航空发动机线性变参数建模方法研究

针对航空发动机增益调度控制技术使用的线性变参数(Linear Parameter Varying-LPV)模型,研究了两种LPV建模方法—雅克比和基于变化率方法。建立了涡扇发动机准LPV模型,进行了动态仿真验证。结果表明,与非线性模型相比,所建立的准LPV模型具有较好的动态性能,为航空发动机LPV增益控制研究提供了保证。     

航空涡扇发动机全包线平衡流形建模

根据航空发动机相似工作状态原理和非线性系统平衡流形建模原理,提出一种适用于全飞行包线发动机性能仿真的换算平衡流形模型.首先,根据发动机各状态量的换算参数,对航空发动机平衡流形的概念进一步推广,提出换算平衡流形概念.然后,选取高压转子换算转速和飞行马赫数定义二维调度变量,对全包线发动机参量换算平衡流形进行拟合;并在换算参...     

基于多入多出平衡流形展开模型的涡扇发动机反馈线性化滑模控制

针对涡扇发动机内部状态大范围变化条件下,单点线性控制器控制效果不佳而线性变参数控制器求解困难的问题,提出了一种基于多入多出平衡流形展开模型的涡扇发动机反馈线性化滑模变结构控制。首先,采用多入多出平衡流形展开模型辨识技术,获得仿射型的涡扇发动机数学模型。随后,利用反馈线性化将平衡流形展开模型解耦,经过坐标变换获得可用于控制系统设计的线性结果,考虑了具有误差项和饱和函数的指数趋近滑模控制律来提高控制系统的鲁棒性,完成了基于平衡流形展开模型的多变量涡扇发动机反馈线性化滑模控制器设计。最后,在非线性部件级模型上开展了控制器验证。在平衡流形展开模型设计工况,增益控制和滑模控制的控制效果表明,基于平衡流形展开模型的反馈线性化方法能够获得涡扇发动机良好的控制效果。同时,在平衡流形展开模型稳定但精度无法保证的非设计飞行工况,反馈线性化滑模控制器能够进一步抑制不确定性的影响,保证转子转速和发动机压比的跟踪控制效果。     

基于保护映射理论的航空发动机LPV/PI 控制

针对具有强非线性特性的航空发动机控制问题,将基于保护映射(Guardian Maps,GM)理论的控制方法应用于航空发动机控制系统设计中。基于某型涡扇发动机非线性模型建立了线性变参数(Linear Parameter Varying,LPV)模型;根据保护映射理论设计不同调度参数下的PI(Proportion Integration)控制器,在设计过程中,只需通过给定的初始控制器就可以自动得到满足性能要求的控制器参数集合,避免了在多个平衡点进行控制器设计;以非线性模型为被控对象,采用积分分离PI控制,在飞行包线内的不同工作点进行仿真验证。结果表明:基于保护映射理论的控制方法在解决航空发动机控制系统的非线性问题时具有显著效果。     

基于多项式平方和规划的航空发动机鲁棒LPV/PI控制

针对航空发动机常规(proportion integration,PI)控制器设计过程中难以保证鲁棒性及参数适应性差等问题,提出了一种基于线性变参数(linear parameter varying,LPV)模型及多项式平方和(sum of squares,SOS)规划的控制器设计方法.结合传递函数模型下的鲁棒稳定条件及弱对偶定理给出了多项式描述的LPV模型鲁棒稳定条件,并转化为便于求解的SOS规划问题.根据发动机非线性模型获取不同转速下的传递函数模型,并利用多项式拟合的方法建立发动机LPV模型.根据所提出的定理构造出SOS规划问题,并求解得出LPV/PI控制器.最终以某型双轴涡扇发动机为被控对象,在包线内不同点进行了阶跃仿真,结果表明:高压转子转速控制系统的稳态误差为0,调节时间小于3s.      

