【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于航空发动机控制领域，涉及一种航空发动机控制方法，尤其涉及一种基于自适应指定干扰消除技术的控制系统及其方法。该航空发动机控制方法结合了反步法、动态逆方法、自适应指定干扰消除技术的优势，充分考虑了干扰在不同情况下对于控制性能的有利或有害影响，具有物理意义明确、快速扰动估计、自适应指定干扰消除、闭环稳定、控制性能好等优点。
技术介绍
1、航空发动机作为飞行器的核心动力装置，其工作环境极其复杂性，包括高温、高压、快速变化的负载条件及多种气象因素的影响。此外，随着航空发动机服役时间的增加，其内部组件的磨损、老化等现象不可避免，这种性能的退化进一步加剧了控制系统的复杂性。因此，在航空发动机控制系统中广泛存在未建模动态、不确定性和外部扰动等多种复杂因素，这些不确定因素可以统一归结使用集总干扰来描述。而集总干扰的存在，不可避免地影响着航空发动机的控制性能，使得系统难以同时满足稳定性、快速性、精确性、鲁棒性、可靠性等控制指标要求。
2、在传统控制方法中，通常假设系统模型是精确已知的，并且干扰是可以忽略不计或可被简单补偿的。然而实际上，由于集总干扰对系统动态具有显著影响，如果在设计控制系统时没有充分考虑这些干扰，可能导致系统的输出与期望值之间存在较大偏差，这种偏差不仅会使控制系统的品质发生下降，还可能危及系统的稳定性。虽然目前已开发出多种先进控制方法，如自适应或鲁棒控制方法等，但这些方法仍存在局限性。例如，自适应控制方法通常基于系统参数慢变假设（即假设系统参数变化较为缓慢且有规律），而鲁棒控制方法则依赖于扰动有界假设（即假
3、此外，传统的控制方法在应对干扰时，往往采用无差别补偿策略，即将所有干扰都视为有害因素进行补偿，这种方式忽视了某些干扰在特定条件下可能具有的正面作用。例如，航空发动机在不同工况下运行时，某些外部扰动可能对系统的闭环性能有一定的积极作用，特别是在提升系统响应速度和减少燃油消耗方面。而在其他工况下，干扰可能会对系统性能产生负面影响，导致系统的输出偏离预期值，甚至影响系统的稳定性。然而，传统控制方法未能有效区分有益干扰和有害干扰，导致系统的控制性能未能得到充分优化，尤其是在航空发动机的快速性和燃油效率方面。
4、综上所述，现有航空发动机控制技术在应对复杂工作环境中的集总干扰时存在诸多不足，包括干扰补偿策略保守性高、干扰有利因素未得到充分利用、控制方法假设条件苛刻、控制器设计复杂度高等问题。因此，如何有效应对航空发动机系统中的复杂干扰，充分利用发动机模型信息，实现对集总干扰的实时估计和自适应指定干扰消除，同时提高控制系统的动静态性能和鲁棒性，是当前航空发动机控制领域亟待解决的技术问题。
技术实现思路
1、（一）专利技术目的
2、为解决现有航空发动机控制系统及方法中所存在的上述缺陷和不足，本专利技术旨在提供一种基于自适应指定干扰消除技术的航空发动机控制系统及其方法，这种控制系统及方法不需要提供精确的数学模型，通过引入基于固定时间的扩充观测器实时监测和估计系统中的集总干扰，并结合动态逆方法、反步法和自适应指定干扰消除技术，设计了自适应指定干扰消除复合控制器，实现了对系统干扰的合理利用和有效补偿。这种思路利用了航空发动机系统中的集总干扰对于跟踪控制的有利作用，提升了闭环系统的收敛速度，并兼顾了静态特性，降低了静态误差和控制纹波，实现航空发动机优越的转速跟踪控制性能，具有条件扰动估计与补偿、闭环稳定、控制精度高、不依赖于精确模型等优点。由这种方法得到的闭环系统在理论上是一致有界稳定的，合理选择控制器参数可以有效提高系统的控制品质。
3、（二）技术方案
4、为实现该专利技术目的，解决其技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
