[发明专利]控制方法、装置及航空发动机限制保护控制方法、装置

说明书

本发明公开了一种控制方法，对现有紧格式无模型自适应控制方法进行改进，通过在输入准则函数中增加误差变化率，使得控制系统对偏差变化能够提前响应，提高了控制系统的鲁棒性。本发明还公开了一种控制装置以及一种航空发动机限制保护控制方法、装置。本发明控制方法可提高控制响应速度，而本发明航空发动机限制保护控制方法、装置能够使航空发动机限制量在3s内回到限制值内，且无震荡，最大超限小于3%；另外总体控制结构采用的是把超过限制的偏差转化为对主回路控制器参考指令修正的间接限制结构，故可以避免直接限制结构中产生的极限环问题和控制器来回切换。

技术领域

本发明涉及一种控制方法，尤其涉及一种改进无模型自适应控制方法及其在航空发动机控制中的应用。

背景技术

航空发动机控制系统设计旨在使发动机可在任何工况下安全稳定可靠地运行。一般在控制系统设计过程中，通过制定发动机加速和减速计划能够使其不进入喘振、失速以及熄火等非正常工作状态。但是若出现诸如发动机性能退化、故障、发动机执行机构响应时间过慢以及由人为因素引起的误操作等情况时，发动机的低压转子转速、压气机出口静压以及低压涡轮排气温度可能会超过其限制值，上述四个发动机参数中任意一个超过其限制值时，均会对发动机结构产生损伤。发动机低压转子超转时间过长会导致叶片折断或者压气机以及涡轮轮盘出现裂纹，压气机出口静压长时间超过限制会引起发动机燃烧套筒破裂，最后涡轮排气温度较长时间在限制值之上，可能导致涡轮叶片受到热应力的影响，产生高温蠕变和烧蚀等现象。为避免上述情况的发生，设计人员通过附加强制性的限制值，使得发动机工作在安全限制范围内，以确保飞行安全。

目前，在航空发动机限制保护控制设计方面，国内外学者已经开展了一系列研究。传统的超限保护控制由两种结构：1)间接限制结构：将超限量转化为对主控制回路指令的调整，设计从限制量到主回路指令调整的控制器，通过降低主控制回路的指令信号将超出最大限制的变量调整回限制值，如果是最小值限制则增大主控制回路的指令信号；2)直接限制结构：对限制控制回路单独设计控制器，将限制控制回路输出的燃油指令和主控制回路的燃油指令进行低选避免超出最大限制，同样通过高选避免超出最小值限制。除了这两种控制结构外，近年来还新兴了一种基于模型预测控制方法的超限保护控制，将限制值作为模型预测控制的约束，通过优化获得不超出限制值的控制量输出。北京航空航天大学的王曦针对直接限制结构，基于微型涡喷发动机采用传统的基于增益调度的PI控制进行超限保护控制器设计，此外还基于大涵道比民用涡扇发动机，针对间接限制结构采用一种高回路稳态增益的滞后-超前频域校正设计了航空发动机的超限保护控制器。美国Cleveland大学的Hanz Richter和NASA Glenn研究中心的Jonathan S.Litt针对直接限制结构，利用一种基于混合H₂/H_∞框架的滑模控制方法设计限制保护控制器，改善了基于传统高低选策略设计发动机限制保护控制器时，发动机性能难以得到充分发挥的问题。Kolmanovsky等人也针对直接限制结构，利用非线性系统理论以及预测控制来进行航空发动机限制保护控制器设计。

对于采取直接限制结构的控制，需要单独设计限制控制器，主控制器和限制控制器直接限制量的切换会对系统的稳定性带来不利的影响。而间接限制方式，通过改变主控制回路的指令来实现限制目标，而指令的变化不影响系统的稳定性。

间接限制时，以传统PI控制设计从超限量到主回路指令调整的保护控制器时，单组PI参数无法，需要进行增益调度，而性能退化等不确定性因素对发动机性能有较大影响，增加了参数调度的困难。而利用现代控制理论进行超限控制器设计，需要先基于受控系统建立线性模型，而基于有限工作点设计的控制器同样会受到发动机不确定性的影响。此外，基于现代控制理论设计的超限控制器，其参数调整相比数据驱动的无模型控制算法更为困难，不利于工程实践中的现场调整。无模型自适应控制是一种数据驱动的控制算法，自1994年提出以来，在电机、化工、机械等领域均有成功的应用。