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航空发动机分布式系统时延分析及控制设计

王欣悦  
【摘要】:随着航空发动机控制要求的提高,传统的集中式控制架构已经很难满足复杂的控制需求。为了进一步提高发动机性能、减轻发动机总重,航空发动机控制系统正在由集中式控制架构逐渐向分布式控制架构过渡。然而,分布式控制系统的网络化特点不可避免地造成了控制系统的复杂性,主要表现为存在网络时延、数据丢包等问题。其中网络时延对系统稳定性和各项控制性能指标的影响尤其显著,使得控制器的设计难度大大增加。本文针对存在时延的航空发动机分布式控制系统,开展分布式时延控制算法设计及仿真试验研究,具体内容如下:(1)开展分布式系统网络诱导时延研究,具体结合总线带宽、触发机制等内容,对航空发动机分布式控制系统中时延产生的诱导因素及时延大小的影响因素进行了深入分析。(2)针对存在时延的航空发动机分布式控制系统,考虑航空发动机的多变量控制需求,提出了基于增广线性二次型调节器(Augmented Linear Quadratic Regulator,简称ALQR)最优控制理论的双重增广线性二次型调节器(Double Augmented Linear Quadratic Regulator,简称DALQR)时延控制方法,结合无扰切换控制及执行机构控制,设计发动机时延控制系统,以减少时延对发动机系统性能的影响。(3)针对实际系统网络时延的不确定性,提出了基于神经网络时延预测的内模控制(Internal Model Control,简称IMC)方法,设计发动机内模时延控制系统,并进行了数字仿真验证和分析,表明所提的控制方法对时变的网络时延具有较好的控制效果。(4)利用Truetime工具箱建立航空发动机分布式控制系统仿真平台,模拟实际系统的网络传输情况。在该平台上对分布式控制系统三种典型拓扑结构进行了仿真和分析,并对所提出的控制器设计方法进行了验证。(5)开展了航空发动机分布式控制系统的硬件在回路仿真试验研究,试验结果表明,所设计的DALQR和IMC控制器可以保证分布式架构下系统的稳定性,且能够在长时延情况下确保航空发动机的期望控制性能,同时具有较好的抗干扰性。


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