[发明专利]一种航空发动机非线性系统控制器设计方法

摘要

本发明航空发动机非线性系统控制器设计方法针对航空发动机仿射非线性系统在大偏差范围内的控制问题，首先基于精确线性化理论将航空发动机非线性系统模型线性化，再采用滑模变结构策略，设计非线性滑模控制器，利用线性化后的状态变量有目的地改变控制结构，使线性化后的状态向量根据设计的滑模轨迹运动，以抵消参数摄动和外干扰影响。最后针对关键的非线性控制器参数设计问题，采用人工蜂群算法整定控制参数，求出最优参数使控制效果最优。本发明针对复杂的控制器参数设计问题，无需繁琐的手动调试和反复验证，利用人工蜂群算法设计合理的目标性能函数，均能自动求解最优的控制器参数，使航空发动机非线性控制系统有满意的动态性能和鲁棒稳定性。

主权项

一种航空发动机非线性系统控制器设计方法，其特征在于：包括如下步骤步骤1)，建立航空发动机非线性状态变量模型，用如下公式表示：其中，系统方程对输入u是线性的，x是n维状态向量，f(x)是光滑的n维向量函数，f＝[f1,...,fn]T，B(x)为n×m阶函数矩阵，B＝[b1,...,bm]，u为m维控制向量，d(t)＝Dg(t)为n维干扰向量d(t)为外干扰，且满足干扰匹配条件：rank(B,d)＝rank(B)    (2)步骤2)，基于精确线性化理论将步骤1)中的非线性模型精确线性化；步骤3)，针对步骤2)中线性化后的模型设计滑模变结构控制器，迫使新的状态变量根据设计的滑动模态轨迹运动，以抵消系统的参数摄动和外干扰的影响；步骤4)，采用多个状态变量的的误差积分加权和的形式设计控制系统的目标性能函数，针对该目标性能函数，采用人工蜂群算法来整定非线性滑模控制器参数；所述步骤1)中建立航空发动机非线性状态变量模型的步骤如下：步骤1.1)，根据航空发动机气动热力学特性和典型的部件特性数据建立发动机非线性状态空间模型；步骤1.2)，利用传感器采集到的干扰值得到该模型的干扰向量；所述步骤2)中求解精确线性化模型的步骤如下：引入m维向量方程h＝h(x)，h＝[h1,...hm]T，则hi(1≤i≤m)沿着系统(1)的导数为其中，是hi的雅克比矩阵，Ldhi是hi关于d的李导数，计算公式为若由匹配条件(2)，一定有Ldhi＝0，且得出结论：只要则此时，hi沿着系统(1)的二阶导数表示为：如果存在如果存在最小的整数ri，使得且存在j使得则系统(1)具有相对阶{r1,...,rm}以及总相对阶r＝r1+...+rm；当系统具有相对阶{r1,...,rm}时，对每一个hi，有：式(7)中的输入u的系数矩阵，也称为解耦矩阵，表示如下：设和作非线性变换：以及输入变换：u＝E‑1(x)[v‑P(x)‑Q(x)]     (10)则原系统可化为:和是转化后的第二子系统中对应的光滑向量函数；其中，且ζ的分别为r维和n‑r维状态向量，只有当系统总相对阶r和系统状态向量维数n相等时，ζ不存在，原非线性系统(1)精确线性化为：