[发明专利]基于改进型Smith预估器的航空发动机H∞控制方法

权利要求书

1.一种基于改进型Smith预估器的航空发动机H∞控制方法，该航空发动机H∞控制方法中采用的控制系统闭环回路中控制器部分包含两个部分，第一部分是采用H∞控制策略设计的控制器，主要完成对航空发动机被控变量的跟踪控制；第二部分是采用改进型Smith预估器的时延补偿策略，解决依据H∞控制策略设计出的航空发动机控制器对时延现象适应能力不足的问题；

其特征在于，步骤如下：

S1.航空发动机某工况下线性模型的获取

发动机模型是控制系统设计的基础，首先对航空发动机非线性模型建立合理的线性模型；基于多变量控制目标，选择高压转子转速和落压比作为被控变量，与被控变量对应的控制量分别为燃油和尾喷管面积；航空发动机在某工况下的小偏差线性模型用以下状态空间方程表示：

其中，Δx＝[Δx₁ Δx₂]^T为状态变量，为对应的状态变量的导数；Δu＝[ΔW_f ΔA₈]^T为控制作用量，ΔW_f表示控制器输出的燃油增量，ΔA₈表示尾喷管面积的增量；Δy＝[ΔN₂ ΔPiT]^T为系统输出量，ΔN₂、ΔPiT分别表示高压转子转速和落压比；A,B,C,D为发动机线性模型参数矩阵；利用Matlab提供的系统辨识工具箱对双轴涡扇发动机非线性模型进行辨识，以获取发动机的小偏离线性模型；

S2.设计针对航空发动机非线性模型的多变量H∞控制器

根据多变量H∞控制器设计原理，选取合适的性能指标加权函数参数，求解H∞输出反馈控制器，调节参数至达到控制要求；进行多变量非线性控制器测试，微调各参数保证涡扇发动机的整体效果，以增强涡扇发动机的多变量控制系统的鲁棒性；

S2.1.选取通过系统辨识获取的小偏差线性模型作为标称模型，飞行包线内其他各点的模型看作是相对于标称模型的摄动；

S2.2.根据发动机控制指标的稳态控制要求、动态控制要求以及鲁棒性要求，选取合适的加权函数，加权函数与控制设计指标的关系描述为如下形式：

其中，为控制系统的灵敏度函数；为系统的补灵敏度函数；用||R(s)||_∞来衡量系统的加性不确定性；W_s(s)为性能加权函数；W_R(s)为控制器输出加权函数；W_T(s)为鲁棒加权函数；G(s)为原被控对象，K(s)为控制器；

S2.3.建立如下形式的增广被控对象：

式中，A，B₁，B₂，C₁，C₂，D₁₁，D₁₂，D₂₁，D₂₂为增广被控对象的模型参数矩阵，u为控制作用量，w为外部干扰，y为系统量测输出信号，z为评价信号，包括跟踪误差、调节误差和执行机构输出；

增广被控对象表示为：

其中，P为增广被控对象，G为原被控对象；W_s、W_R和W_T分别为性能加权函数、控制器输出加权函数、鲁棒加权函数；

S2.4.构成增广被控对象后，根据控制系统指标要求选取合适的参数，进行控制器的求解，得到H∞混合灵敏度控制器；满足H∞混合灵敏度控制问题的性能指标为：

min||T_zw(s)||_∞＜γ₀(H_∞混合灵敏度最优控制问题) (7)

||T_zw(s)||_∞＜γ(H_∞混合灵敏度次优控制问题) (8)

式中：T_zw(s)为系统从外部输入w到被控输出z的闭环传递函数；γ₀,γ为给定值且γ＞min||T_zw(s)||_∞；

把非1的γ归入到各权函数中，则将航空发动机H∞控制器转化为标准H∞控制：

S2.5.搭建基于发动机线性模型的控制系统仿真，调节性能指标加权函数的参数至基本达到控制指标要求，使系统闭环稳定；

S2.6.进行多变量非线性控制器测试，微调各参数保证涡扇发动机的整体效果，以增强涡扇发动机的多变量控制系统的鲁棒性；

S3.设计改进结构的Smith预估器

根据Smith预估器的基本原理，基于采用H∞控制律设计的闭环反馈控制系统，设计改进结构的Smith预估控制器，构成复合控制器，将影响系统稳定性的网络时延的指数项从系统的闭环特征方程中消除，实现对系统网络诱导时延的预估补偿，增强系统的稳定性且不需要对系统时延进行在线测量；针对被控对象的预估模型和参数与其真实模型和参数存在较大偏差，在控制系统中增加一个用于镇定被控对象的控制器，利用被控对象与模型输出信号的比较做出适应性修正，从而进一步增强系统的鲁棒性；

S3.1.根据航空发动机分布式控制系统的典型结构，分析闭环反馈系统的传递函数，进一步分析其闭环特征方程；

闭环传递函数：

闭环特征方程：

其中，Y(s)为系统测量输出信号，R(s)为参考输入信号；K(s)为控制器，G(s)为被控对象；τ_ca和τ_sc分别表示信号从传感器到控制器和从控制器到执行器的网络时延；

S3.2.针对随机、不确定的网络时延预估模型的不准确，在不同位置上增加一些并联或串联的环节进行补偿，在一定条件下，使得其闭环特征方程中不再包含网络时延的指数项；

S3.3.针对被控对象的预估模型和参数与其真实模型和参数存在较大偏差，把被控对象和模型之间的差别看作是增益的误差，利用被控对象与模型输出信号的比较来对模型增益做出适应性修正，设计现场偏差矫正控制器，用于镇定被控对象，从而改善控制性能质量；

S3.4.进行航空发动机时延系统的复合控制器测试，微调各参数保证发动机的转速跟踪控制效果，以增强发动机的多变量控制系统的鲁棒性以及针对时延的补偿的有效性。

2.根据权利要求1所述的基于改进型Smith预估器的航空发动机H∞控制方法，其特征在于，航空发动机某工况下线性模型的获取的步骤如下：

S1.1.将某型双轴涡扇发动机在闭环控制作用下得到的燃油流量、尾喷管面积数据以及相对应的高压转子转速、落压比数据进行保存；

S1.2.将保存的燃油流量和尾喷管面积作为发动机非线性部件级仿真模型的输入，同时给定阶跃信号作为激励信号，得到发动机的输出，相关输出参数经过数据处理后作为系统辨识的输入输出数据；

S1.3.基于Matlab系统辨识工具箱，导入输入输出数据，设置数据名称、开始时间和采样间隔，然后去除均值、选择有效输入输出数据范围，选择模型以及辨识方法对目标系统进行辨识；

S1.4.分析系统辨识误差并验证所获取的模型，并选出最符合系统特性的模型。