航空發(fā)動機降保守性增益調(diào)度二自由度μ控制器制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提出一種航空發(fā)動機降保守性增益調(diào)度二自由度μ控制器，包括降保守性二自由度μ控制器組解算模塊和退化參數(shù)估計回路。本發(fā)明專利技術(shù)通過新增退化參數(shù)估計回路，并對增益調(diào)度控制器組進(jìn)行改進(jìn)得到降保守性二自由度μ控制器組解算模塊。本發(fā)明專利技術(shù)中小攝動不確定性發(fā)動機模型消除了發(fā)動機不確定性模型中的退化項，降低了不確定模型的攝動范圍，降低了魯棒增益調(diào)度控制器的保守性。退化參數(shù)估計回路實現(xiàn)了退化參數(shù)的可靠估計，進(jìn)而結(jié)合傳統(tǒng)的調(diào)度參數(shù)，實現(xiàn)發(fā)動機性能退化時的增益調(diào)度控制，最大限度的提高發(fā)動機性能退化時增益調(diào)度的控制精度，縮短控制系統(tǒng)過渡時間，減小動態(tài)偏差及靜態(tài)偏差，不僅具有較強的魯棒性而且保守性低，充分發(fā)揮發(fā)動機的性能。

Two degree of freedom \u03bc controller for Aeroengine gain scheduling

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
航空發(fā)動機降保守性增益調(diào)度二自由度μ控制器
本專利技術(shù)涉及航空發(fā)動機控制
，尤其涉及一種航空發(fā)動機降保守性增益調(diào)度二自由度μ控制器。
技術(shù)介紹
航空發(fā)動機是一個復(fù)雜的非線性動力學(xué)系統(tǒng)，在范圍寬廣的飛行包線內(nèi)工作時，發(fā)動機的工作狀態(tài)隨著外部條件和飛行條件的變化而不斷變化。針對航空發(fā)動機的強非線性和模型的不確定性，現(xiàn)有技術(shù)中有提出魯棒增益調(diào)度控制方法，將發(fā)動機劃分為一系列工作點，并在每一個工作點設(shè)計魯棒控制器，最終采用增益調(diào)度的方法選擇合適的魯棒控制器對發(fā)動機進(jìn)行控制。上述航空發(fā)動機魯棒增益調(diào)度控制方法可以對航空發(fā)動機進(jìn)行控制。然而，它們是非常保守的，因為它們將發(fā)動機退化看作發(fā)動機模型的不確定性進(jìn)行魯棒控制器的設(shè)計。事實上，發(fā)動機的性能退化程度可以通過測量參數(shù)來估計，從而消除不確定性模型中的退化項，縮小不確定性模型的范圍，降低魯棒增益調(diào)度控制器的保守性，提高發(fā)動機的性能。另外，傳統(tǒng)單自由度控制器無法同時兼顧航空發(fā)動機控制系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性和魯棒性能，而二自由度H∞控制器設(shè)計方法由于沒有考慮攝動結(jié)構(gòu)會使得設(shè)計保守性增強。我們引入自由度μ控制器設(shè)計方法對航空發(fā)動機進(jìn)行魯棒控制器設(shè)計。在傳統(tǒng)μ控制器的基礎(chǔ)上加入前置濾波器和反饋控制器，通過調(diào)整反饋控制器使擾動抑制的能力達(dá)到最佳，在此基礎(chǔ)上調(diào)整前置濾波器使系統(tǒng)的指令跟蹤能力達(dá)到最佳。
技術(shù)實現(xiàn)思路
為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本專利技術(shù)提出一種航空發(fā)動機降保守性增益調(diào)度二自由度μ控制器，同時兼顧航空發(fā)動機控制系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性和魯棒性能，且保守性低，將發(fā)動機的性能退化程度通過測量參數(shù)來估計，從而消除不確定性模型中的退化項，縮小不確定性模型的范圍，降低魯棒增益調(diào)度控制器的保守性，能夠在發(fā)動機性能發(fā)生退化的情況下依舊對真實發(fā)動機進(jìn)行良好控制，充分發(fā)揮發(fā)動機的性能，提高飛機全壽命效能。