CN114625000A - 基于多维指令调节器的航空发动机限制保护控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多维指令调节器的航空发动机限制保护控制方法，包括建立包括多变量主控制器和航空发动机的内环控制系统状态空间模型；设计带输入输出约束的多维指令调节器；多维指令调节器限制保护控制方法数字仿真。本发明建立航空发动机内环控制系统状态空间模型作为预测模型，通过多维指令调节器在线滚动优化带有输入输出约束的限制保护控制问题，实现航空发动机多参数快速跟踪和多参数的限制保护。该方法中前置指令调节器技术可适用于各类主控制器，对于有多个可调变量的动力机械系统具有普遍适用性。

Description

基于多维指令调节器的航空发动机限制保护控制方法

技术领域

本发明属于航空发动机控制技术领域，具体涉及一种基于多维指令调节器的航空发动机限制保护控制方法。

背景技术

航空发动机是人类目前研发制造难度最大的现代工业产品之一，追求在极为有限空间内和极端恶劣条件下长期稳定的极端性能。为提升发动机工作安全性和可靠性，航空发动机控制系统通过有效的限制保护控制方法将发动机关键变量维持在允许的限制范围内，避免发动机进入异常工况。

目前航空发动机限制保护控制常采用低选—高选切换控制方法，实现主控制器与限制器的切换，保证发动机在实现控制任务过程中，各种约束输出量(如温度，压力，喘振裕度，转速等)不超限，该方法在多回路单变量控制系统中取得了成功的应用。随着航空发动机技术发展，其控制变量急剧增多，基于低选—高选切换的限制保护控制方法在应用于多变量控制时多变量主控制器与单变量限制器切换工作使得保守性与影响主控制器性能等问题愈发突显，大大降低了航空发动机的推力响应速度。基于指令调节器的航空发动机限制保护控制方法，将指令调节器与主控制器串联，在保留主控制器优越性能的同时，通过优化算法实时求解虚拟指令，保证系统具有更快的动态响应速度和更强的限制保护能力，更适用于航空发动机多变量控制系统。

发明内容

发明目的：为了降低航空发动机多变量限制保护控制中的保守性和主控制器与限制器间的影响，本发明提出一种基于多维指令调节器的航空发动机限制保护控制方法。在具有良好稳定性、鲁棒性和跟踪控制响应速度的主控制器的基础上，通过设计多维指令调节器，在线滚动优化虚拟指令，实现航空发动机多参数快速跟踪和多参数的限制保护。

为实现上述目的，一种基于多维指令调节器的航空发动机限制保护控制方法，包括以下步骤：

步骤1：建立包括多变量主控制器和航空发动机的内环控制系统状态空间模型；

步骤2：设计带输入输出约束的多维指令调节器；

步骤3：多维指令调节器限制保护控制方法数字仿真。

进一步的，所述步骤1中的具体步骤如下：

步骤1-1：在当前飞行高度、马赫数和工作状态下，采用小扰动和拟合法建立航空发动机离散状态空间模型，并对模型进行归一化处理，如式(1)所示

式中A、B、C、D为适维矩阵，x(k)、u(k)和y(k)为航空发动机的状态量、输入量和输出量，航空发动机的状态量包括风扇转速n_L、压气机转速n_H，输入量包括燃油流量W_f、尾喷管喉道面积A₈，输出量包括风扇转速、压气机转速、发动机压比EPR、低压涡轮出口温度T₆、压气机出口压力P₃；

步骤1-2：依据航空发动机离散状态空间模型设计增广LQ跟踪控制器作为内环系统主控制器，控制器形式如式(2)所示

Δu(k)＝K₁Δx(k)+K₂(y_m(k)-r(k)) (2)

式中K₁为适维比例系数矩阵，K₂为适维积分系数矩阵，Δu(k)为航空发动机输入量的一阶差分，Δx(k)为航空发动机状态量的一阶差分，y_m(k)为航空发动机被控制输出，包括压气机转速、发动机压比，r(k)为航空发动机跟踪指令；

步骤1-3：在相同飞行高度、马赫数和工作状态下，采用解耦阶跃响应和拟合法建立航空发动机内环控制系统离散状态空间模型，如式(3)所示

式中A_cl、B_cl、C_cl、D_cl为适维矩阵，x_cl、v(k)和y_cl为航空发动机内环控制系统的状态量、输入量和输出量，航空发动机内环控制系统的状态量包括风扇和压气机转速及其一阶差分、燃油流量、尾喷管喉道面积，输入量包括压气机转速虚拟指令v_nL和发动机压比虚拟指令v_EPR，输出量包括压气机转速、低压涡轮出口温度、压气机出口压力、燃油流量、尾喷管喉道面积、燃油流量一阶差分ΔW_f、尾喷管喉道面积一阶差分ΔA₈。

