CN115808876A

CN115808876A - 发动机尾喷管执行机构自适应控制方法及装置

Info

Publication number: CN115808876A
Application number: CN202211451657.0A
Authority: CN
Inventors: 胡旭; 蔡常鹏; 郑前钢; 张海波
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2022-11-21
Filing date: 2022-11-21
Publication date: 2023-03-17

Abstract

本发明公开了一种发动机尾喷管执行机构自适应控制方法。本发明对传统史密斯预估器进行了改进，并将其与二阶线性LADRC控制器相结合，来对发动机尾喷管执行机构进行控制，改进的史密斯预估器包括一个传统史密斯预估器和一个一阶滤波器，传统史密斯预估器的系统内置模型经过时滞环节的输出y₁与被控对象的输出y_p间的差值dy经所述一阶滤波器进行滤波处理以补偿模型失准，传统史密斯预估器的系统内置模型不经过时滞环节的输出y_p'与所述一阶滤波器的输出信号之和作为改进的史密斯预估器输出的整定后系统输出y′。本发明还公开了一种发动机尾喷管执行机构自适应控制装置。本发明可在尾喷管执行机构发生增益退化以及延迟退化等各类退化时，依旧能保持较高的控制精度。

Description

发动机尾喷管执行机构自适应控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种发动机尾喷管执行机构的控制方法，属于航空航宇发动机控制技术领域。

背景技术

为了保证航空发动机排气具有很高的动能，尾喷管的设计性能应当预先经过良好的计算设计。由于航空发动机的飞行过程包括整个包线，其工作过程及其复杂，因此需要对尾喷管的执行机构加以控制，才可以在多变的过程中，保证航空发动机的正常工作。在全包线范围内，尾喷管面临异常恶劣的工作环境，在工作循环次数增加时，性能退化无可避免，其执行机构难免在高温高压的工作环境下经历各种退化。在退化参数变化较小时，简单的控制难以在控制对象改变时，满足原来的动态性能，因此需要采用可根据退化条件自适应调节的控制系统，以此保证配喷管执行机构能的安全性和可靠性。当尾喷管执行机构液压元件老化，使得轴承的位移积分时间常数变大，产生增益退化，导致系统响应时间变长，无法及时达到稳态值。由于执行机构的温度、液位、压力均具有纯滞后特性，运行一定时间后会产生延迟退化，导致系统稳定性降低，过渡过程动态性能降低。因此需要对该故障进行相应的故障检测，或者设计出鲁棒性较好的控制器来提高系统的容错性能，使得发动机的性能得到更高效的利用，以此提高飞行器的整体性能。

针对在多次循环工作下载荷变化对系统产生的干扰信号，被控对象会由于退化产生的参数不确定的问题，Turso[Robust Control of Deteriorated Turbofan Enginesvia Linear Parameter Varing Quadratic Lyapunov Function Design[C]]、与岳欣[基于积分鲁棒的电液负载模拟器渐近跟踪控制[J]]的团队以液压作动筒为被控对象，设计了参数自适应方法与积分鲁棒控制相结合的一种自适应主动容错控制器，使得控制效果的位置跟踪能力得到提高，增加了系统的容错能力。邵文馨[快速模拟退火算法优化BP模糊神经网络航空发动机控制[J]]的团队采用BP模糊神经网络对航空发动机执行机构的PID控制器进行优化调整，丁凯锋[基于Adaline网的航空发动机自适应控制[J]]采用两层线性Adaline网实现了全飞行包线内发动机的在线控制，但依旧存在结构复杂，调整时间长，控制器参数需要实时更新等问题，刘小雨[基于无模型自适应的航空发动机控制与验证[D]]采用了比例控制和抗饱和方法结合的PI控制，实现了对含执行机构退化的航空发动机模型进行自适应控制，张天宏[航空发动机部件性能退化容错控制[J]]等人提出基于滑模控制器的部件性能退化主动容错控制设计，使得发动机具有良好的动态特性，但在应用过程中需重新配置控制参数。姬晓东[基于ADRC的航空发动机过渡态控制研究[D]]等人采用基于ADRC的航空发动机过渡态闭环控制，提高了航空发动机加/减速过程的灵活性，但是并没有有对执行机构进行直接控制。

