面向多重并发故障的航空发动机控制系统主动容错控制研究

Aiming at fulfilling the practical needs for the advanced control technique of the high-performance aircraft engines, this project investigates the performance degradation problem of the fault tolerant systems of the aero-engines under both sensor and actuator faults in the FADEC systems, which is generated by the multi-concurrent faults, couple effect as well as the disturbance and model uncertainty. Using the advanced fault estimation and active fault tolerant control theory and technique, this project studies the fault estimation of not only bias, but also drift and performance degrading of the sensors and the actuators in the FADEC system with high efficiency and accuracy. Moreover, an active fault tolerant control scheme is developed to improve the control and smooth transient performance. First, a set-invariant and LFT theory based fault decouple estimation scheme of the multi simultaneous sensor and actuator fault in the multiple modes dynamic systems is proposed. Then employing the fuzzy method and optimization method, a bumpless active fault tolerant control scheme based on the virtual sensor and virtual actuator of the multi modes dynamic systems is developed, and the sufficient condition is provided to conserve the stability of the control system. Finally, both numerical simulation and hard-in-loop experiment methods are utilized to validate the effectiveness of the proposed strategies. This project will provide an original applicable control scheme to meet both safety and performance requirement under the fault situation, which ensure the safety, accommodation, and dispatchability of the aircraft.

本项目旨在面向某型高性能涡扇发动机控制系统的实际需求，针对发动机多模态运行中控制系统传感器及执行机构故障的多重并发性与耦合性，以及扰动与模型不确定性所导致的容错控制系统性能下降的问题，借助先进的故障估计与主动容错控制理论与方法，实时、准确地估计控制系统传感器与执行机构的偏置、漂移和性能衰变等非失效性故障，设计高品质、具有瞬态平滑过渡特性的主动容错控制策略。研究内容包括：首先，基于集合不变性理论和LFT方法，实现多模态动态系统传感器与执行机构多重并发故障解耦估计；其次，通过模糊方法与优化方法，实现基于虚拟传感器与虚拟执行器的具有瞬态平滑过渡特性的多模态动态系统主动容错控制策略，并给出保证控制系统稳定性的充分条件；最后，开展全数字仿真和硬件在回路试验验证。本项目拟实现故障情况下航空发动机安全与性能的双保障，以满足飞机在复杂工况下对安全性、适应性、可派遣性的要求。

本项目旨在面向某型高性能涡扇发动机控制系统的实际需求，针对发动机多模态运行中控制系统传感器及执行机构故障的多重并发性与耦合性，以及扰动与模型不确定性所导致的容错控制系统性能下降的问题，借助先进的故障估计与主动容错控制理论与方法，实时、准确地估计控制系统传感器与执行机构的偏置、漂移和性能衰变等非失效性故障，设计高品质、具有瞬态平滑过渡特性的主动容错控制策略。本项目形成了基于集合不变性理论和LFT的多模态动态系统传感器及执行机构多重并发故障估计方法，提出了具有瞬态平滑过渡特性的多模态动态系统主动容错控制策略，并建立故障估计与主动容错控制的综合设计框架。试验验证表明，所提方法故障估计误差≤5%；主动容错控制稳态误差≤1%，超调量≤1%，并满足实时性要求；开发了适用于航空发动机工程应用的控制软件，并在大连理工大学HIL平台和某型小型涡喷发动机试车平台上进行验证。本项目执行期内，发表论文14篇，其中SCI论文7篇，EI论文4篇，中文核心期刊3篇。授权国内发明专利20项（含成果转化1项），授权美国发明专利7项，授权软件著作权4项。协助培养博士研究生2名；培养硕士研究生6名。基于本项目研究成果，完成成果转化1项，获批国家重大专项课题1项，横向项目4项。项目成果实现故障情况下航空发动机安全与性能的双保障，提高运行的稳定性与可靠性，以满足飞机在复杂工况下对安全性、适应性、可派遣性的要求。