本專利技術(shù)的技術(shù)方案為：所述一種航空發(fā)動機降保守性增益調(diào)度二自由度μ控制器，其特征在于：包括降保守性二自由度μ控制器組解算模塊和退化參數(shù)估計回路；其中降保守性二自由度μ控制器組解算模塊、退化參數(shù)估計回路與航空發(fā)動機本體以及航空發(fā)動機上的若干傳感器組成退化參數(shù)調(diào)度控制回路；所述降保守性二自由度μ控制器組解算模塊產(chǎn)生控制輸入向量u并輸出給航空發(fā)動機本體，傳感器得到航空發(fā)動機測量參數(shù)y；控制輸入向量u以及測量參數(shù)y共同輸入到退化參數(shù)估計回路，退化參數(shù)估計回路解算得到航空發(fā)動機的退化參數(shù)h，并輸出到降保守性二自由度μ控制器組解算模塊；降保守性二自由度μ控制器組解算模塊與航空發(fā)動機本體以及航空發(fā)動機上的若干傳感器還組成調(diào)度參數(shù)調(diào)度控制回路；由傳感器輸出調(diào)度參數(shù)α至降保守性二自由度μ控制器組解算模塊；所述降保守性二自由度μ控制器組解算模塊內(nèi)設(shè)計有若干降保守性二自由度μ控制器；所述降保守性二自由度μ控制器包含前置濾波器和反饋控制器，對若干小攝動不確定性發(fā)動機模型利用μ綜合方法分別設(shè)計得到；所述小攝動不確定性發(fā)動機模型是對航空發(fā)動機不同設(shè)定工作點下的、包含退化參數(shù)的航空發(fā)動機非線性模型進(jìn)行線性化后再加入不含發(fā)動機性能退化的攝動塊得到的；針對某一退化狀態(tài)下的航空發(fā)動機非線性模型，所加入的不含發(fā)動機性能退化的攝動塊為能夠覆蓋航空發(fā)動機除退化外所有不確定性的最小攝動半徑攝動塊；所述降保守性二自由度μ控制器組解算模塊根據(jù)輸入的退化參數(shù)h以及調(diào)度參數(shù)α，利用內(nèi)部設(shè)計的若干降保守性二自由度μ控制器計算得到適應(yīng)的降保守性二自由度μ控制器，該降保守性二自由度μ控制器根據(jù)參考輸入r和測量參數(shù)y的差值e產(chǎn)生控制輸入向量u。進(jìn)一步的，所述降保守性二自由度μ控制器組解算模塊內(nèi)設(shè)計若干降保守性二自由度μ控制器的過程為：分別在發(fā)動機正常狀態(tài)h1和設(shè)定退化程度hbase處，在全飛行包線內(nèi)根據(jù)調(diào)度參數(shù)α選取n個工作點對包含退化參數(shù)的發(fā)動機非線性模型進(jìn)行線性化得到2n個線性化模型，對線性化模型加入不含發(fā)動機性能退化的攝動塊得到小攝動不確定性發(fā)動機模型，并對這2n個小攝動不確定性發(fā)動機模型分別設(shè)計相應(yīng)的降保守性二自由度μ控制器從而組成降保守性二自由度μ控制器組。進(jìn)一步的，所述退化參數(shù)估計回路中包括非線性機載發(fā)動機模型和分段線性化卡爾曼濾波器；所述非線性機載發(fā)動機模型為帶退化參數(shù)的發(fā)動機非線性模型：y＝g(x,u,h)其中為控制輸入向量，為狀態(tài)向量，為輸出向量，為退化參數(shù)向量，f(·)為表示系統(tǒng)動態(tài)的n維可微非線性向量函數(shù)，g(·)為產(chǎn)生系統(tǒng)輸出的m維可微非線性向量函數(shù)；非線性機載發(fā)動機模型輸入為控制輸入向量u以及上一周期的退化參數(shù)h，其輸出的健康穩(wěn)態(tài)參考值(xaug,NOBEM,yNOBEM)作為分段線性化卡爾曼濾波器當(dāng)前周期的估計初始值；所述分段線性化卡爾曼濾波器的輸入為測量參數(shù)y以及非線性機載發(fā)動機模型輸出的健康穩(wěn)態(tài)參考值(xaug,NOBEM,yNOBEM)，根據(jù)公式計算得到當(dāng)前周期的發(fā)動機的退化參數(shù)h；其中K為卡爾曼濾波的增益，滿足P為Ricati方程的解；系數(shù)Aaug和Caug根據(jù)公式確定，而A、C、L、M是將退化參數(shù)h看作發(fā)動機的控制輸入，并對非線性機載發(fā)動機模型在健康穩(wěn)態(tài)參考點處進(jìn)行線性化得到的反映發(fā)動機性能退化的增廣線性狀態(tài)變量模型的系數(shù)：w為系統(tǒng)噪聲，v為測量噪聲，相應(yīng)的協(xié)方差矩陣為對角陣Q和R。