CN115614304A - 基于ladrc的高空台抽气机组自动并网控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于LADRC的高空台抽气机组自动并网控制方法，包括：抽气机组并网时各机组入口阀自动开启，获取当前压比并判断当前压比是否大于所述压比设定值P_set，通过第一LADRC控制器提升控制系统抗干扰能力和机组压力的稳定性，并自动调整防喘阀开度直至其全关；总管调节阀切换为自动状态，各机组入口阀继续开启，实时获取所有机组进口压力的平均值并判断该压力值是否大于抽气总管临界如是，第二LADRC控制器将所述总管调节阀调小，如否，第二LADRC控制器将所述总管调节阀调大，直至各机组入口阀全开且抽气总管的压力值与所述抽气总管临界值相同。

Description

基于LADRC的高空台抽气机组自动并网控制方法

技术领域

本发明属于航空发动机高空模拟技术领域，尤其涉及一种基于LADRC的高 空台抽气机组自动并网控制方法。

背景技术

高空台是一种能够在地面模拟航空发动机高空飞行条件的大型试验设施， 也是航空发动机研发过程中性能考核与验证的重要手段，主要包含供气系统、 试验舱、进排气系统、抽气系统等系统组成。其中，抽气系统是将来至试验舱 的负压燃气增压后排至大气环境、保证进排气系统飞行高度模拟准确性的重要 系统，其并网控制效果的好坏直接影响高空台的安全与效率。由于抽气系统包 含多个抽气机组并联，其设备较多，结构复杂，包含多个管道大容腔，同时考 虑到调节阀特性、抽气机组特性的非线性，抽气系统是典型的时变、大惯性、 非线性调节系统，调节环节较多，控制难度大。尤其是抽气系统中不同机组并联工作存在强耦合性，进一步提高了抽气机组自动并网控制的难度。

近年来，为了满足发动机飞行环境连续模拟等试验需求，我国高空台气源 系统正以成倍的规模迅速扩建。气源系统供抽气能力得到了很大的提升，但在 抽气机组并网仍主要采用手动操控模式，自动化程度不高，同时随着高空模拟 试验设备规模日趋增大，人力资源耗费巨大以及手动操作效率低下等问题更加 突出；并且在抽气状态切换或抽气机组退出试验状态采用人工手动操作，(阀 和抽气机通关人来控制)，不仅影响总体试验效率，且尚无法较好满足航空发 动机空中工作环境连续模拟的需求。为此急需展开抽气机组自动并网方法的研 究。通过设计一种基于LADRC的高空台抽气机组自动并网控制方法，实现抽气 机组自动并网、降低并网过程机组压比波动，以增强抽气控制系统对非线性被 控对象的适应能力。

发明内容

有鉴于此，提出一种基于LADRC的高空台抽气机组自动并网控制方法，以 替代目前抽气系统人工并网操作方式，解决现有方式并网过程效率低，致使并 网过程中抽气机组压比波动影响试验精度和机组压比安全的技术问题。

提供一种基于LADRC的高空台抽气机组自动并网控制方法，适用于航空发 动机高空飞行的实验装置，所述实验装置包括抽气总管、多台抽气机组，抽气 总管上安装有总管调节阀，每台抽气机组安装有防喘阀、入口阀和排空阀及冷 却器，每台抽气机组进出口设置压力传感器，每个抽气机组所述防喘阀配置有 第一LADRC控制器，总管调节阀配置有第二LADRC控制器，抽气机组的出口位 置的管路上安装排空阀，进口位置的管路上安装有入口阀，入口阀的出口还通 过防喘阀与机组出口、排气阀进口连通，并安装有冷却器，所述方法包括：

确定抽气机组的总数量、每台抽气机组进、出口压力值；

实时获取每台抽气机组进、出口压力值计算抽气机组初始压比，并反馈至 所述第一LADRC控制器；获取所有机组进口压力的平均值，实时反馈至所述第 二LADRC控制器；

确定每台抽气机组的喘振压比P_c、设定抽气机组由回流状态转节流状态过 程中抽气机组压比设定值P_set和防喘阀压比P^* _set，且满足P_set<P^* _set<P_c；