现有技术均存在尾喷管执行机构不同类型退化所导致的控制精度降低的问题，因此，为了解决这一问题，有必要开展具有自适应能力的控制方法研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术所存在的尾喷管执行机构不同类型退化所导致的控制精度降低的问题，提供一种发动机尾喷管执行机构自适应控制方法，可在尾喷管执行机构发生增益退化以及延迟退化等各类退化时，依旧能保持较高的控制精度。

一种发动机尾喷管执行机构自适应控制方法，使用一个二阶线性LADRC控制器对所述发动机尾喷管执行机构进行控制，并利用一个改进的史密斯预估器对所述发动机尾喷管执行机构的系统输出y进行整定，最后将改进的史密斯预估器输出的整定后系统输出y′作为LADRC控制器中的状态观测器ESO的输入信号反馈回二阶线性LADRC控制器；所述改进的史密斯预估器包括一个传统史密斯预估器和一个一阶滤波器，传统史密斯预估器的系统内置模型经过时滞环节的输出y₁与被控对象的输出y_p间的差值dy经所述一阶滤波器进行滤波处理以补偿模型失准，传统史密斯预估器的系统内置模型不经过时滞环节的输出y_p'与所述一阶滤波器的输出信号之和作为改进的史密斯预估器输出的整定后系统输出y′。

优选地，使用极点配置法来进行所述二阶线性LADRC控制器的参数整定。

基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：

一种发动机尾喷管执行机构自适应控制装置，包括：

一个二阶线性LADRC控制器，用于对所述发动机尾喷管执行机构进行控制；一个改进的史密斯预估器，用于对所述发动机尾喷管执行机构的系统输出y进行整定，并将改进的史密斯预估器输出的整定后系统输出y′作为LADRC控制器中的状态观测器ESO的输入信号反馈回二阶线性LADRC控制器；所述改进的史密斯预估器包括一个传统史密斯预估器和一个一阶滤波器，传统史密斯预估器的系统内置模型经过时滞环节的输出y₁与被控对象的输出y_p间的差值dy经所述一阶滤波器进行滤波处理以补偿模型失准，传统史密斯预估器的系统内置模型不经过时滞环节的输出y_p'与所述一阶滤波器的输出信号之和作为改进的史密斯预估器输出的整定后系统输出y′。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

本发明针对发动机尾喷管执行机构不同类型退化所导致的控制精度降低的问题，将传统史密斯预估器进行改进，并将其与LADRC控制器有机结合，可实现在执行机构发生增益退化以及延迟退化等各类退化时，保证系统依旧能保持较高的控制精度；经实际实验验证，本发明所提出的自适应控制方法在面对来自系统外部扰动时，能够更快的消除扰动的影响，相比PID控制拥有更强的稳定性，在系统发生内部扰动时可实现的良好动态指令跟踪，相比PID控制具有更强的适用性与鲁棒性。