進(jìn)一步的，所述降保守性二自由度μ控制器組解算模塊根據(jù)輸入的退化參數(shù)h以及調(diào)度參數(shù)α插值得到的適應(yīng)的降保守性二自由度μ控制器。進(jìn)一步的，所述降保守性二自由度μ控制器組解算模塊先根據(jù)航空發(fā)動機當(dāng)前的調(diào)度參數(shù)α選擇前后相鄰的兩個設(shè)定工作點αi和αi+1，并獲取兩個設(shè)定工作點αi和αi+1對應(yīng)發(fā)動機正常狀態(tài)h1和設(shè)定退化程度hbase處的降保守性二自由度μ控制器Ki、Ki+1和根據(jù)公式計算得到考慮航空發(fā)動機當(dāng)前退化參數(shù)h后，在兩個設(shè)定工作點αi和αi+1下的降保守性二自由度μ控制器Ki和Ki+1；再根據(jù)公式計算得到航空發(fā)動機當(dāng)前適應(yīng)的降保守性二自由度μ控制器K(α)。進(jìn)一步的，所述調(diào)度參數(shù)α包括航空發(fā)動機的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速或者壓氣機轉(zhuǎn)速。進(jìn)一步的，所述測量參數(shù)包括進(jìn)氣道出口、風(fēng)扇出口、壓氣機出口、高壓渦輪后、低壓渦輪后的溫度和壓力，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和壓氣機轉(zhuǎn)速。有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本專利技術(shù)的航空發(fā)動機降保守性增益調(diào)度二自由度μ控制器利用傳統(tǒng)增益調(diào)度控制器中固有的模塊，通過新增退化參數(shù)估計回路，并對增益調(diào)度控制器組進(jìn)行了改進(jìn)，采用發(fā)動機一定退化程度下的一組降保守性二自由度μ控制器，得到降保守性二自由度μ控制器組解算模塊。設(shè)計的小攝動不確定性發(fā)動機模型消除了發(fā)動機不確定性模型中的退化項，降低了不確定模型的攝動范圍，降低了魯棒增益調(diào)度控制器的保守性。退化參數(shù)估計回路實現(xiàn)了退化參數(shù)的可靠估計，進(jìn)而結(jié)合傳統(tǒng)的調(diào)度參數(shù)，實現(xiàn)發(fā)動機性能退化時的增益調(diào)度控制，最大限度的提高發(fā)動機性能退化時增益調(diào)度的控制精度本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
1.一種航空發(fā)動機降保守性增益調(diào)度二自由度μ控制器，其特征在于：包括降保守性二自由度μ控制器組解算模塊和退化參數(shù)估計回路；/n其中降保守性二自由度μ控制器組解算模塊、退化參數(shù)估計回路與航空發(fā)動機本體以及航空發(fā)動機上的若干傳感器組成退化參數(shù)調(diào)度控制回路；/n所述降保守性二自由度μ控制器組解算模塊產(chǎn)生控制輸入向量u并輸出給航空發(fā)動機本體，傳感器得到航空發(fā)動機測量參數(shù)y；控制輸入向量u以及測量參數(shù)y共同輸入到退化參數(shù)估計回路，退化參數(shù)估計回路解算得到航空發(fā)動機的退化參數(shù)h，并輸出到降保守性二自由度μ控制器組解算模塊；/n降保守性二自由度μ控制器組解算模塊與航空發(fā)動機本體以及航空發(fā)動機上的若干傳感器還組成調(diào)度參數(shù)調(diào)度控制回路；由傳感器輸出調(diào)度參數(shù)α至降保守性二自由度μ控制器組解算模塊；/n所述降保守性二自由度μ控制器組解算模塊內(nèi)設(shè)計有若干降保守性二自由度μ控制器；所述降保守性二自由度μ控制器包含前置濾波器和反饋控制器，對若干小攝動不確定性發(fā)動機模型利用μ綜合方法分別設(shè)計得到；/n所述小攝動不確定性發(fā)動機模型是對航空發(fā)動機不同設(shè)定工作點下的、包含退化參數(shù)的航空發(fā)動機非線性模型進(jìn)行線性化后再加入不含發(fā)動機性能退化的攝動塊得到的；針對某一退化狀態(tài)下的航空發(fā)動機非線性模型，所加入的不含發(fā)動機性能退化的攝動塊為能夠覆蓋航空發(fā)動機除退化外所有不確定性的最小攝動半徑攝動塊；/n所述降保守性二自由度μ控制器組解算模塊根據(jù)輸入的退化參數(shù)h以及調(diào)度參數(shù)α，利用內(nèi)部設(shè)計的若干降保守性二自由度μ控制器計算得到適應(yīng)的降保守性二自由度μ控制器，該降保守性二自由度μ控制器根據(jù)參考輸入r和測量參數(shù)y的差值e產(chǎn)生控制輸入向量u。