抽气机组回流转节流工作时，各机组入口阀自动开启，第一LADRC控制器 实时获取当前压比，判断当前压比是否大于所述设定值P_set，

如是，所述防喘阀调大，如否，所述防喘阀进行调小，直至防喘阀全关且 当前压比P’满足P_set<P’<P*_set；

获取所有抽气机组当前入口阀和防喘阀的工作状态，且直至所有防喘阀为 关闭状态时，进入节流转并网工作状态，总管调节阀切换为自动状态，并获取 抽气总管压力设定压比值P_set，当地大气压力p_env，实时计算抽气总管临界值 ＝p_env/P_set，且判断，所有机组进口压力的平均值是否大于所述抽气总管临界值， 如是，所述总管调节阀调小，如否，所述总管调节阀调大，直至所有机组进口 压力的平均值与所述抽气总管临界值相同且所有并网机组入口阀全开。

本发明的技术有益效果：

基于LADRC的高空台抽气机组自动并网控制方法能够实现抽气机组回流 状态与节流状态快速切换、多台抽气机组同时并网或先后并网，且并网过程中 压比波动较小，并网速度较快，尤其提高了多台抽气机组同时并网的安全性与 并网效率，有效节省了并网过程中的能源消耗与人员需求，降低了人工操作、 外界扰动对并网过程的影响。该自动并网控制方法具有较强的普适性，能够适 应高空台抽气系统多种并网工况。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使 用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些 实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可 以根据这些附图获得其它的附图。

图1为抽气系统总体结构简图；

图2为单个抽气机组结构简图；

图3为抽气机组回流状态转节流状态过程阀门动作；

图4为防喘阀LADRC控制器1控制框图；

图5为抽气机组节流状态转全功率抽气状态过程阀门动作；

图6为抽气总管调节阀LADRC控制器2控制框图；

图7为3台同时并网机组压比变化。

图8为3台先后并网机组压比变化；

图9为单台抽气机组的管路实体图。

具体实施方式

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本 说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实 施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另 外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不 同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是， 在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开 中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有 其他实施例，都属于本公开保护的范围。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。 应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述 的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员 应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种 方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任 何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的 方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

本实施例的具体实施方式是先将抽气机组并网过程分为回流转接节流、节 流转并网两个阶段(抽气系统总体结构简图见图2)，采用LADRC控制器1 (第一LADRC控制器)实现抽气机组由回流状态转为节流状态(阀门动作如 图3所示，控制框图如图4所示)，采用LADRC控制器2(第二LADRC控制 器)实现抽气机组由节流状态转为全功率抽气状态(阀门动作如图5所示，控 制框图如图6所示)。

本案的方法，适用于航空发动机高空飞行的实验装置，实验装置包括抽气 总管、多台抽气机组，抽气总管上安装有总管调节阀，每台抽气机组安装有防 喘阀，每台抽气机组进出口设置压力传感器，每个抽气机组防喘阀配置有第一 LADRC控制器，防喘阀以多个并联的形式设置，总管调节阀配置有第二LADRC 控制器，抽气机组的出口位置的管路上安装排空阀，进口位置的管路上安装有 入口阀，入口阀的出口还通过防喘阀与机组出口、排气阀的进口连通，并安装 有冷却器，冷却器的作用是将机组出口流向防喘阀的气流温度降至常温，其包 括：

S101:确定并网需投入的抽气机组的总数量、每台抽气机组进、出口压力 值，抽气机组进、出口压力值用以确定机组压比；各抽气机组处于回流状态， 入口阀全关，防喘阀全开，排空阀保持全开。