进一步的，所述步骤2中的具体步骤如下：

步骤2-1：考虑航空发动机输入输出约束

下标max、min分别代表限制最大值、限制最小值，依据航空发动机内环控制系统离散状态空间模型，以递增优化算法求解最大输出允许集

O_j＝{(x_cl(0),v(0))|y_cl(k；(x_cl(0),v(0)))∈Y,k＝0,1,…,j} (5)其中Y＝{y_cl(k)|Sy_cl(k)≤s}，

最终确定预测时域长度j；

步骤2-2：以压气机转速和发动机压比指令与其虚拟指令的差值的二次函数为优化目标

依据最大输出允许集，航空发动机内环控制系统离散状态空间模型，将静态和动态约束矩阵初始设为

由递归算法建立静态和动态约束矩阵作为优化问题的约束条件，如式(7)所示。

步骤2-3：在当前航空发动机内环控制系统状态下，采用二次规划算法求解由步骤2-2的优化目标和约束条件建立的优化问题

获得当前时刻的压气机转速和发动机压比虚拟指令v(k)，若优化问题(8)求解失败则使用前一时刻虚拟指令作为当前时刻虚拟指令。

进一步的，所述步骤3中的具体步骤如下：

步骤3-1：给定航空发动机输入和输出限制最大值、最小值和仿真时长k，并初始化仿真时刻t＝0；

步骤3-2：获取当前时刻飞行高度、马赫数和工作状态，给定合适的多维阶跃跟踪指令；

步骤3-3：获取当前时刻航空发动机内环控制系统离散状态空间模型和相应预测时域长度，建立优化目标、静态和动态约束矩阵；

步骤3-4：获取航空发动机内环控制系统当前状态量，采用二次规划算法求解的带输入输出约束的多维指令优化问题，得到当前时刻虚拟指令。

步骤3-5：将虚拟指令作为跟踪指令由主控制器计算下一时刻燃油流量和尾喷管喉道面积，并计算下一时刻航空发动机状态量和输出量；

步骤3-6：t＝t+1,重复步骤3-2至步骤3-5直到t＝k。

有益效果：本发明提供的一种基于多维指令调节器的航空发动机限制保护控制方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明采用单回路控制架构取代多回路切换控制架构，控制系统架构简单，设计更为简易；

(2)本发明采用前置多维指令调节器的技术手段实现航空发动机多变量限制保护控制，相较于传统切换控制的技术手段，全控制过程由多变量控制器实现，充分利用多控制变量优势，确保多参数快速跟踪和多参数的限制保护；

(3)本发明采用多维指令在线滚动优化的技术手段，所得虚拟指令为航空发动机内环控制系统在当前状态下最优，可以在保证多参数不超限的同时，限制参数尽可能贴近限制值，使得内环控制系统具有更快的动态响应速度。

附图说明

图1是基于多维指令调节器的航空发动机限制保护控制系统结构图。

图2是基于多维指令调节器的航空发动机限制保护控制数字仿真流程图。

图3是切换方法与多维指令调节方法对比的压气机转速响应图。

图4是切换方法与多维指令调节方法对比的发动机压比响应图。

图5是切换方法与多维指令调节方法对比的低压涡轮出口温度响应图。

图6是切换方法与多维指令调节方法对比的压气机出口压力响应图。

图7是切换方法与多维指令调节方法对比的燃油流量图。

图8是切换方法与多维指令调节方法对比的尾喷管喉道面积图。

图9是切换方法与多维指令调节方法对比的燃油流量一阶差分图。

图10是切换方法与多维指令调节方法对比的尾喷管喉道面积一阶差分图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了降低航空发动机多变量限制保护控制中的保守性和主控制器与限制器间的影响，本发明提出一种基于多维指令调节器的航空发动机限制保护控制方法。在具有良好稳定性、鲁棒性和跟踪控制响应速度的主控制器的基础上，通过设计多维指令调节器，在线滚动优化虚拟指令，实现航空发动机多参数快速跟踪和多参数的限制保护。

图1所示为本发明方法所应用的基于多维指令调节器的航空发动机限制保护控制系统结构图。本发明的具体实施方式以某型涡扇发动机基于多维指令调节器的航空发动机限制保护控制方法设计为例，该基于多维指令调节器的航空发动机限制保护控制方法设计包括以下步骤：

步骤1：建立包括多变量主控制器和航空发动机的内环控制系统状态空间模型；

步骤2：设计带输入输出约束的多维指令调节器；

步骤3：多维指令调节器限制保护控制方法数字仿真。

以某型涡扇发动机地面点100％压气机转速、100％发动机压比的工作状态为例，进一步的，所述步骤1中的具体步骤如下：

步骤1-1：在飞行高度为0km，马赫数为0，压气机转速为100％，发动机压比为100％情况下，采用小扰动和拟合法建立航空发动机离散状态空间模型，并对模型进行归一化处理，如式(1)所示

