一种基于干扰观测器的涡扇发动机切换系统的输出跟踪控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于干扰观测器的涡扇发动机切换系统的输出跟踪控制方法，包括以下步骤：步骤1，考虑未知外部干扰，构建涡扇发动机多模型线性切换系统；步骤2，基于步骤1构建的涡扇发动机多模型线性切换系统，设计干扰观测器以实现对未知干扰的精确估计；步骤3，引入输出跟踪误差积分环节以消除稳态跟踪误差；基于干扰估计值与跟踪误差的动态补偿，设计H

【技术实现步骤摘要】
一种基于干扰观测器的涡扇发动机切换系统的输出跟踪控制方法


[0001]本专利技术属于航空航天
，特别涉及一种涡扇发动机切换系统的输出跟踪控制方法。

技术介绍

[0002]航空发动机是飞机的动力源泉，其动态性能的好坏将直接影响飞机的可靠性、经济性和安全性。涡扇发动机是航空领域常用的一种发动机。随着工业的飞速发展，涡扇发动机控制系统的性能要求显得尤为重要。然而，涡扇发动机是一个非常复杂的气动热力学系统，具有多变量、强非线性、强耦合和高不确定性等复杂特性。由于涡扇发动机高度复杂的动力学特性，很难获得一个精确的模型。然而，工程实践中大多数控制设计都依赖于系统模型。因此，建立一个精确的发动机数学模型尤为重要。
[0003]由于航空发动机工作在一个较大范围的包线内，当飞机的飞行条件或发动机的工作状态发生变化时，发动机控制系统的特性要求也随之发生改变。此时用单点线性化模型来描述发动机在整个飞行包线内的特性往往是不精确的，当工作点变化时，系统的动态特性也会显著改变。由于发动机的状态参数随着飞行需求的改变而不断进行变化，因此在飞行包线内，可将发动机控制系统视为一个切换系统。首先根据多平衡点划分合理的包线区域，在每个区域内可用线性化模型来描述发动机的工作特性，然后可依据时间规则或者状态条件设计合理的切换策略，既要保证涡扇发动机系统能够实现指令跟踪，还能平稳切换，从而实现涡扇发动机在全包线内的多变量控制。目前越来越多的专家学者开始专注于切换策略在涡扇发动机领域的研究。
[0004]抗干扰问题在控制领域始终是一个热门话题，因为这些干扰常常会降低控制性能，甚至导致实际闭环系统不稳定。为了提高控制系统的鲁棒性，大量的抗干扰控制方法应运而生，例如鲁棒控制理论、滑模控制方法以及基于干扰观测器控制(简称DOBC)方法等。其中基于干扰观测器控制方法是利用已知的系统信息来逼近未知的外部干扰，然后将估计值反馈到控制器当中，来补偿外部干扰给系统带来的负面影响。相对来说，干扰观测器不需要对未知信号建立精确的数学模型而且设计简单，大大利于满足实时性的需求。在实际涡扇发动机系统中，除结构磨损、腐蚀、老化外，复杂工况、外部环境、人为因素等通常会带来不可避免的干扰。由于这些干扰，涡扇发动机的结构和性能会发生缓慢的变化，常常会降低发动机系统的控制性能，甚至导致实际系统不稳定。因此，涡扇发动机系统的抗干扰控制问题的研究意义重大。