基于平衡流形展开模型的航空发动机健康参数估计

为提高航空发动机健康参数实时估计的精度,结合非线性卡尔曼滤波器从底层模型方面进行改进。以航空发动机部件 级模型为基础,提取运行数据,采用线性拟合法求解系数矩阵,建立传统状态空间模型;采用BP神经网络拟合调度参数,建立设计 点处包含健康因子的平衡流形展开（EME）模型。基于EME模型分别采用扩展卡尔曼滤波器和无迹卡尔曼滤波器进行多种参数 退化模式下的数值仿真估计。仿真结果表明：得益于EME模型对非线性系统的良好近似性,各参数退化模式下的估计结果准确, 稳态误差不超过3%;与采用部件级模型作为底层模型的方案相比,该方案的估计速度提升了1个量级。验证了基于航空发动机 EME模型结合非线性卡尔曼滤波器进行健康参数估计方法的实际可行性。     

一种航空发动机的分段实时线性动态模型

针对喷口不可调涡扇发动机实时线性动态模型的建立问题,提出了一种基于粒子群优化算法小偏差状态空间模型的方法.选取高压转子换算转速为增益调度参数,根据发动机相似原理,建立了发动机全飞行包线分段实时线性模型.全飞行包线内所提出的分段实时线性模型与非线性模型仿真对比结果表明:涡扇发动机高压压气机出口总压、低压涡轮出口温度、高压转子转速和低压转子转速的最大相对误差不超过3.5%,仿真结果验证了该方法的有效性.      

航空发动机增益调度控制的多项式平方和规划方法

针对现有的线性变参数(linear parameter varying,LPV)控制器设计方法都是关于仿射参数依赖系统而没有专门针对多项式描述的LPV系统这一现状,提出了一种基于多项式平方和(sum of squares,SOS)规划的增益调度控制设计方法,并将其用于转速大范围变化时的航空发动机高压转子转速及压比控制.根据发动机非线性模型获取不同转速下的状态空间模型,并利用多项式拟合的方法建立发动机线性变参数模型.给出能够保证无静差的增益调度控制结构,利用有界实定理和多项式平方和理论推导出能够保证闭环系统鲁棒稳定的SOS约束条件,并形成控制器求解的SOS规划问题,通过求解获得多项式描述的增益调度控制器.分别以LPV模型和发动机非线性模型为对象做阶跃仿真,结果表明:高压转子转速/发动机压比控制系统的调节时间在2s以内,稳态误差不超过0.1%.      

涡扇发动机早期退化性能的线性变参数估计

针对涡扇发动机线性变参数(Linear parameter varying,LPV)模型,给出了一种新的早期退化航空发动机部件性能LPV滤波器设计方法.该方法采用仿射依赖于参数的二次Lyapunov函数,在仿射二次稳定性的基础上,引入多凸性引理将滤波器求解问题转化为线性矩阵不等式(Linear matrix inequalities,LMI)约束下的凸优化问题,避免了求解参数化线性矩阵不等式(Parameterized linear matrix inequalities,PLMI)约束下的优化问题.针对某型早期退化涡扇发动机的仿真表明,该方法能以较高精度估计性能退化参数,且鲁棒性强,增益调度简单,具有一定的工程意义.      

基于LPV状态空间模型的小型航空煤油二冲程发动机喷油控制策略

为了简化基于平均值模型的喷油控制模型的计算,根据线性变参数(LPV)状态空间模型原理,在平均值模型的基础上建立了LPV状态空间喷油控制模型,利用Matlab/Simulink工具对稳态工况和瞬态工况的喷油脉宽控制模型进行仿真,最后在发动机试验台架上进行试验验证.仿真和试验结果表明:①基于LPV状态空间模型的喷油控制模型能够满足瞬态工况和稳态工况控制的要求,计算的喷油脉宽精度略低于平均值模型,由于LPV状态空间模型计算简单,能够直接应用于控制算法的设计,因此在工程中容易实现.②与插值算法相比,基于LPV状态空间模型的控制策略使发动机的动力输出有所下降,主要是由于模型简化造成进气空气流量减小引起的.      

基于非线性系统平衡流形的某型涡扇发动机建模研究

基于非线性系统平衡流形式建模理论,直接利用涡扇发动机试车数据,通过辨识计算,建立了各主要状态参数与燃油流量和高压转子转速的状态方程关系式,由此建立了某型涡扇发动机的实时动态仿真模型.并且仿真结果与试验吻合好,且其单步计算耗时较短,从而为该涡扇发动机开展实时性仿真、进一步完善发动机性能分析和改进其控制系统设计奠定了良好的基础.      