式中A、B、C、D为适维矩阵，x(k)、u(k)和y(k)为航空发动机的状态量、输入量和输出量，航空发动机的状态量包括风扇转速n_L、压气机转速n_H，输入量包括燃油流量W_f、尾喷管喉道面积A₈，输出量包括风扇转速、压气机转速、发动机压比EPR、低压涡轮出口温度T₆、压气机出口压力P₃，各系数矩阵如式(2)所示

步骤1-2：依据航空发动机离散状态空间模型设计增广LQ跟踪控制器作为内环系统主控制器，控制器形式如式(3)所示

Δu(k)＝K₁Δx(k)+K₂(y_m(k)-r(k)) (3)

式中K₁为适维比例系数矩阵，K₂为适维积分系数矩阵，Δu(k)为航空发动机输入量的一阶差分，Δx(k)为航空发动机状态量的一阶差分，y_m(k)为航空发动机被控制输出，包括压气机转速、发动机压比，r(k)为航空发动机跟踪指令，控制器参数如式(4)所示

步骤1-3：在飞行高度为0km，马赫数为0，压气机转速为100％，发动机压比为100％情况下，采用解耦阶跃响应和拟合法建立航空发动机内环控制系统离散状态空间模型，如式(5)所示

式中A_cl、B_cl、C_cl、D_cl为适维矩阵，x_cl、v(k)和y_cl为航空发动机内环控制系统的状态量、输入量和输出量，航空发动机内环控制系统的状态量包括风扇和压气机转速及其一阶差分、燃油流量、尾喷管喉道面积，输入量包括压气机转速虚拟指令v_nL和发动机压比虚拟指令v_EPR，输出量包括压气机转速、低压涡轮出口温度、压气机出口压力、燃油流量、尾喷管喉道面积、燃油流量一阶差分ΔW_f、尾喷管喉道面积一阶差分ΔA₈，各系数矩阵如式(6)所示

进一步的，所述步骤2中的具体步骤如下：

步骤2-1：考虑航空发动机输入输出约束

下标max、min分别代表限制最大值、限制最小值，依据航空发动机内环控制系统离散状态空间模型，以递增优化算法求解最大输出允许集

O_j＝{(x_cl(0),v(0))|y_cl(k；(x_cl(0),v(0)))∈Y,k＝0,1,…,j} (8)

其中Y＝{y_cl(k)|Sy_cl(k)≤s}，

最终确定预测时域长度j＝64；

步骤2-2：以压气机转速和发动机压比指令与其虚拟指令的差值的二次函数为优化目标

依据最大输出允许集，航空发动机内环控制系统离散状态空间模型，将静态和动态约束矩阵初始设为

由递归算法建立静态和动态约束矩阵作为优化问题的约束条件，如式(10)所示。

步骤2-3：在当前航空发动机内环控制系统状态下，采用二次规划算法求解由步骤2-2的优化目标和约束条件建立的优化问题

获得当前时刻的压气机转速和发动机压比虚拟指令v(k)，若优化问题(11)求解失败则使用前一时刻虚拟指令作为当前时刻虚拟指令。

图2所示为基于多维指令调节器的航空发动机限制保护控制数字仿真流程图，进一步的，所述步骤3中的具体步骤如下：

步骤3-1：给定航空发动机输入和输出限制最大值、最小值和仿真时长k，并初始化仿真时刻t＝0；

步骤3-2：获取当前时刻飞行高度、马赫数和工作状态，给定合适的多维阶跃跟踪指令

步骤3-3：获取当前时刻航空发动机内环控制系统离散状态空间模型和相应预测时域长度，建立优化目标、静态和动态约束矩阵；

步骤3-4：获取航空发动机内环控制系统当前状态量，采用二次规划算法求解的带输入输出约束的多维指令优化问题，得到当前时刻虚拟指令。

步骤3-5：将虚拟指令作为跟踪指令由主控制器计算下一时刻燃油流量和尾喷管喉道面积，并计算下一时刻航空发动机状态量和输出量；

步骤3-6：t＝t+1，重复步骤3-2至步骤3-5直到t＝k。

基于多维指令调节器的航空发动机限制保护控制数字仿真如图3至图10所示，由图可知，基于多维指令调节器的航空发动机限制保护控制方法可实现航空发动机多变量控制下的多参数快速跟踪和多参数的限制保护。基于多维指令调节器的航空发动机限制保护控制方法相较于传统的基于低选-高选切换方法，一方面由于指令调节未影响主控制器性能，在多变量控制系统中，燃油流量和尾喷管喷口面积调节更加活跃，另一方面多维指令调节器具有在线滚动优化效果均使航空发动机限制参数贴近其限制值工作，获得了更快的压气机转速和发动机压比响应速度。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种基于多维指令调节器的航空发动机限制保护控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：建立包括多变量主控制器和航空发动机的内环控制系统状态空间模型；