S102:实时获取每台抽气机组进、出口压力值计算抽气机组初始压比，并 反馈至第一LADRC控制器；获取所有机组进口压力的平均值，实时反馈至第二LADRC控制器；

S103:确定每台抽气机组的喘振压比P_c、设定抽气机组由回流状态转节流 状态过程中抽气机组压比设定值P_set和防喘阀压比P^* _set，且满足P_set<P^* _set<P_c；

S104:抽气机组回流转节流时，获取当前压比，判断当前压比是否大于设 定值P_set，

如是，防喘阀不进行调大，如否，防喘阀进行调小，直至防喘阀全关且当 前压比P’并满足P_set<P’<P*_set；

S105:获取所有抽气机组当前入口阀和防喘阀的工作状态，且直至所有防 喘阀为关闭状态时，进入节流转并网工作状态，总管调节阀切换为自动状态， 并获取抽气总管压力设定压比值P_set，当地大气压力p_env，计算抽气总管临界值 ＝p_env/P_set，当前状态所有抽气机组进口压力平均值，且判断，所有机组进口压 力平均值是否大于抽气总管临界值，如是，总管调节阀调小，如否，总管调节 阀调大，直至抽气总管的压力值与抽气总管临界值相同且所有机组入口阀全 开。

进一步的，还包括控制抽气机组同步的方法：

获取当前所有抽气机组的平均压比，判断，当前抽气机组的压比是否大于 所述平均压比，如是，判断为所述入口阀延时动作，其他抽气机组入口阀保持 原状态继续开启，直至当前抽气机组的压比等于所述平均压比后，再同步动作， 如否，判定为当前抽气机组入口阀提前动作，当前抽气机组入口阀继续开启， 其余抽气机组保持当前状态不动作，直至当前抽气机组与所述平均压比相同 时，再同步动作。

作为本案所提供的具体实施方式，还包括第一LADRC控制器的延时计算和 抗干扰计算，具体的，第一LADRC控制器包括第一扩张状态观测器与第一线性 状态误差反馈控制器。第一扩张状态观测器对回流转节流过程中机组压比大 小、动态变化情况和系统扰动进行实时观测，有效提取其动态信息并传递给第 一线性状态误差反馈控制器。第一线性状态误差反馈控制器根据机组压比动态 变化和系统扰动信息生成控制量调整防喘阀开度快速补偿和抑制扰动，实现机 组压比的高精度控制，其中：

第一线性状态误差反馈控制器的线性状态误差反馈控制率为：

其中，e1为通过第一扩张状态观测器获得的实际压比与压缩机压比设定 值的偏差，u1为LADRC控制器1控制输出，

为利用第一扩张状态观测器获 得的抽气机组压比P的估计值，

为

的微分的估计值，

为扰动估计 值，b1为控制器增益，ω_c1为第一LADRC控制器的控制带宽。第一扩张状态观 测器(e1和e2)对扰动的x1观测，对扰动进行抑制，抑制包括内绕和外扰， 保证机组的稳定；

第一扩张状态观测器运行的方法满足：

其中，e₂为利用第一扩张状态观测器获得的抽气机组压比估计值与抽气机组压比测量值的偏差，ω_o1为LESO1观 测带宽。

作为本案所提供的具体实施方式，第二LADRC控制器包含第二扩张状态观 测器与第二线性状态误差反馈控制器。第二扩张状态观测器对节流转并网过程 中参加并网的所有机组进口平均压力大小、动态变化情况和系统扰动进行实时 观测，有效提取其动态信息并传递给第二线性状态误差反馈控制器。第二线性 状态误差反馈控制器根据所有机组进口平均压力的动态变化和系统扰动信息 生成控制量来调整总管调节阀开度快速补偿和抑制扰动，实现所有机组进口平 均压力的高精度控制，保证各机组压比稳定、运行安全。其中：