附图说明

图1为尾喷管喉道截面面积控制回路图；

图2为改进的史密斯预估器的控制结构图；

图3为本发明控制装置的控制结构图；

图4为无退化时加入改进的史密斯预估器前后的PID控制效果图；

图5(a)为20ms延迟退化时加入改进的史密斯预估器前后的PID控制效果图；

图5(b)为40ms延迟退化时加入改进的史密斯预估器前后的PID控制效果图；

图6为无退化时加入改进的史密斯预估器前后的LADRC控制效果图；

图7(a)为20ms延迟退化时加入改进的史密斯预估器前后的LADRC控制效果图；

图7(b)为40ms延迟退化时加入改进的史密斯预估器前后的LADRC控制效果图；

图8为无退化时加入改进的史密斯预估器的LADRC与PID的控制效果对比图；

图9为阶跃扰动时加入改进的史密斯预估器的LADRC与PID的控制效果对比图；

图10(a)为30ms增益退化时加入改进的史密斯预估器的LADRC与PID的控制效果对比图；

图10(b)为40ms增益退化时加入改进的史密斯预估器的LADRC与PID的控制效果对比图。

具体实施方式

针对发动机尾喷管执行机构不同类型退化所导致的控制精度降低的问题，本发明的解决思路是将传统史密斯预估器进行改进，并将其与LADRC控制器有机结合，以实现在执行机构发生增益退化以及延迟退化等各类退化时，保证系统依旧能保持较高的控制精度。

本发明所提出的技术方案具体如下：

为便于公众理解，下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，现有发动机尾喷管喉道截面面积采用多个作动筒控制，总的容腔比较大，如果直接用电液伺服阀驱动，需要每分钟超过100L流量的电液伺服阀，其体积大、重量重，因此，一般采用电液伺服阀控制一个分油阀，再由分油阀驱动喷管作动筒。为了保证稳定裕度，分油阀采用位置闭环控制。忽略高阶和非线性的影响，将分油阀和尾喷管作动回路简化为积分环节，分油阀和尾喷管作动回路的控制律采用放大环节，可以得到尾喷管控制回路的传递函数：

因此，喷管回路为二阶系统。其中，式中K_PD为A8回路控制器放大D₈倍数，K_pn为L_n回路控制器放大倍数，K_ln为电液伺服阀放大倍数，K_D为喷管作动筒积分时间常数，K_DA为从作动筒的作动体积到尾喷管喉道截面面积的转化系数，K_nV为分油阀回路反馈放大倍数，K_DV为喷管作动筒反馈放大倍数。随着执行机构使用次数的增多，容易发生机构在相同输入信号下，达到指定位置的时间变长的问题，即存在增益退化。因此增益退化可以通过降低电液伺服阀的放大倍数K_ln来实现。由公式(1)可以得出，可以通过增大T_n的大小可以实现增益退化。

在实际工业生产中，控制通过往往不同程度的存在滞后情况。滞后在物料、能量或信号传输过程中由于传输速度有限而产生的延迟。一般纯滞后就是指由传输速度限制导致的滞后，在Simulink仿真中一般用一个延迟环节来表示。

针对滞后这一问题，现有控制器一般会采用史密斯预估器的结构，通过引入与被控对象并联的补偿器对纯滞后环节进行削弱和削除。由于史密斯预估器采用的内置模型与被控对象不匹配时，经过史密斯预估器整定的信号会与理想信号产生较大的误差，因此传统史密斯预估器控制的鲁棒性较差。

为此，本发明在传统史密斯预估器基础上进行了改进，改进的史密斯预估器的结构原理如图2所示，其中，P为被控对象，代表了尾喷管执行机构传递函数G_p(s)以及存在的信号传输迟滞环节e^-τs。如图2所示，在传统史密斯预估器基础上，改进的史密斯预估器使用系统内置模型经过时滞环节的输出y₁与被控对象的输出y_p间的差值dy经过滤波处理的结构，对执行机构输出信号进行处理。根据控制器输出的控制信号u，利用不含时滞环节的内置模型获得没有时滞的系统输出y_p'，并利用一个能够补偿模型失准的滤波器F，对系统内置模型经过时滞环节的输出y₁与被控对象的输出y_p间的差值dy进行整定，并将滤波器F的输出信号与y_p'之和一起作为改进的史密斯预估器输出的反馈信号y'，作用到总误差信号e中。

加入改进的史密斯预估器后，控制回路的传递函数为

可以看出，当史密斯预估器的内置模型与被控对象完全匹配时，经过滤波器F的信号可以略去，而迟滞环节被整理到传递函数外部，不在闭环控制回路之内，因此系统的控制效果能够保持优秀的性能；而在信号传输延迟时间变长时，以及模型发生退化时被控对象会与史密斯预估器内置模型不匹配时，将该信号作为低频干扰信号通过一阶滤波器F进行滤波，降低了史密斯预估器对建模误差的敏感性。

