[发明专利]一种航空发动机多工况下约束预测控制器的设计及调度方法

摘要

本发明提供了一种航空发动机多工况下约束预测控制器的设计及调度方法，属于航空宇航推进理论与工程中的系统控制与仿真领域。控制系统具有两层，第一层是飞行包线调度层，调度参数为飞行高度和马赫数，采用模糊隶属度方法分配预测控制器的权值，得到当前飞行条件、多个标称工作状态下的控制量；第二层是工作状态调度层，调度参数是转速，对第一层得到的控制量采用线性插值方法，确定当前工况下的最终控制量。进行飞行包线和工作状态区域划分，确定诸多标称工况；根据航空发动机在输入输出约束下达到期望转速的控制目标，设计不同工况下相应的约束预测控制器；设计双层调度逻辑，协调上述多工况处的约束预测控制器，实现非标称工况下的稳态控制。

主权项

1.一种航空发动机多工况下约束预测控制器的设计及调度方法，其特征在于，步骤如下：步骤1.确定航空发动机的标称工况航空发动机在不同的飞行高度H、马赫数Ma、转速N_f工况下飞行，对应不同的发动机线性动态模型；在飞行包线内选取N₁个标称点，工作状态下选取N₂个标称点，则对应N₁N₂种标称工况，其中工作状态下的标称点从慢车N_f到最大状态N_f之间等间隔选取，飞行包线内标称点确定方法如下：根据航空发动机工作原理，航空发动机的输出仅为飞行高度H和马赫数Ma的函数，而发动机进口总温T₁和总压P₁又是H和Ma的函数，计算公式如下：当H≤11km时当H>11km时因此，发动机线性动态模型和T₁、P₁直接相关，以下式(3)对飞行包线进行划分，其中，T₁₀、P₁₀和T_1x、P_1x分别指飞行包线内标称点和待选点的进口总温和总压，若待选点与标称点的总温和总压的变化量的均方根不超过ε，就认为该待选飞行状态的发动机线性动态模型与标称点的模型相比变化不大，划归为同一子区域，一个子区域具有一个标称点；ε大小的选取直接影响系统的控制效果以及标称点的数量，采用试凑法确定ε：对某一ε值，在子区域的边界位置任意选择状态点进行仿真，若效果满意，则放大ε继续验证，否则，缩小ε继续验证；步骤2.设计N₁N₂种标称工况下的约束预测控制器针对航空发动机控制需求，对常规的线性约束预测控制算法进行改进，以不同方式处理跟踪输出量和约束输出量；将某标称工况处的航空发动机离散状态空间模型作为预测模型：通过增广状态形式，式(4)表达为增广状态形式：由于干扰、部件退化、非线性原因，预测模型和当前发动机状态不完全相同，存在模型失配，引入反馈环节进行修正，定义当前k时刻发动机实际输出y_p(k)与预测模型输出的误差为预测模型输出包括跟踪输出y_t(k)和限制输出y_l(k)，预测校正输出表示为：其中，校正系数h_i,i＝1,2,...,n_y在0‑1之间选择，取h₁＝1，其余h_i<1；航空发动机控制目标是在输入输出约束下调节转速达到期望值，且保证良好的动态品质，性能指标式(7)：其中，y_r(k+j)是发动机跟踪输出量的期望参考轨迹；和分别表示发动机跟踪量以及约束量的预测校正输出；表示待优化控制量的变化值，其权系数λ为正定矩阵；n_y和n_u指预测时域和控制时域；约束条件式中u_max、u_min和Δu_max、Δu_min分别是控制量及其变化速率的最大最小值约束；y_lmax和y_lmin指输出量的最大最小值约束；将公式(4)～(6)带入性能指标式(7)，则构成一个带约束条件的二次规划问题，每个采样时刻，在Matlab中调用二次规划优化函数quadprog进行求解，并将控制序列的第一个量Δu(k)作用于被控对象；步骤3.设计双层调度方法协调N₁N₂个约束预测控制器双层调度方法如下：第一层是飞行包线调度层，调度参数为H和Ma，采用模糊隶属度方法分配N₁个标称预测控制器的权值，得到当前飞行条件、N₂个标称工作状态下的控制量；第二层是工作状态调度层，调度参数是N_f，对第一层得到的控制量采用线性插值方法，确定当前工况下的最终控制量；具体如下：A.飞行包线调度层第一层以(H，Ma)作为调度参数，对于某标称工作状态，定义当前飞行条件为(H_x，Ma_x)，由公式(1)或(2)得到其可测参数(T_1x、P_1x)，标称飞行状态1,2,…,N₁的参数分别表示为相应约束预测控制器的输出量为定义其中，分别表示当前飞行条件与N₁个标称飞行状态点的相近程度，其值越小表明状态越接近；若J₁的值为0，令当前飞行条件处的控制量同理，若均不为0，则令此时W_fx定义为：在飞行包线调度层，非标称飞行条件的控制量将由所有标称约束预测控制器的输出表示，随飞行条件变化，各个标称控制器所占权值逐渐变化，从而使得控制量连续变化；B.工作状态调度层第二层以转速N_f作为调度参数，由飞行包线调度层，得到当前飞行条件下，N₂个标称工作状态下的控制量；对于当前工作状态N_fx，存在N_fk<N_fx<N_f(k+1)，其中N_fk和N_f(k+1)表示与N_fx相邻的第k个和第k+1个标称工作状态；和表示当前飞行条件下第k个和第k+1个标称工作状态下的控制量，工作状态调度层采用的线性插值调度方法为：通过双层调度方法合理调度N₁N₂个标称工况下的约束预测控制器，得到当前飞行条件、工作状态下的控制量u_cmd。