[发明专利]航空发动机多变量控制器的综合优化设计方法

说明书

本发明涉及一种航空发动机多变量控制器的综合优化设计方法，该设计方法包括：航空发动机多变量综合优化目标设计方法、航空发动机综合优化约束设计方法以及航空发动机多变量参数优化整定方法。本发明在航空发动机安全限制及性能输出约束下，基于航空发动机整机性能特性和指标需求的综合目标函数优化计算，可以获得使复杂结构航空发动机整机控制品质最优的发动机多变量控制器。

技术领域

本发明属于航空发动机多变量控制方法，具体地说是一种针对复杂结构的航空发动机多变量控制器的综合优化设计方法。

背景技术

航空发动机是一类复杂的多变量非线性系统，被控变量包含了高压转子转速、低压转子转速、涡轮后温度、压气机压力、涡轮落压比、发动机压比等；现阶段的控制系统设计普遍采用单变量控制思路，通过选取主被控变量及其相关度最大的控制变量构建单回路PI或单回路串级PI控制器，并经参数整定选取的合理PI值以满足控制系统的时域、频域控制品质要求。这类单变量方法具有实现形式简单、易于工程实践的优点，但随着航空技术的迭代升级，航空发动机结构越来越复杂，传统单变量方法难以适应复杂结构的航空发动机控制变量数目增多、控制回路耦合特性加剧所带来的控制性能不足的问题，难以实现复杂结构下的航空发动机控制性能最优化；基于单变量控制的参数设计方法也不能对多变量背景下参数整定形成有效的指导意见。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种能解决多变量综合解耦控制性能最优化问题以指导航空发动机多变量控制器参数设计并改善航空发动机整机控制品质的航空发动机多变量控制器的综合优化设计方法。

按照本发明提供的技术方案，所述航空发动机多变量控制器的综合优化设计方法包括：航空发动机多变量综合优化目标设计方法、航空发动机综合优化约束设计方法以及航空发动机多变量参数优化整定方法；

所述航空发动机多变量综合优化目标设计方法包括基于所有控制状态性能的航空发动机整机综合性能目标函数设计；所述航空发动机综合优化约束设计方法包括基于航空发动机安全状态约束及控制回路时域或者频域控制品质约束的全局优化约束集设计；所述多变量参数优化整定方法包括采用对偶-内点法求解航空发动机全局约束集限制下的综合性能目标函数，获取满足各指标约束、综合性能多变量控制参数最终优化整定值。

作为优选，所述航空发动机多变量综合优化目标设计方法具体为：基于航空发动机各控制回路被控状态参数与整机性能关联特性，构建基于被控状态参数的整机计算性能函数，作为多变量控制器设计过程中表征航空发动机综合控制性能的综合性能目标函数。

进一步优选，所述表征航空发动机综合控制性能的综合性能目标函数如下所示：

其中，N1为发动机低压转子转速，N2为高压转子转速，T6为涡轮后温度、EPR为发动机压比、Pit为发动机落压比，Wfm为发动机燃油流量，A8为喷口喉道面积。

作为优选，所述航空发动机综合优化约束设计方法具体为：基于航空发动机安全限制特性以及发动机性能输出特性需求，全面考虑发动机全状态安全限制约束，同时考虑单回路控制性能指标约束，包括发动机全局状态下的各控制回路的带宽或者通带、稳定裕度、波动或者超调量等控制品质约束，构建航空发动机多变量综合优化约束集。

进一步优选，所述航空发动机多变量综合优化约束集如下所示：