[发明专利]涡轴发动机非线性动态逆控制方法及装置

说明书

本发明公开了一种涡轴发动机非线性动态逆控制方法。本发明首次将非线性逆控制方法引入涡轴发动机控制，从而可有效减小直升机机动飞行过程涡轴发动机动力涡轮转速出现的超调与下垂量。本发明进一步利用雅各比矩阵以及序列二次优化算法在线获取能准确表达不同飞行条件下涡轴发动机稳、动态特性的状态变量模型，用于涡轴发动机非线性动态逆控制，提升了非线性动态逆控制器的鲁棒性。本发明还公开了一种涡轴发动机非线性动态逆控制装置。本发明不仅能适用于不同飞行条件下涡轴发动机动力涡轮转速闭环控制，而且可有效减小直升机机动飞行时动力涡轮转速超调与下垂量，实现了涡轴发动机快速响应控制。

技术领域

本发明涉及一种涡轴发动机控制方法，属于航空宇航推进理论与工程中的系统控制与仿真技术领域。

背景技术

直升机以其独特的性能优势，在军事以及民用领域日益发挥着重要的作用。自20世纪50年代开始，涡轴发动机凭借其重量轻、功重比大、振动小、容易操作等突出优点，成为直升机主要的动力装置(可参见文献[Parametric Instability ofFace-gearDrives witha SpurPinion[C]])。涡轴发动机通过动力涡轮，由减速器及传动轴等组成的传动系统驱动旋翼和尾桨(可参见文献[直升机尾传动系统扭转振动建模与特性[J]])。为了满足直升机高性能的要求，新一代直升机必须具备先进的发动机控制系统，发动机控制系统需满足高机动性对发动机功率快速响应的需求以及发动机转速对负载大扰动的抑制能力。

常用的发动机控制手段为总距前馈的串级PID控制方法。该方法设计简单，实际应用强，但存在性能有限、高频、抗扰动和不确定性能力较弱等缺点。在直升机机动飞行时，由于存在由旋翼扭矩测量滞后、发动机控制动态响应等引起的不可忽略的时滞效应，在机动飞行小的时间尺度内这种滞后是必须考虑在控制规律设计中的，而串级PID因不具备预测功能，因此在负载急剧变化时，发动机输出转速会不可避免地出现严重的超调与下垂量，难以实现涡轴发动机快速响应控制。

自逆控制方法诞生以来，在学术界引起了很大反响。动态逆控制方法可以对被控对象的控制变量在全过程进行动态特性处理，以达到期望的特性(可参见文献[AdaptiveInverse Control[M]])。这种控制器可消除系统的非线性因素，在解决非线性问题上，能使非线性和线性兼容，可直接对受控对象的状态方程进行控制律设计。用动态逆方法设计的控制器在设计中避免了大量的调参工作，具有较强的适应性和通用性，有着较好的应用前景(参见文献[基于H∞最优化与层次结构动态逆的非线性飞行控制器设计[J]])。作为非线性控制的一种有效方法，动态逆方法由于其物理概念清晰、适用面宽、应用简单等特点，在工程以及各学科的实际应用中发挥着日益显著的作用。

作为一个强非线性、强耦合系统，难以获得能准确表达涡轴发动机工作特性的数学解析式，而非线性动态逆控制方法需基于准确的系统解析表达式。因此，目前非线性动态逆控制方法尚未在涡轴发动机控制器设计中得到应用。

涡轴发动机是一个复杂系统，其动态性能随着飞行条件的变化而变化。当动态特性发生较大变化时，单一控制器难以满足控制性能要求(参见文献[吴君凤,郭迎清.发动机稳态与过渡态控制集成设计仿真验证[J]])。因此，常规的解决方法是先离线设计不同转速下的控制器，在实际控制过程中通过切换控制器来满足动态性能要求。然而，切换控制器往往会影响系统的稳定性，同时不同控制器之间难以平滑过渡。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种涡轴发动机非线性动态逆控制方法，不仅能适用于不同飞行条件下涡轴发动机动力涡轮转速闭环控制，而且可有效减小直升机机动飞行时动力涡轮转速超调与下垂量，实现了涡轴发动机快速响应控制。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种涡轴发动机非线性动态逆控制方法，利用以下的非线性动态逆控制律对单输入单输出的涡轴发动机进行控制：