基于模型的航空发动机多变量综合控制系统设计方法研究

With the development of aviation engine technology, Model-based multi-variable control can provide many intelligent controls such as fault tolerant control, advanced modes control, direct propulsion control etc.. As a consequence, it has become a trend in the field of aircraft engine controls. However, due to historical reasons, there is no significant progress in design of multi-variable control system for both civil and military engines in China. This project aims to establish nonlinear modeling of aircraft engines over a large flight envelope with accuracy and realtime performance, which is achieved through a thorough analysis of realtime modeling techniques. Based on the nonlinear models, model-based design for aero-engine multi-variable integrated control system is studied. According to the problem in design of aero-engine multi-variable control system, some studied will be focused on: the aero-engine real-time modeling technique, how controller design integrate flight missions effectively , research on system design method of aeroengine multivariable control research, control system architecture which syncretizes linear control theory. Combination of numerical simulation and semi-physical experiment of the multi-variable control system of the engine, prososed approach is validated. The anticipated results has scientific significance for the practical application of the future multi-variable control system.

随着航空发动机技术的发展，基于模型的多变量控制因其可以实现容错控制、先进控制模态、直接推力控制以及其它智能控制，成为近年来航空发动机控制领域的一个重要研究趋势。我国由于历史原因，在军、民机领域均未能开展航空发动机多变量综合控制的实质性研究。本课题通过对航空发动机实时建模技术的深入分析和对比，获得在较大飞行包线范围内适用，既满足准确性又满足实时性要求的实时建模技术；以此非线性模型为基础，开展基于模型的航空发动机多变量综合控制设计方法的研究。针对航空发动机多变量控制系统设计中存在的问题，拟开展航空发动机实时建模技术、控制器设计中如何有效综合飞行任务，航空发动机多变量控制系统设计方法研究，以及包容线性控制理论的控制系统架构设计问题研究。提出解决这些问题的新方法和新技术，结合数值仿真和航空发动机多变量控制系统半物理试验，对所提理论方法进行验证。

项目重点研究了基于模型的航空发动机多变量控制设计方法。主要研究内容包括航空发动机非线性自适应模型、多变量综合控制设计方法两部分内容。在航空发动机非线性自适应模型方面，首先针对现有部件法模型非线性代数方程组的迭代求解导致计算量大、实时性较差的问题，通过降低热力循环计算时间、减少热力循环的计算次数、动态模型简化、简化迭代方法等手段，有效保持了发动机的非线性特性，并提高了计算的实时性；其次在模型的自适应修正中，利用相似理论将状态空间模型按相似条件分块的方法，通过归一化和对时间进行相似化等处理，使在全包线上所有相似点均具备相同的状态空间矩阵，利用卡尔曼估计器对各估计回路的解耦特性，在新息更新中引入输出误差积分环节，使发动机自适应模型具有大范围无静差参数跟踪能力。针对某型涡扇发动机，对所建立的发动机自适应模型进行了仿真，并与试验数据进行对比验证，仿真结果的各性能参数跟随性好。在基于模型的航空发动机多变量综合控制设计方法方面，着重研究了LPV/LFT系统的鲁棒性和鲁棒增益调度控制综合问题，给出了控制器的存在条件、构造公式以及LMI求解；为了分散在整个参数空间求解单一控制器的计算复杂度，将参数空间划分成了多个参数子空间，使每个子空间中具有合适的计算复杂度。在控制器LMI的求解中，为了求解无限维的LMI约束，利用基函数集张成的空间对控制器解空间进行了逼近，化无限维约束为有限维约束以便于LMI求解；而基函数选取的不同，求解的控制器也有所差异，通过对基函数的优化，改善了闭环控制效果、扩大了控制器的适用范围；此外，结合所建立发动机模型，重点研究了过渡态控制规律的设计，给出了一种新的过渡态控制规律设计方法，最终完成了航空发动机控制综合，实现了航空涡扇发动机多变量控制。