针对前文所建立的被控对象模型，可知模型为单输入输出的二阶对象，因此将该改进的史密斯预估器与二阶线性LADRC控制器相结合来对其进行控制。LADRC控制器为现有技术，由非线性反馈PD控制器以及扩张观测器(ESO)组成，不依赖被控对象模型，采用扩展观测器反应对象内部扰动和外部扰动，一般采用带宽法进行参数整定的一种控制方法。

本发明所提出的改进的史密斯预估器与二阶线性LADRC控制器相结合的整个控制结构如图3所示。在图3中，设定值r是控制器的输入信号，d是扰动信号，ESO的两个输入分别是控制信号u和系统输出y；执行机构输出信号先由改进的史密斯预估器整定，由公式(2)可知，经过改进的史密斯预估器整定过后，迟滞环节会被移到闭环回路之外，不会影响所加入控制器的控制效果。由拉氏变换的位移定理可知，纯滞后特性对模型的输出响应没有影响，模型输出信号往后推移了迟滞时间的时间长度，其波形和动态性能保持为原样。因此将执行机构经过改进的史密斯预估器整定的输出信号y'作为LADRC控制器中ESO的输入信号，能够缓解迟滞环节对系统的影响，使得LADRC控制器获得更好的控制效果。ESO是控制器的核心，能够实时估计系统受到的内扰和外扰。Z₁、Z₂、Z₃分别是ESO的三个输出。K_p，K_d和b是控制器参数。

由公式(1)可知，被控对象模

为二阶模型，便于LADRC算法的参数整定，将传递函数改写为一般形式的微分方程：

由于系统会会发生退化，将由于退化导致的模型变化以及外界干扰信号考虑在内，可将公式(3)改写为：

其中，

表示系统内扰和外扰的综合特性，f＝g+(b₀-b)u表示为系统的扩张状态，f和g的数学表达式在参数整定和控制过程中是不需要知道的。

可以得出图3的控制律为：

则公式(4)可以改写为：

作为LADRC控制器的核心，ESO的观测状态以及估计扰动的能力会直接决定控制性能，而ESO的观测状态能力的高低由β₀₁，β₀₂，β₀₃的设计决定。得到ESO的表达式系统的状态方程为：

式中，x₃＝f为系统的扩张状态，

为系统未建模的未知扰动，则f可以用一个状态空间方程估计，表示为:

线性扩张状态观测器可进一步表示为：

式中，β₀₁，β₀₂，β₀₃是观测器向量，可以通过配置极点的方法获得。

结合式(4)可知，通过引入扩张状态观测器，f会快速收敛到Z₃，退化前后系统的输出会快速收敛到一个二阶积分系统的输出，当ESO能被正确整定时z₁，z₂，z₃将分别跟踪y，

f。为使系统能够达到期望的控制性能，本发明优选采用极点配置法来进行LADRC控制器的参数整定。

为验证改进的史密斯预估器对信号传输迟滞的缓解效果，将LADRC控制器、PID控制器加入改进的史密斯预估器前、后的控制效果进行对比，对比结果如图4～图7(b)所示，图中的Smith均表示改进的史密斯预估器。

如图4所示，在无退化情况下，尾喷管执行机构在PID控制以及PID与改进的史密斯预估器联合控制下，两个系统的跟踪性能优秀，调节时间均为0.4s以内，无稳态误差，系统动态性能良好。

模拟发生延迟退化时，由于执行机构作动系统存在迟滞性，将执行机构输出端的20ms的TransportDelay模块的参数设置为40ms和60ms，以此模拟执行机构中存在的延迟退化。根据图5(a)和图5(b)可以看出，随着尾喷管执行机构延迟退化加重，在单PID控制下，上升时间逐渐上升，且的超调量逐渐变大，响应曲线逐渐波动，而在改进的史密斯预估器和PID联合控制下，上升时间保持为0.345s，无超调量。