5、本专利技术的第1个专利技术目的在于提供一种基于自适应指定干扰消除的航空发动机控制系统，用以实现对航空发动机的转速控制，提高其在不同工作条件下的转速跟踪控制精度及系统鲁棒性，并在逻辑上至少包括一指令产生器、一自适应指定干扰消除复合控制器和一固定时间扰动观测器，其中：
6、所述指令产生器，其输出端与自适应指定干扰消除复合控制器输入端相连，用于根据系统设定的控制目标生成符合指标要求的动态指令信号，所述动态指令信号具有预设的转速跟踪轨迹特性，以指导发动机的转速调节；
7、所述固定时间扰动观测器，其输入端分别与自适应指定干扰消除复合控制器的输出端以及下游的航空发动机的状态反馈端和系统输出端相连接，用于输入自适应指定干扰消除复合控制器的输出控制量、表征航空发动机轴转速的状态反馈值及系统输出量，其输出端与自适应指定干扰消除复合控制器的输入端相连接，用于根据航空发动机的状态反馈信息以及控制器的输出控制指令，在固定时间内实时估算集总干扰，并将集总干扰估计值输出至自适应指定干扰消除复合控制器；
8、所述自适应指定干扰消除复合控制器，其输入端分别与指令产生器的输出端、固定时间扰动观测器的输出端以及下游的航空发动机的状态反馈端相连接，其输出端分别与下游的航空发动机的控制指令输入端以及固定时间扰动观测器的输入端相连接，并且其中：
9、所述自适应指定干扰消除复合控制器，结合来自所述指令产生器的动态指令、固定时间扰动观测器的集总干扰估计值以及航空发动机的状态反馈信息，基于反步法和动态逆方法实时调整控制量，并结合自适应指定干扰消除方法，通过集总干扰的实时估算与反馈补偿，生成自适应控制指令并输出至航空发动机及固定时间扰动观测器，实现对航空发动机转速的实时跟踪控制以及指定干扰的自适应消除。
10、本专利技术的第2个专利技术目的在于提供一种基于自适应指定干扰消除的航空发动机控制方法，基于上述第1个专利技术目提供的基于自适应指定干扰消除的航空发动机控制系统，用于提高发动机在不同工作条件下的转速跟踪控制精度及系统鲁棒性，所述控制方法在实施时至少包括如下步骤：
11、ss1. 控制模型建立
12、对航空发动机进行系统建模，利用其输入输出数据，面向控制设计的需要，通过系统辨识的方法，构建带扰动的仿射形式非线性数学模型：
13、
14、式中， x表示航空发动机的轴转速状态向量且 x=[ x1 x2]t， x1表示航空发动机轴转速的增量， x2表示航空发动机转加速度，分别为 x1、 x2关于时间的微分且， d为系统中的集总干扰， f( x)、 g( x)均为关于状态向量 本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于自适应指定干扰消除的航空发动机控制系统，包括指令产生器、自适应指定干扰消除复合控制器和固定时间扰动观测器，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的基于自适应指定干扰消除的航空发动机控制系统，其特征在于，所述航空发动机为单轴航空发动机，对于单轴航空发动机系统，利用其输入输出数据，面向控制设计的需要，通过系统辨识的方法，得到其带扰动的仿射形式非线性数学模型：
3.根据权利要求1所述的基于自适应指定干扰消除的航空发动机控制系统，其特征在于，所述指令产生器用于根据系统总体给定的控制指标要求产生给定动态指令信号，基于已知给定的参考指令rd，通过一个传递函数G(s)的调节与安排过程环节，产生符合预设控制指标要求的动态指令x1d，并求出该指令对时间的微分，以确保系统在不同工作条件下的动态响应能够保持良好的跟踪性能。
4.根据权利要求2所述的基于自适应指定干扰消除的航空发动机控制系统，其特征在于，所述固定时间扰动观测器基于固定时间扩充状态干扰观测方法，通过扩展状态观测的方式，实现固定时间内对集总干扰的观测和实时估计，得到集总干扰的估计值，固定时间扰动
