[发明专利]一种航空发动机宽范围模型预测控制方法

权利要求书

1.一种航空发动机宽范围模型预测控制方法，其特征在于，该控制方法设计的控制器为三层嵌套组合形式，最底层的控制器为单点多变量控制器，其能够在折合转速点附近控制发动机状态；第二层控制器为标称点控制器，通过设计的折合转速调度方案，能够在选取的控制区域所确定的高度马赫数标称点附近控制发动机状态；顶层控制器即为设计的宽范围MPC控制器，通过标称点控制器调度方案能够根据进口高度，进口马赫数以及当前发动机低压轴折合转速来确定发动机控制量，整个飞行包线控制区域内的发动机状态控制。

2.根据权利要求1所述的一种航空发动机宽范围模型预测控制方法，其特征在于，在单点多变量控制器设计时，将发动机输出量分为跟踪输出量y_t和限制输出量y_l分别进行计算。最终制定的发动机性能指标为：

式中，ΔPy_r(k+j)是从当前时刻起未来j步的参考轨迹，对应发动机的跟踪输出量归一化增量的期望响应轨迹；ΔPy_t(k+j)和ΔPy_lCOR(k+j)分别表示当前时刻起未来j步跟踪输出量归一化增量以及反馈校正后限制输出量归一化增量；ΔPu(k+i)表示从当前时刻起未来i步的预测控制量的归一化增量，其权系数λ为正定矩阵，求和符号上的n_p和n_C分别表示预测时域和控制时域，通常来说，n_p≥n_c。约束条件中，ΔPu_min和ΔPu_max分别表示控制量归一化增量的最大和最小值限制，用于表征实际执行机构极限位置，和表示控制量归一化变化速率的最大和最小值限制，用于表征实际执行机构变化速率的限制；ΔPy_lmin和ΔPy_lmax代表限制输出量归一化增量的最大最小值限制。

3.根据权利要求1所述的一种航空发动机宽范围模型预测控制方法，其特征在于，在单点多变量控制器设计时，采取一种根据设定值r和输出测量值确定参考轨迹的方法，其可表示为如下的指数形式：ΔPy_r(k+j)＝α^jΔPy_t(k)+(1-α^j)ΔP_r，式中，T_s为采样周期，T为参考轨迹的时间常数，ΔPr为设定值的归一化增量。在每个采样时刻，构成了ΔPY_r(k)＝[ΔPy_r(k+1) ΔPy_r(k+2) … ΔPy_r(k+n_p)]^T形式的期望轨迹，其组成元素每个时刻随着ΔPy_t(k)更新。

4.根据权利要求1所述的一种航空发动机宽范围模型预测控制方法，其特征在于，在第二层控制器即标称点控制器中设计了折合转速调度方案。采用当前转速作为调度量，目标是在相邻的两个控制器之间切换时，控制器的输出变量不出现不连续的变化。对于一个工作点而言，其转速若位n_i-n_i+1折合转速之间，则控制器最终输出的值是n_i控制器和n_i+1控制器输出值插值之后的值。其公式如下所示：

式中，W_{f_cmd}是分段控制器最终输出的控制量，其大小根据当前转速N_l和相邻控制器的设计点转速的插值乘以两个控制器的当前输出控制量得到。