[发明专利]一种航空电动燃油泵执行机构故障容错控制器设计方法

说明书

本发明公开了一种航空电动燃油泵执行机构故障容错控制器设计方法，建立了电动燃油泵的数学模型。针对一类由外啮合齿轮泵及无刷直流电机直连的电动泵系统，完成了整个系统的数学描述。并对齿轮泵中端面泄漏及径向泄漏进行分析和建模，将其影响等效为系统的不确定性及干扰，令航空电动燃油泵控制问题转化为一类含有不匹配不确定性的系统鲁棒控制问题。本发明方法能够无抖振的在线估计执行机构故障，无需滤波处理，避免了观测结果的相位滞后。这一特点使得该容错控制系统在处理执行机构故障，尤其是时变型故障时，能够取得更好的容错控制效果。

技术领域

本发明属于航空推进技术领域，具体指代一种航空电动燃油泵执行机构故障容错控制器设计方法。

背景技术

由于齿轮泵转速与发动机转速直接相关，因此在某些飞行状态下，齿轮泵提供的燃油量远高于发动机所需燃油量，需回油系统将多余燃油送回油箱。采用电力驱动的电动燃油泵系统成为多电发动机的核心部件。采用分布式控制器、电力作动器的电动燃油泵系统能够精简附件机匣，将液压驱动和齿轮箱驱动部件更换为分布式机电一体化作动器，有效提高系统的运行效率和稳定性。

主发动机通过附件机匣，或直接与内置式起动/发电机连接，为电动燃油泵及FADEC(Full Authority Digital Engine Controller，全权限数字电子控制器)，由FADEC依据发动机工况控制电动燃油泵转速。转速可变使得定量泵能够按需定量供油，避免了回油。

由于避免了回油，电动泵系统中的冷却系统得以简化，使得一系列损害发动机效率的部件得以移除，如ACOC(Air-Cooled Oil Cooler)。同时，电动泵控制采用转速闭环控制，移除了燃油计量单元(Fuel Measure Unit,FMU)，进一步简化结构。因此，电机驱动的电动燃油泵既可以保留定量泵的高效，又可以控制燃油流量，避免回油。

目前传统AGB驱动燃油系统向高效率低回油AGB驱动燃油系统过渡，并最终向分布式电力驱动燃油系统发展。

传统燃油泵存在燃油计量单元，使得燃油泵的供油误差在5％左右。然而，电动燃油泵系统中移除了燃油计量单元，取消了燃油流量负反馈，使得燃油流量完全由转速决定。转速闭环控制的精确度直接影响到燃油流量的精确度。对转速的误差一般要求小于0.5％。这无疑对电动泵转速控制提出了更高的要求。且航空发动机为一类复杂非线性强耦合热力系统，工作在高压高转高载荷工况下，系统易出现扰动。且未建模动态等又容易因此系统模型的参数摄动。因此，对控制器的鲁棒性提出了新要求。

此外，电动泵需根据FADEC燃油指令信号实时地在大范围内调节转速，以按需提供燃油流量。这要求控制器在稳态和大范围内的动态都有良好响应。即从停车到最大工况范围的良好控制效果。

滑模控制(sliding mode control,SMC)也叫变结构控制，本质上是一类特殊的非线性控制，且非线性表现为控制的不连续性。这种控制策略与其他控制的不同之处在于系统的“结构”并不固定，而是可以在动态过程中，根据系统当前的状态(如偏差及其各阶导数等)有目的地不断变化，迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动。由于滑动模态可以进行设计且与对象参数及扰动无关，这就使得滑模控制具有快速响应、对应参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识、物理实现简单等优点。容错控制(Fault Tolerant Control,FTC)发展至今只有几十年的历史，是一门新兴交叉学科。容错控制是指当控制系统发生故障时，能基于系统现有信息，自动地对补偿故障对系统带来的影响，能够保证系统稳定，并具有一定性能。尽可能地保证故障系统的能力。现代控制理论研究的对象和系统正朝着大规模复杂化的方向发展，如航空、航天领域和核设施方面。此类系统一旦发生故障，不能及时进行容错控制，将导致灾难性的人员和财产损失。如美国运载火箭“大力神”、“雅典娜”发生了多次发射失败，造成30亿美元的经济损失。此类系统的特殊要求是这门学科迅速发展的一个最重要的动力来源。人们迫切需要提供系统的可靠性。基于解析冗余技术的容错控制为提供系统可靠性、鲁棒性开辟了新的道路。