5.根据权利要求4所述的基于自适应指定干扰消除的航空发动机控制系统，其特征在于，所述自适应指定干扰消除复合控制器采用基于反步法的两步控制律设计策略，基于所述指令产生器、固定时间扰动观测器的输入信息产生输出控制量u并输出至航空发动机及固定时间扰动观测器，实现航空发动机的自适应指定干扰消除复合控制，其控制律设计包含两步：
6.一种基于自适应指定干扰消除的航空发动机控制方法，基于上述权利要求1~5任一项所述的基于自适应指定干扰消除的航空发动机控制系统，其特征在于，所述控制方法在实施时至少包括如下步骤：
7.根据权利要求6所述的基于自适应指定干扰消除的航空发动机控制方法，其特征在于，步骤SS1中，x1为航空发动机轴转速的增量ΔN=N－Ne，其中N为当前发动机的实际转速，Ne为发动机在静态或基准条件下的转速，该增量用以反映发动机在不同工作状态下的转速变化情况；u为自适应指定干扰消除复合控制器的输出控制量，其物理含义是燃油流量的增量∆Wf =Wf -Wfe，其中Wf为发动机当前燃油流量，Wfe为基准燃油流量。
8.根据权利要求6所述的基于自适应指定干扰消除的航空发动机控制方法，其特征在于，上述步骤SS1中，为提高系统建模精度和模型的适用性，所述集总干扰d至少包含系统参数摄动、未建模动态、外部负载波动以及环境因素引起的不确定性影响；同时，f(x)和g(x)均满足局部Lipschitz连续条件，且控制增益函数g(x)在整个工作范围内始终保持非奇异性。
9.根据权利要求6所述的基于自适应指定干扰消除的航空发动机控制方法，其特征在于，上述步骤SS3中，固定时间扰动观测器的阶数l的选择需满足l≥2，观测器参数的设计需确保系统在有限时间内收敛，即存在有限时间T>0，使得对任意t≥T时刻，观测误差满足，为固定时间扰动观测器输出的估计值；同时，非线性项系数ρi和δi的选择需满足0<ρi<1，δi>1，i=1,2,…,l，以保证观测器具有固定时间收敛特性。
...【技术特征摘要】
1.一种基于自适应指定干扰消除的航空发动机控制系统，包括指令产生器、自适应指定干扰消除复合控制器和固定时间扰动观测器，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的基于自适应指定干扰消除的航空发动机控制系统，其特征在于，所述航空发动机为单轴航空发动机，对于单轴航空发动机系统，利用其输入输出数据，面向控制设计的需要，通过系统辨识的方法，得到其带扰动的仿射形式非线性数学模型：
3.根据权利要求1所述的基于自适应指定干扰消除的航空发动机控制系统，其特征在于，所述指令产生器用于根据系统总体给定的控制指标要求产生给定动态指令信号，基于已知给定的参考指令rd，通过一个传递函数g(s)的调节与安排过程环节，产生符合预设控制指标要求的动态指令x1d，并求出该指令对时间的微分，以确保系统在不同工作条件下的动态响应能够保持良好的跟踪性能。
4.根据权利要求2所述的基于自适应指定干扰消除的航空发动机控制系统，其特征在于，所述固定时间扰动观测器基于固定时间扩充状态干扰观测方法，通过扩展状态观测的方式，实现固定时间内对集总干扰的观测和实时估计，得到集总干扰的估计值，固定时间扰动观测器设计具体如下：
5.根据权利要求4所述的基于自适应指定干扰消除的航空发动机控制系统，其特征在于，所述自适应指定干扰消除复合控制器采用基于反步法的两步控制律设计策略，基于所述指令产生器、固定时间扰动观测器的输入信息产生输出控制量u并输出至航空发动机及固定时间扰动观测器，实现航空发动机的自适应指定干扰消除复合控制，其控制律设计包含两步：
6.一种基于自适应...
【专利技术属性】
技术研发人员：熊光环，谭湘敏，曹冠真，洪兴奎，卢新根，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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