如图6所示，在无退化情况下，尾喷管执行机构在LADRC控制以及LADRC与改进的史密斯预估器联合控制下，系统跟踪性能优秀，调节时间均为0.4s以内，无稳态误差，系统动态性能良好。

根据图7(a)和图7(b)可以看出，随着信号传输迟滞的加重，在单一LADRC控制下，控制参数不变时，响应曲线上升阶段波逐渐增大，难以达到稳态值，而在改进的史密斯预估器和LADRC联合控制下，调节时间依旧保持在0.4s以内，响应曲线稳定。可以看出，在加入改进的史密斯预估器后，两种控制器在延迟退化下，依旧可以很好的满足控制指标，证明了改进的史密斯预估器对于传输信号过程中发生的迟滞能够进行有效的补偿作用。

根据以上实验可以看出，在加入史密斯预估器后，可以对尾喷管执行机构的延迟退化产生很好的补偿作用。经仿真之后发现，改进的史密斯预估器能够使得LADRC的可调参数的调整范围增大。因此，针对不同的退化情况，将加入改进的史密斯预估器的PID控制器与LADRC控制器进行控制效果对比。

正常工作下，尾喷管执行机构在加入改进的史密斯预估器后的两种控制方式下的输出结果如图8所示，LADRC的控制效果曲线与PID的重合度很高，上升时间为0.33s，无超调量。

图9为两种控制器在系统外部扰动时的输出响应对比。可以看出，结合改进的史密斯预估器后，LADRC控制器相比PID控制器能够更快地消除外部扰动信号的影响，使系统更快的达到稳定。

随着执行机构使用次数的增多，容易发生机构在相同输入信号下，达到指定位置的时间变长的问题，即存在增益退化。因此增益退化可以通过降低电液伺服阀的放大倍数K_ln来实现。由公式(1)得出，增大T_n为30ms和40ms模拟增益退化。图10(a)和图10(b)为两种控制器在增益退化下的输出响应对比。可以看出，随着增益退化程度增大，结合改进的史密斯预估器的PID控制器调节时间逐渐变长，分别为0.48s，0.76s，指令跟踪性能变差。但结合改进的史密斯预估器的LADRC控制器，即便退化程度增加，响应曲线依旧能保持原来的动态性能，表明LADRC控制方法在尾喷管执行机构自适应控制中具有更强的适用性与鲁棒性。

Claims

1.一种发动机尾喷管执行机构自适应控制方法，其特征在于，使用一个二阶线性LADRC控制器对所述发动机尾喷管执行机构进行控制，并利用一个改进的史密斯预估器对所述发动机尾喷管执行机构的系统输出y进行整定，最后将改进的史密斯预估器输出的整定后系统输出y′作为LADRC控制器中的状态观测器ESO的输入信号反馈回二阶线性LADRC控制器；所述改进的史密斯预估器包括一个传统史密斯预估器和一个一阶滤波器，传统史密斯预估器的系统内置模型经过时滞环节的输出y₁与被控对象的输出y_p间的差值dy经所述一阶滤波器进行滤波处理以补偿模型失准，传统史密斯预估器的系统内置模型不经过时滞环节的输出y_p'与所述一阶滤波器的输出信号之和作为改进的史密斯预估器输出的整定后系统输出y′。

2.如权利要求1所述发动机尾喷管执行机构自适应控制方法，其特征在于，使用极点配置法来进行所述二阶线性LADRC控制器的参数整定。

3.一种发动机尾喷管执行机构自适应控制装置，其特征在于，包括：

4.如权利要求3所述发动机尾喷管执行机构自适应控制装置，其特征在于，使用极点配置法来进行所述二阶线性LADRC控制器的参数整定。