技术实现思路

[0005]针对涡扇发动机全包线多变量控制问题，本专利技术的目的是提供一种基于干扰观测器的涡扇发动机切换系统的输出跟踪控制方法，使得涡扇发动机能有效地抑制未知外部干扰的影响，而且能跟踪上期望的参考轨迹信号。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种基于干扰观测器的涡扇发动机切换系统的输出跟踪控制方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1，考虑未知外部干扰，构建涡扇发动机多模型线性切换系统；
[0009]步骤2，基于步骤1构建的涡扇发动机多模型线性切换系统，设计干扰观测器以实现对未知干扰的精确估计，并得到干扰估计值；
[0010]步骤3，引入输出跟踪误差积分环节以消除稳态跟踪误差；基于干扰估计值与跟踪误差的动态补偿，设计H
∞
输出跟踪控制器；
[0011]步骤4，设计状态依赖切换律，以保证涡扇发动机多模型线性切换系统的稳定性。
[0012]所述步骤1中，考虑未知外部干扰，涡扇发动机多模型线性切换系统为：
[0013][0014]式中，x(t)＝(
△
n
L
ꢀ△
n
H
)
T
为系统的状态变量，
△
n
L
表示风扇转速的增量，即低压转速增量，
△
n
H
表示发动机的压气机转速增量，即高压转速增量；u(t)＝(
△
W
fb
ꢀ△
A8)
T
表示系统的控制输入变量，
△
W
fb
和
△
A8分别表示主燃油变化增量和尾喷口面积变化增量；y(t)＝(
△
n
H
ꢀ△
π)
T
为测量输出，
△
π表示涡轮落压比，即涡轮出口压力与风扇进口总压之比；d(t)是未知的时变外部干扰；是关于时间t的右连续的分段常值切换信号，m表示子系统的个数；当切换信号σ(t)＝i时，第i个子系统被激活，此时第i个子系统的状态轨迹就是切换系统的状态轨迹；对切换信号σ(t)即任意给定的t>t0，令为时间段(t0,t)上的切换序列，A
σ(t)
，B
σ(t)
，B
1σ(t)
，C
σ(t)
，D
σ(t)
和D
1σ(t)
为已知维数的参数矩阵。
[0015]所述步骤2中，设计干扰观测器如下：
[0016][0017]式中，ξ(t)是内部辅助变量，是干扰的估计值，L为待设计的干扰观测器增益矩阵。
[0018]所述步骤3中，定义参考输出信号为y
r
(t)＝r(t)，从而定义输出跟踪误差为：
[0019]e
y
(t)＝y(t)
‑
y
r
(t)
[0020]为消除稳态跟踪误差，引入输出跟踪误差积分环节：
[0021][0022]从而有其中e
y
(0)＝0；
[0023]基于干扰估计值与跟踪误差积分项，设计H
∞
输出跟踪控制器为：
[0024][0025]式中，K
1σ(t)
和K
2σ(t)
为待设计的控制器增益，K
dσ(t)
为干扰补偿增益。
[0026]所述步骤4中，为了保证涡扇发动机切换系统的稳定性，设计状态依赖切换律为：
[0027][0028]上式中，P
1i
和P
2i
为待设计的正定对称矩阵。
[0029]有益效果：本专利技术引入输出跟踪误差积分环节作为前馈动态补偿来设计H
∞
输出跟踪控制器，能有效地消除静态跟踪误差；干扰观测器设计简单，且能够精确估计出未知干扰，便于工程实现；结合干扰观测器控制理论和H
∞
鲁棒控制理论，构建复合容错抗干扰控制器来解决具有未知外部干扰的涡扇发动机切换系统抗干扰输出跟踪控制问题。经验证，本专利技术所设计的抗干扰H
∞
输出跟踪控制器能够跟踪上参考指令信号。本专利技术能够有效解决涡扇发动机在多变量控制领域的抗干扰输出跟踪控制问题。
附图说明
[0030]图1是本专利技术的系统控制流程图。
具体实施方式
[0031]下面结合附图对本专利技术做更进一步的解释。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于干扰观测器的涡扇发动机切换系统的输出跟踪控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1，考虑未知外部干扰，构建涡扇发动机多模型线性切换系统；步骤2，基于步骤1构建的涡扇发动机多模型线性切换系统，设计干扰观测器以实现对未知干扰的精确估计，并得到干扰估计值；步骤3，引入输出跟踪误差积分环节以消除稳态跟踪误差；基于干扰估计值与跟踪误差的动态补偿，设计H
∞
输出跟踪控制器；步骤4，设计状态依赖切换律，以保证涡扇发动机多模型线性切换系统的稳定性。2.根据权利要求1所述的基于干扰观测器的涡扇发动机切换系统的输出跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤1中，考虑未知外部干扰，涡扇发动机多模型线性切换系统为：式中，x(t)＝(Δn
L Δn
H
)
T
为系统的状态变量，Δn
L
表示风扇转速的增量，即低压转速增量，Δn
H
表示发动机的压气机转速增量，即高压转速增量；u(t)＝(ΔW
fb ΔA8)
T
表示系统的控制输入变量，ΔW
fb
和ΔA8分别表示主燃油变化增量和尾喷口面积变化增量；y(t)＝(Δn
H Δπ)
T
为测量输出，Δπ表示涡轮落压比，即涡轮出口压力与风扇进口总压之比；d(t)是未知的时变外部干扰；σ(t):是关于时间t的右连续的分段常值切换信号，m表示子系统的个数；当切换信号σ(t)＝i时，第i个子系统被激活，此时第i个子系统的状态轨迹就是切换系统的状态轨迹；对切换信号σ(t)即任意给定的t＞t0，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈谋，刘凡，邵书义，雍可南，李涛，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：