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航空发动机分布式控制系统关键技术研究

李睿超  
【摘要】:航空发动机控制系统下一次的革命性变化将是控制功能的物理分散,即航空发动机分布式控制(Distributed Engine Control,DEC)系统。航空发动机分布式控制这一概念源自工业自动化中的分布式控制系统,其主要特征是将先进的数据总线网络、智能传感器和智能执行机构等技术引入到发动机控制系统中去。分布式控制系统的实现有利于诸如主动控制、基于模型的控制等先进控制模式和控制算法的应用,并带来减重、模块化、高可靠性等一系列优点。本文开展航空发动机分布式控制系统关键技术研究,研究内容包括分布式架构设计与总线通信、分布式系统稳定性分析与控制算法设计、分布式硬件在回路仿真三个部分:首先,本文针对某型双轴混排涡扇发动机开展分布式架构研究,给出了一种基于处理器节点的部分分布式架构,该架构由处理器节点实现临近传感器信息的处理和执行机构的闭环控制,可以有效地降低发动机控制器的计算负荷,提高系统的模块化程度。在此基础上,本文设计了基于时间触发控制器局域网(TTCAN,Time-Triggered Controller Area Network)协议的总线通信方案并对总线负载进行了评估。评估结果表明250kbit/s至1Mbit/s的传输速率均能满足信号传输的需要。之后,本文使用True Time工具箱对该总线通信方案进行了数字仿真验证,仿真结果表明TTCAN总线的传输时延有界,可以有效地避免仲裁机制带来的传输不确定性,这一优良的特性使得TTCAN协议在分布式控制系统中具有良好的应用前景。其次,本文对传输时延和数据包丢失现象进行了分析,并利用时滞系统法建立了同时考虑时延和丢包的分布式系统模型,该模型适用于传输过程中存在随机/定常时延、随机丢包、同时具有时延和丢包等多种情形。在此基础上,本文给出了分布式系统的稳定性判据和控制算法设计方法,工作内容包括:○1根据稳定性判据计算了系统所能允许最大时延和连续丢包数量,仿真结果表明该稳定性判据计算结果可靠,可用于分析分布式系统对于时延和丢包的容忍程度;○2在线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequality,LMI)框架下,针对传输中存在时延和丢包的分布式控制系统,给出了基于保性能控制和区域极点配置技术的控制增益矩阵设计方法,仿真结果表明这两种方法均可以在保证控制系统动态性能的前提下,使系统对于时延和丢包具有强鲁棒性;○3进一步将上述工作拓展至发动机存在性能退化的情况,使用拓展后的理论分析系统的时延/丢包裕度,计算结果表明发动机性能退化未显著地影响控制系统对于时延和丢包的容忍程度。最后,本文使用自动代码生成技术,实现了分布式控制系统硬件在回路(Hardware-In-Loop)仿真平台的快速原型化,对电子控制器的控制逻辑、总线信息交互的实时性和可靠性进行了验证。该HIL仿真平台由发动机、处理器节点和FADEC共三个部分组成,HIL仿真结果表明:○1本文设计的TTCAN节点能够准确地同步于时间主节点,并在规定的时间窗激活后的16个总线位时间内开始广播消息,其实时性符合TTCAN协议的规定;○2在总线传输情况下,HIL仿真平台的控制精度与数字仿真的偏差小,发动机能在慢车至全加力状态下可靠工作。该HIL平台各组件的软件部分均通过自动代码功能生成,有效地避免了因手工编写代码而引入的逻辑漏洞,为推进分布式控制技术的应用打下了坚实的基础。


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