步骤2：设计带输入输出约束的多维指令调节器；

步骤3：多维指令调节器限制保护控制方法数字仿真。

2.根据权利要求1所述的基于多维指令调节器的航空发动机限制保护控制方法，其特征在于：所述步骤1中内环控制系统状态空间模型具体建立步骤如下：

步骤1-1：在当前飞行高度、马赫数和工作状态下，采用小扰动和拟合法建立航空发动机离散状态空间模型，并对模型进行归一化处理，如式(1)所示

式中A、B、C、D为适维矩阵，x(k)、u(k)和y(k)为航空发动机的状态量、输入量和输出量，航空发动机的状态量包括风扇转速n_L、压气机转速n_H，输入量包括燃油流量W_f、尾喷管喉道面积A₈，输出量包括风扇转速、压气机转速、发动机压比EPR、低压涡轮出口温度T₆、压气机出口压力P₃；

步骤1-2：依据航空发动机离散状态空间模型设计增广LQ跟踪控制器作为内环系统主控制器，控制器形式如式(2)所示

Δu(k)＝K₁Δx(k)+K₂(y_m(k)-r(k)) (2)

式中K₁为适维比例系数矩阵，K₂为适维积分系数矩阵，Δu(k)为航空发动机输入量的一阶差分，Δx(k)为航空发动机状态量的一阶差分，y_m(k)为航空发动机被控制输出，包括压气机转速、发动机压比，r(k)为航空发动机跟踪指令；

步骤1-3：在相同飞行高度、马赫数和工作状态下，采用解耦阶跃响应和拟合法建立航空发动机内环控制系统离散状态空间模型，如式(3)所示

式中A_cl、B_cl、C_cl、D_cl为适维矩阵，x_cl、v(k)和y_cl为航空发动机内环控制系统的状态量、输入量和输出量，航空发动机内环控制系统的状态量包括风扇和压气机转速及其一阶差分、燃油流量、尾喷管喉道面积，输入量包括压气机转速虚拟指令

和发动机压比虚拟指令v_EPR，输出量包括压气机转速、低压涡轮出口温度、压气机出口压力、燃油流量、尾喷管喉道面积、燃油流量一阶差分ΔW_f、尾喷管喉道面积一阶差分ΔA₈。

3.根据权利要求2所述的基于多维指令调节器的航空发动机限制保护控制方法，其特征在于：所述步骤2中的设计带输入输出约束的多维指令调节器具体步骤如下：

步骤2-1：考虑航空发动机输入输出约束

下标max、min分别代表限制最大值、限制最小值，依据航空发动机内环控制系统离散状态空间模型，以递增优化算法求解最大输出允许集

O_j＝{(x_cl(0),v(0))|y_cl(k；(x_cl(0),v(0)))∈Y,k＝0,1,…,j} (5)

其中Y＝{y_cl(k)|Sy_cl(k)≤s}，

最终确定预测时域长度j；

步骤2-2：以压气机转速和发动机压比指令与其虚拟指令的差值的二次函数为优化目标

Q为正定矩阵，依据最大输出允许集，航空发动机内环控制系统离散状态空间模型，将静态和动态约束矩阵初始设为

由递归算法建立静态和动态约束矩阵作为优化问题的约束条件，如式(7)所示

当t＝j时，递归算法结束；

步骤2-3：在当前航空发动机内环控制系统状态下，采用二次规划算法求解由步骤2-2的优化目标和约束条件建立的优化问题

获得当前时刻的压气机转速和发动机压比虚拟指令v(k)，若优化问题(8)求解失败则使用前一时刻虚拟指令作为当前时刻虚拟指令。

4.根据权利要求1所述的基于多维指令调节器的航空发动机限制保护控制方法，其特征在于：所述步骤3中的多维指令调节器限制保护控制方法数字仿真具体步骤如下：

步骤3-1：给定航空发动机输入和输出限制最大值、最小值和仿真时长k，并初始化仿真时刻t＝0；

步骤3-2：获取当前时刻飞行高度、马赫数和工作状态，给定合适的多维阶跃跟踪指令；

步骤3-3：获取当前时刻航空发动机内环控制系统离散状态空间模型和相应预测时域长度，建立优化目标、静态和动态约束矩阵；

步骤3-4：获取航空发动机内环控制系统当前状态量，采用二次规划算法求解的带输入输出约束的多维指令优化问题，得到当前时刻虚拟指令；

步骤3-5：将虚拟指令作为跟踪指令由主控制器计算下一时刻燃油流量和尾喷管喉道面积，并计算下一时刻航空发动机状态量和输出量；

步骤3-6：t＝t+1，重复步骤3-2至步骤3-5直到t＝k。

Images