[发明专利]一种航空发动机多工况下约束预测控制器的设计及调度方法

说明书

本发明提供了一种航空发动机多工况下约束预测控制器的设计及调度方法，属于航空宇航推进理论与工程中的系统控制与仿真领域。控制系统具有两层，第一层是飞行包线调度层，调度参数为飞行高度和马赫数，采用模糊隶属度方法分配预测控制器的权值，得到当前飞行条件、多个标称工作状态下的控制量；第二层是工作状态调度层，调度参数是转速，对第一层得到的控制量采用线性插值方法，确定当前工况下的最终控制量。进行飞行包线和工作状态区域划分，确定诸多标称工况；根据航空发动机在输入输出约束下达到期望转速的控制目标，设计不同工况下相应的约束预测控制器；设计双层调度逻辑，协调上述多工况处的约束预测控制器，实现非标称工况下的稳态控制。

技术领域

本发明提供了一种航空发动机多工况下约束预测控制器的设计及调度方法，属于航空宇航推进理论与工程中的系统控制与仿真领域。

背景技术

随着航空发动机技术的发展，航空发动机工作条件日益复杂，其控制系统既要保证发动机从一种工作状态平稳快速地过渡到另一种工作状态，又要防止发动机进入超转、超温、失速/喘振等异常状态。为了改善传统的线性PID控制器与Min-Max切换相结合的方法所固有的保守性，预测控制技术因其能够直接处理输入输出约束被应用于发动机控制系统设计，可省略Min-Max切换，简化原控制器结构。然而，考虑航空发动机工作状态多、飞行条件广的特点，仅单一工况下的约束预测控制器很难保证所有情况下的满意效果，根据现有文献，设计满足发动机各种工况控制需求的预测控制器一般有以下几种方法：一是通过系统辨识方法不断修正预测模型使其与航空发动机实际状态相匹配，但是，存在有些工况不满足可辨识条件，有可能使辨识参数恶化；二是在某飞行条件下设计标称约束预测控制器，通过航空发动机相似原理将其他飞行条件的参数换算到设计点条件下，但是，采用常规的相似准则并不一定对所有类型发动机适用；三是将航空发动机的飞行包线和工作状态进行划分，对每个子区域设计标称约束预测控制器，同时设计诸多约束预测控制器间的调度逻辑，这种方法的控制效果在一定程度上依赖于调度方案的合理性。目前为止，没有专利公开多工况下约束预测控制器在全飞行包线、多工作状态下的调度方案。

发明内容

为了保证航空发动机在整个飞行包线、全工作状态下都能达到期望转速，同时不出现超温、超转、失速、喘振等问题，本发明提出一种航空发动机多工况下约束预测控制器的设计及双层调度方法。

本发明一种航空发动机多工况下约束预测控制器的设计及调度方法，控制系统具有两层结构，第一层是飞行包线调度层，调度参数为飞行高度和马赫数，采用模糊隶属度方法分配标称预测控制器的权值，得到当前飞行条件、多个标称工作状态下的控制量；第二层是工作状态调度层，调度参数是转速，对第一层得到的控制量采用线性插值方法，确定当前工况下的最终控制量。

一种航空发动机多工况下约束预测控制器的设计及调度方法，步骤如下：

步骤1.确定航空发动机的标称工况

航空发动机在不同的飞行高度H、马赫数Ma、转速N_f工况下飞行，对应不同的发动机线性动态模型；在飞行包线内选取N₁个标称点，工作状态下选取N₂个标称点，则对应N₁N₂种标称工况，其中工作状态下的标称点从慢车N_f到最大状态N_f之间等间隔选取，飞行包线内标称点确定方法如下：

根据航空发动机工作原理，航空发动机的输出仅为飞行高度H和马赫数Ma的函数，而发动机进口总温T₁和总压P₁又是H和Ma的函数，计算公式如下：

当H≤11km时

当H>11km时