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航空发动机多变量鲁棒控制方法研究

李华英  
【摘要】: 随着现代飞机性能的不断提高,对航空发动机提出了越来越多的机动性要求。然而航空发动机是一个复杂的、强非线性、多变量且时变的的气动热力学系统,如果没有控制系统的保证,航空发动机根本达不到性能要求,甚至不能正常工作。为了保证航空发动机稳定安全的工作并在任何条件下性能最佳,必须不断深入研究航空发动机控制系统。目前国内对于航空发动机控制的研究主要为两变量控制,随着发动机性能要求的不断提高,显然两变量控制不足以使得发动机获得满意的性能,因此有必要增加发动机的变量,使得发动机控制系统可以满足更高的要求。此外,H鲁棒控制以其能有效的处理模型不确定性和具有成熟的控制器设计算法并且设计的控制系统具有很好的鲁棒性,是二十余年来控制理论研究的热点,并取得了不少理论上和应用上的成果。 本文以某型涡扇发动机作为被控对象,建立航空发动机的四变量模型,用H∞鲁棒控制方法设计航空发动机控制系统,使其在不同飞行条件下的动态响应达到性能指标要求。论文的主要研究工作如下: 1、对航空发动机部件级模型程序进行分析,熟悉发动机各部件的工作过程并确定发动机的飞行包线。针对航空发动机的参数很多,用不同的参数组合设计的控制系统性能存在很大差异,在考虑发动机动力负荷和热负荷的前提下,在充分利用可调变量及变量应便于测量的条件下,依据航空发动机工作机理及变量选择的一般原则,选取航空发动机的四输入/输出以及状态变量。在飞行包线内,采用选取的变量,利用改进后的最小二乘拟合法,建立航空发动机四变量小偏差状态变量模型,拟合曲线表明所建模型具有较高精度。通过对模型的分析说明了控制器设计的必要性,并分析了模型的不确定性。 2、考虑到航空发动机模型不确定性以及飞行过程中遇到的各种不确定性干扰,采用H∞混合灵敏度设计方法设计航空发动机H∞鲁棒控制器。通过反复试验选取加权阵。对标称点及整个飞行包线内的点进行仿真验证,结果表明这种方法可以使控制系统具有很好的鲁棒稳定性及鲁棒性能,系统各项性能指标均可达到要求。对系统的奇异值进行分析,表明系统有较强的抑制干扰能力。 3、控制器的性能主要取决于加权阵,针对加权阵的选取对设计者的经验有较强依赖性的弊端,采用基于遗传算法的控制器设计方法设计航空发动机鲁棒控制器。根据航空发动机控制系统的性能指标要求计算目标函数,通过遗传算法对加权阵的参数进行优化,解决了通过反复试验选取加权阵费力耗时的不足。对标称点及整个飞行包线内的点进行仿真验证,结果表明这种方法可以使控制系统具有很好的鲁棒稳定性和鲁棒性能,系统各项性能指标均可达到要求。对系统的奇异值进行分析,表明系统具有较强的抗干扰能力。 4、经过大量的仿真试验,验证了方法的可行性,所设计的航空发动机控制系统具有了较强的鲁棒稳定性及鲁棒性能,系统动态性能和解耦性能都很好,并且能够达到控制系统性能指标要求。


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