[发明专利]基于改进型Smith预估器的航空发动机H∞控制方法

说明书

本发明提供了基于改进型Smith预估器的航空发动机H∞控制方法，属于航空发动机控制与仿真技术领域。本发明首先针对航空发动机非线性模型建立合理的小偏差线性模型，并选择某工况的状态空间模型数据作为控制器设计的被控对象；选取合适的性能指标加权函数参数，求解出H_∞输出反馈控制器，调节参数至基本达到控制要求；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预估补偿器，构成复合控制器，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采用PID控制律设计的偏差矫正控制器，用于镇定被控对象，利用被控对象与模型输出信号的比较来做出适应性修正，从而进一步增强系统的鲁棒性。

技术领域

本发明提供了基于改进型Smith预估器的航空发动机H∞控制方法，属于航空发动机控制与仿真技术领域。

背景技术

本发明依托背景为某型双轴涡扇发动机非线性部件级数学模型的分布式网络时滞系统的补偿与控制。

航空发动机是一个复杂的多变量控制系统，具有强时变性与强非线性，其工作的可靠性与高效性对飞机的安全飞行至关重要。随着航空发动机控制系统设计要求的不断提高，集中式控制架构难以满足复杂的控制要求。为了进一步提高系统的可靠性、减重以及降低成本，发动机分布式控制架构的应用越来越广泛。航空发动机分布式控制系统中引入了网络，不可避免的会在传感器/执行机构和控制器间引起通信时延，它是一种网络控制系统。相对传统控制系统而言，网络通信技术在控制系统中的应用具有很多优点，但同时也带来了一系列亟待研究和解决的特殊问题，其中网络诱导时延就是系统中存在的最主要的问题之一。时延对控制系统的稳定性和性能有着极大的影响，严重情况下甚至会导致系统的失稳。因此，对航空发动机分布式控制系统中时延补偿策略与控制方法的研究具有重要意义。

目前，国内外对于网络控制系统的分析研究理论严重滞后于其实际应用现状，尤其是网络控制系统的时延补偿与稳定控制等方面。根据现有的文献，国内外研究者针对随机、时变和不确定的网络时延，从多种角度提出了控制方法与解决方案：一是改变控制策略，把网络时延看成广义被控对象的参数，采用智能控制算法，如模糊、神经网络等，但是先进控制算法较为复杂，过多占用网络控制系统中的节点资源，难以在实际应用中实施；二是通过改进通信协议来降低网络时延对系统稳定性的影响，但是，通信协议的制定以及获得国际标准化组织的认可周期很长，难以在短期内得到应用；三是利用现代测控技术，在线测量、估计或辨识网络时延，从而实现对时延的补偿与控制，但是时延预测、估计或辨识数学模型因网络时延的复杂性难以准确建立，无法满足传统 Smith预估器的时延条件。目前为止，没有专利公开改进型Smith预估器与H∞控制律相结合构成复合控制的航空发动机分布式网络时滞系统补偿与控制方法。

发明内容

为了保证航空发动机控制系统的稳定性，以及针对网络控制系统中传感器/ 执行机构和控制器间的通信时延问题，本发明提出基于改进型Smith预估器的航空发动机H∞控制方法。

本发明的技术方案：

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；

基于改进型Smith预估器的航空发动机H∞控制方法，包括以下步骤：

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，首先需要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：