第二线性状态误差反馈控制器的线性状态误差反馈控制率满足：

其中，e₃为利用第二扩张状态观测器获得的全部参与并网的抽气机组的压缩机进口压力的平均值

的估计值与第二LADRC控制器设定值的偏差，u2为控制输出，

为利用第二 扩张状态观测器获得的各抽气机组压缩机进口压力均值

的估计值，

表 示

微分的估计值，

为扰动估计值，b2为控制器增益，ω_c2为第二LADRC 控制器的控制带宽；

第二扩张状态观测器运行的方法满足:

其中，e₄表示全部参与并网的抽气机组的压缩机前压力的平均值

的测量值与估计值的偏差，ω_o2为第二扩张 状态观测器的观测带宽。

保证抽气总管的压力稳定，由于多个机组并网过程中，各个入口阀运动时 间特性不一致，对总管压力带来扰动，通过这个控制方法对其进行抑制，确保 整体实验的准确性。

实施效果

依据某高空台抽气机组Matlab/Simulink模型进行基于LADRC的自动并网 控制仿真验证，抽气并网仿真验证分为三台机组同时并网、两台先并网后并一 台两种情况。从图7、图8并网结果可以看出，两种情况下三台机组并网过程 中机组压比控制稳定，均在安全压比范围3～8之内，说明该控制方法有效， 能实现多台抽气机组自动并网且具有较好的控制效果。

情况1(三台机组同时并网)：3台抽气机组性能一致，防喘阀和入口阀完 全同步同时并网，仿真结果如图7所示，各机组压比稳定，抽气机组1压比为 4.68～5.63，机抽气机组2压比为4.30～5.53，抽气机组3压比为4.33～5.56。

情况2(两台先并网后并一台)：三台机组流量存在差异，机组2比机组1 流量系数放大5％，机组3比机组1流量系数缩小5％；机组2防喘阀执行机构 速度比机组1防喘阀执行机构速度加快5％，抽气机组3防喘阀执行机构速度 比机组1慢5％。仿真结果如图8所示，并网过程中抽气机组1压比为4.35～ 5.69，机组2压比为4.55～5.56，抽气机组3最大压比为4.90～5.68。

综上，基于LADRC的高空台抽气机组自动并网控制方法能够实现多台抽气 机组同时并网或先后并网，且并网过程中压比波动较小，并网速度较快，提高 了并网效率与并网过程的安全性。该自动并网控制方法具有较强的普适性，能 够适应高空台抽气系统多种并网工况。

以上，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变 化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以 权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于LADRC的高空台抽气机组自动并网控制方法，适用于航空发动机高空飞行的实验装置，所述实验装置包括抽气总管、多台抽气机组、总管调节阀，每台抽气机组安装有防喘阀、入口阀和排空阀及冷却器，其特征在于，每台抽气机组进出口设置压力传感器，每个抽气机组的防喘阀配置有第一LADRC控制器，总管调节阀配置有第二LADRC控制器，抽气机组的出口位置的管路上安装排空阀，进口位置的管路上安装有入口阀，入口阀的出口还通过防喘阀与机组出口、排气阀进口连通，并安装有冷却器，所述方法包括：

确定并网需投入的抽气机组的总数量、每台抽气机组进、出口压力值；

实时获取每台抽气机组进、出口压力值并计算各抽气机组初始压比，并反馈至所述第一LADRC控制器；获取所有机组进口压力的平均值，实时反馈至所述第二LADRC控制器；

确定每台抽气机组的喘振压比P_c、设定抽气机组由回流状态转节流状态过程中抽气机组压比设定值P_set和防喘阀压比P^* _set，且满足P_set<P^* _set<P_c；

