滑模变结构控制技术在航空发动机分布式控制系统中应用的基础问题研究

Distributed control, as the future trend of development of the aeroengine control system, has a great advantage for reducing the weight of the control system to enhance engine performance and reliability. However, the aeroengine distributed control system has the nonlinear characteristic such as time delay and packet dropout. The trational methods have some localizations when solving these strong nonlinear problems. Combining the advatage of strong robustness of sliding mode control，the approach movement decomposition and constraint theory and linear matrix inequality method are applied to study the mechanism and method of sliding mode control under network environment. And the idea and method of sliding mode predictive control, sliding mode optimal control, T-S fuzzy theory and Lyaponov stability analysis are utilizied comprehensively to solve the problom of time delay, packet dropout and full envelope curve control of distributed control system. Combination of simulation and digital simulation of distributed control system of real engine, the proposed approch is validated. The research contents and expected achievement of the projet will provide new method and idea, which could solve some basic probloms in the theory and application of aeroengine distributed control system. And it is also a application fundamental reseach subject with important theoretical significance and engineering application value.

分布式控制技术作为未来航空发动机控制系统发展方向，对于提升发动机性能，增强可靠性，降低研制成本和减轻重量，具有巨大的优越性。然而，航空发动机分布式控制系统由于存在时延、数据丢包等非线性特点，传统的控制理论和方法在处理这些问题时存在一些局限性。本项目利用滑模变结构控制具有强鲁棒性的优点，应用趋近运动分解约束理论和线性矩阵不等式法，研究网络环境下滑模控制的抖振机理和削抖方法；综合应用预测滑模控制、最优滑模控制、T-S模糊理论、李亚普诺夫稳定性分析等思想和方法，开展分布式控制系统时延、丢包和全包线控制问题研究，并结合数字仿真和航空发动机分布式控制系统试验，对所提理论方法进行验证。项目研究内容和预期成果将为解决航空发动机分布式控制系统理论和应用方面存在的一些基础问题，提供新方法和新思路，同时也是一项具有重要理论意义和工程应用价值的研究课题。

分布式控制目前已成为航空发动机控制系统的重要发展方向，但由于其数据是通过总线网络进行传输，因此网络诱导时延、数据丢包、通信受限等问题成为制约其发展和广泛应用的主要因素。项目基于滑模变结构控制理论，深入研究了存在时延、丢包、通讯受限等问题的航空发动机分布式控制系统稳定性分析及控制器设计问题。首先，研究了滑模控制抖振的产生机理，提出了时延、丢包条件下的滑模消抖控制技术，解决了基于趋近律的变结构控制系统抖振抑制问题；其次，采用自适应滑模和预测滑模两种控制方法，提出了随机长时延航空发动机分布式控制系统的自适应鲁棒滑模控制理论与预测滑模补偿控制理论，解决了存在时延的航空发动机分布式控制系统变结构控制问题；随后，采用丢包补偿控制方法，提出了针对双通道丢包分布式控制系统的丢包补偿滑模面设计技术与多包传输策略下的鲁棒丢包补偿器设计技术，解决了存在被动数据丢包的航空发动机分布式控制系统变结构控制问题，同时，采用分段自适应滑模控制策略，提出了基于MEF-TOD调度的网络参数与滑模控制协同设计方法，解决了通信受限条件下航空发动机分布式控制系统的主动丢包控制问题；进而，采用航空发动机T-S模糊模型的方法，提出了一种新的鲁棒自适应滑模控制算法，解决了航空发动机分布式控制系统的全包线变结构控制问题，提前圆满完成了预期研究目标；此后，课题组对研究内容继续深挖拓展，采用自适应滑模观测器方法，解决了分布式控制系统的多传感器故障逻辑判断与隔离问题以及传感器与执行器复合故障条件下的容错控制问题；最后，为使项目理论成果能够得到更好的检验并具有更大的应用价值，项目研制了基于涡轮起动机的航空发动机分布式控制系统半物理在回路仿真试验平台，用于完成对滑模控制理论的半物理在回路仿真验证。项目研究成果对进一步推进航空发动机分布式控制的实质性进步具有重要意义，为解决航空发动机以及其他工业控制领域的分布式控制系统时延、丢包、通讯受限等问题提供了重要的理论与方法支持。项目研究期间发表期刊论文14篇，其中SCI检索论文8篇，EI检索论文4篇，3人两次参加国际学术会议并受邀做会议分组报告,2篇论文被评为中国航空学会年会优秀论文。项目组1人由讲师晋升为副教授，培养博士生5名，其中1名已毕业并取得博士学位，4名在读。培养硕士生3名，其中2名已毕业并取得硕士学位，1名在读。