/n...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種航空發(fā)動機降保守性增益調(diào)度二自由度μ控制器，其特征在于：包括降保守性二自由度μ控制器組解算模塊和退化參數(shù)估計回路；
其中降保守性二自由度μ控制器組解算模塊、退化參數(shù)估計回路與航空發(fā)動機本體以及航空發(fā)動機上的若干傳感器組成退化參數(shù)調(diào)度控制回路；
所述降保守性二自由度μ控制器組解算模塊產(chǎn)生控制輸入向量u并輸出給航空發(fā)動機本體，傳感器得到航空發(fā)動機測量參數(shù)y；控制輸入向量u以及測量參數(shù)y共同輸入到退化參數(shù)估計回路，退化參數(shù)估計回路解算得到航空發(fā)動機的退化參數(shù)h，并輸出到降保守性二自由度μ控制器組解算模塊；
降保守性二自由度μ控制器組解算模塊與航空發(fā)動機本體以及航空發(fā)動機上的若干傳感器還組成調(diào)度參數(shù)調(diào)度控制回路；由傳感器輸出調(diào)度參數(shù)α至降保守性二自由度μ控制器組解算模塊；
所述降保守性二自由度μ控制器組解算模塊內(nèi)設(shè)計有若干降保守性二自由度μ控制器；所述降保守性二自由度μ控制器包含前置濾波器和反饋控制器，對若干小攝動不確定性發(fā)動機模型利用μ綜合方法分別設(shè)計得到；
所述小攝動不確定性發(fā)動機模型是對航空發(fā)動機不同設(shè)定工作點下的、包含退化參數(shù)的航空發(fā)動機非線性模型進(jìn)行線性化后再加入不含發(fā)動機性能退化的攝動塊得到的；針對某一退化狀態(tài)下的航空發(fā)動機非線性模型，所加入的不含發(fā)動機性能退化的攝動塊為能夠覆蓋航空發(fā)動機除退化外所有不確定性的最小攝動半徑攝動塊；
所述降保守性二自由度μ控制器組解算模塊根據(jù)輸入的退化參數(shù)h以及調(diào)度參數(shù)α，利用內(nèi)部設(shè)計的若干降保守性二自由度μ控制器計算得到適應(yīng)的降保守性二自由度μ控制器，該降保守性二自由度μ控制器根據(jù)參考輸入r和測量參數(shù)y的差值e產(chǎn)生控制輸入向量u。


2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種航空發(fā)動機降保守性增益調(diào)度二自由度μ控制器，其特征在于：所述降保守性二自由度μ控制器組解算模塊內(nèi)設(shè)計若干降保守性二自由度μ控制器的過程為：分別在發(fā)動機正常狀態(tài)h1和設(shè)定退化程度hbase處，在全飛行包線內(nèi)根據(jù)調(diào)度參數(shù)α選取n個工作點對包含退化參數(shù)的發(fā)動機非線性模型進(jìn)行線性化得到2n個線性化模型，對線性化模型加入不含發(fā)動機性能退化的攝動塊得到小攝動不確定性發(fā)動機模型，并對這2n個小攝動不確定性發(fā)動機模型分別設(shè)計相應(yīng)的降保守性二自由度μ控制器從而組成降保守性二自由度μ控制器組。


3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種航空發(fā)動機降保守性增益調(diào)度二自由度μ控制器，其特征在于：所述退化參數(shù)估計回路中包括非線性機載發(fā)動機模型和分段線性化卡爾曼濾波器；
所述非線性機載發(fā)動機模型為帶退化參數(shù)的發(fā)動機非線性模型：


...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉志丹，緱林峰，蔣宗霆，孫瑞謙，楊江，
申請(專利權(quán))人：西北工業(yè)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：陜西;61