抽气机组回流转节流工作时，各机组入口阀自动开启，第一LADRC控制器实时获取当前压比，判断当前压比是否大于所述设定值P_set，

如是，所述防喘阀调大，如否，所述防喘阀进行调小，直至防喘阀全关且当前压比P’满足P_set<P’<P*_set；

获取所有抽气机组当前入口阀和防喘阀的工作状态，且直至所有防喘阀为关闭状态时，进入节流转并网工作状态，总管调节阀切换为自动状态，并获取抽气总管压力设定压比值P_set，当地大气压力p_env，实时计算抽气总管临界值＝p_env/P_set，且判断，所有机组进口压力的平均值是否大于所述抽气总管临界值，如是，所述总管调节阀调小，如否，所述总管调节阀调大，直至所有机组进口压力的平均值与所述抽气总管临界值相同且所有并网机组入口阀全开。

2.根据权利要求1所述的基于LADRC的高空台抽气机组自动并网控制方法，其特征在于，还包括控制抽气机组同步的方法：

获取当前所有抽气机组的平均压比，判断，当前抽气机组的压比是否大于所述平均压比，如是，判断为所述入口阀延时动作，其他抽气机组入口阀保持原状态继续开启，直至当前抽气机组的压比等于所述平均压比后，再同步动作，如否，判定为当前抽气机组入口阀提前动作，当前抽气机组入口阀继续开启，其余抽气机组保持当前状态不动作，直至当前抽气机组与所述平均压比相同时，再同步动作。

3.根据权利要求2所述的基于LADRC的高空台抽气机组自动并网控制方法，其特征在于，所述防喘阀以并联的形式设置。

4.根据权利要求2所述的基于LADRC的高空台抽气机组自动并网控制方法，其特征在于，所述第一LADRC控制器包括第一扩张状态观测器与第一线性状态误差反馈控制器，其中：第一扩张状态观测器对回流转节流过程中机组压比大小、动态变化情况和系统扰动进行实时观测，有效提取其动态信息并传递给第一线性状态误差反馈控制器；第一线性状态误差反馈控制器根据机组压比动态变化和系统扰动信息生成控制量调整防喘阀开度快速补偿和抑制扰动，实现机组压比的高精度控制，其中：

第一线性状态误差反馈控制器的线性状态误差反馈控制率为：

其中，e1为通过第一扩张状态观测器获得的实际压比与压缩机压比设定值的偏差，u1为LADRC控制器1控制输出，

为利用第一扩张状态观测器获得的抽气机组压比P的估计值，

为

的微分的估计值，

为扰动估计值，b1为控制器增益，ωc1为第一LADRC控制器的控制带宽；

第一扩张状态观测器运行的方法满足：

其中，e₂为利用第一扩张状态观测器获得的抽气机组压比估计值与抽气机组压比测量值的偏差，ω_o1为LESO1观测带宽。

5.根据权利要求4所述的基于LADRC的高空台抽气机组自动并网控制方法，其特征在于，所述第二LADRC控制器包含第二扩张状态观测器与第二线性状态误差反馈控制器，第二扩张状态观测器对节流转并网过程中参加并网的所有机组进口平均压力大小、动态变化情况和系统扰动进行实时观测，有效提取其动态信息并传递给第二线性状态误差反馈控制器；第二线性状态误差反馈控制器根据所有机组进口平均压力的动态变化和系统扰动信息生成控制量来调整总管调节阀开度快速补偿和抑制扰动，实现所有机组进口平均压力的高精度控制，保证各机组压比稳定、运行安全，其中：

第二线性状态误差反馈控制器的线性状态误差反馈控制率满足：

其中，e₃为利用第二扩张状态观测器获得的全部参与并网的抽气机组的压缩机进口压力的平均值

的估计值与第二LADRC控制器设定值的偏差，u2为控制输出，

为利用第二扩张状态观测器获得的各抽气机组压缩机进口压力平均值

的估计值，

表示

微分的估计值，

为扰动估计值，b2为控制器增益，ω_c2为第二LADRC控制器的控制带宽；

第二扩张状态观测器运行的方法满足:

其中，e₄表示全部参与并网的抽气机组的压缩机进口压力的平均值

的测量值与估计值的偏差，ω_o2为第二扩张状态观测器的观测带宽。

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