msv)。

5.根据权利要求1所述一种变循环发动机气路部件故障增益调度容错控制器，其特征在于：所述气路部件故障诊断模块中包括非线性机载发动机模型和分段线性化卡尔曼滤波器；

所述非线性机载变循环发动机模型为带健康参数的变循环发动机非线性模型：

y＝g(x,u,h,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，

为健康参数向量，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；非线性机载发动机模型输入为控制输入向量u以及上一周期的健康参数h，其输出的健康稳态参考值(x_aug,NOBEM,y_NOBEM)作为分段线性化卡尔曼滤波器当前周期的估计初始值；

所述分段线性化卡尔曼滤波器的输入为测量参数y以及非线性机载发动机模型输出的健康稳态参考值(x_aug,NOBEM,y_NOBEM)，根据公式

计算得到当前周期的发动机的健康参数h；其中

K为卡尔曼滤波的增益，满足

P为Ricati方程

的解；系数A_aug和C_aug根据公式

C_aug＝(C M)

确定，而A、C、L、M是将健康参数h看作发动机的控制输入，并对非线性机载发动机模型在健康稳态参考点处进行线性化得到的反映发动机性能退化的增广线性状态变量模型

的系数：

w为系统噪声，v为测量噪声，相应的协方差矩阵为对角阵Q和R。

6.根据权利要求1所述一种变循环发动机气路部件故障增益调度容错控制器，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。

7.根据权利要求1所述一种变循环发动机气路部件故障增益调度容错控制器，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。

Images