Limit protection design in turbofan engine acceleration control based on scheduling command governor

A new limit protection method based on Scheduling Command Governor (SCG) is proposed for imposing multiple constraints on a turbofan engine during acceleration process. A Gain Scheduling Controller (GSC) is designed for the transient state control and its stability proof is developed using Linear Matrix Inequalities (LMIs). The SCG is an add-on control scheme which manages engine limits effectively based on reference trajectory optimization. Unlike the traditional min–max architecture with switching logic, the SCG method utilizes the Linear Parameter Varying (LPV) closed-loop model to form a prediction of future constraint violation and per instant solves a constraint-admissible reference within an approximate Maximal Output Admissible Set (MOAS). The influence of the variation of engine dynamic characteristics and equilibrium points during transient state control is handled by the design of contractive sets. Simulation results on a turbofan engine component-level model show the applicability and effectiveness of the SCG method. Compared to the traditional min–max method, the SCG method has less conservativeness. In addition, the design of contractive sets makes conservativeness tunable.     

基于LPV模型的航空发动机控制器Kalman滤波器设计

针对航空发动机LPV模型,设计了1种改进Kalman滤波器设计方法,并应用于某型涡扇发动机控制系统中。涡扇发动机宽工况变化过程的仿真结果表明,该滤波器可实现对系统输出和状态的有效跟踪和滤波,较好地检验了该方法的有效性。     

Non-affine parameter dependent LPV model and LMI based adaptive control for turbofan engines

The precise control of turbofan engines thrust is an important guarantee for an aircraft to obtain good flight performance and a challenge due to complex nonlinear dynamics of engines and time-varying parameters. The main difficulties lie in the following two aspects. Firstly, it is hard to obtain an accurate kinetic model for the turbofan engine. Secondly, some model parameters often change in different flight conditions and states and even fluctuate sharply in some cases. These variable parameters bring huge challenge for the turbofan engine control. To solve the turbofan engine control problem, this paper presents a non-affine parameter-dependent Linear Parameter Varying(LPV) model-based adaptive control approach. In this approach, polynomial-based LPV modeling method is firstly employed to obtain the basis matrices, and then the Radial Basis Function Neural Networks(RBFNN) is introduced for the online estimation of the non-affine model parameters to improve the simulation performance. LPV model-based Linear Matrix Inequality(LMI) control method is applied to derive the control law. A robust control term is introduced to fix the estimation error of the nonlinear time-varying model parameters for better control performance. Finally, the Lyapunov stability analysis is performed to ensure the asymptotical convergence of the closed loop system. The simulation results show that the states of the engine can change smoothly and the thrust of the engine can accurately follow the desired trajectory, indicating that the proposed control approach is effective. The contribution of this work lies in the combination of linear system control and nonlinear system control methods to design an effective controller for the turbofan engine and to provide a new way for turbofan engine control research.     

基于切换多胞LPV的涡扇发动机全包线中间状态控制

针对航空发动机全包线内参数变化范围较大,单一控制器很难保证全包线内的控制效果的问题,提出了基于切换多胞线性变参数（LPV）的发动机全包线中间状态控制方法.根据发动机的进口条件将飞行包线分为相互重叠的子区域,将多胞理论及状态重置切换方法引入控制器求解,给出了能够保证切换多胞LPV系统鲁棒稳定的线性矩阵不等式（LMI）条件;利用求解出的Lyapunov矩阵设计各子区域的LPV控制器,并结合几何位置调度策略实现子区域LPV控制;利用局部重叠的滞后切换策略和状态重置切换律实现全包线内各控制器的切换,并证明了该闭环切换系统的稳定性.最终以某型涡扇发动机为研究对象进行仿真验证,结果表明:采用该控制方法稳态误差能够控制在0.1%以内,超调量不大于0.5%.      

Direct thrust control for multivariable turbofan engine based on affine linear parameter-varying approach

A novel turbofan Direct Thrust Control(DTC) architecture based on Linear ParameterVarying(LPV) approach for a two-spool turbofan engine thrust control is proposed in this paper.Instead of transforming thrust command to shaft speed command and pressure ratio command, the thrust will be directly controlled by an optimal controller with two control variables. LPV model of the engine is established for the designing of thrust estimator and controller. A robust LPV H∞filter is introduced to estimate ...