涡扇发动机线性变参数控制方法研究

发布时间：2020-05-30 16:56

【摘要】：在航空发动机控制系统设计中,随着航空发动机对控制性能要求的不断提高,目前工程上应用较广的传统变增益控制越来越难以满足航空发动机控制系统的设计需求。因此,本文在某型涡扇发动机非线性部件级模型的基础上,将基于线性变参数(Linear Parameter Varying,LPV)的系统设计方法应用于涡扇发动机建模与控制的研究中。针对LPV系统的建模问题,采用小扰动-最小二乘拟合的方法求取涡扇发动机在不同工作点状态空间形式的线性化模型。同时考虑到航空发动机动态特性随高压转子转速的变化比较连续,以高压转子转速为调度参数,在小扰动-最小二乘拟合法建立的线性模型的基础上,通过多项式拟合的方法求取航空发动机随高压转子转速变化的单调度参数LPV模型。考虑到飞行包线内不同高度,马赫数下航空发动机动态性能差异较大,在单调度参数LPV模型的基础上,增加高度和马赫数为调度参数,通过多胞的方法连接不同顶点的单调度参数LPV模型,最终获得航空发动机随高压转子转速,高度和马赫数变化的多调度参数LPV模型。仿真结果表明建立的多调度参数LPV模型精度符合要求。在LPV鲁棒变增益控制器设计的问题上,以涡扇发动机的LPV模型为基础,将多项式平方和规划(Sum of Squares Programming,SOSP)的相关理论应用于LPV控制器设计中,提出一种多项式形式LPV控制器的设计方法。将求得的控制器在某型涡扇发动机部件级模型上进行仿真验证,仿真结果表明,无论是基于单调度参数还是多调度参数LPV模型,设计的控制器均有良好的控制效果。针对LPV系统切换控制的问题,采用Lyapunov函数法对切换LPV系统进行稳定性分析,并在Lyapunov函数的基础上,通过驻留时间的约束给出切换稳定的条件,最后通过滞后切换,平滑过渡切换两种切换策略进行航空发动机全包线切换LPV控制。在系统的稳定性分析中,结合多调度参数LPV模型的建模特点,对基于平均驻留时间的稳定性分析方法进行推广,将整个切换系统对平均驻留时间的约束减低至各个子系统的多胞顶点对驻留时间的约束,降低了切换时的保守性;在切换策略中,结合多胞系统的特点对传统的滞后切换策略进行改进,通过对局部重叠区域求取共同二次Lyapunov函数保证切换时Lyapunov函数的连续性,通过滞后切换策略消除单一切换面频繁切换时控制器参数的抖振问题,基于如上两点,提出一种新的切换LPV控制方法;在平滑过渡切换策略上,通过在两子系统间设置平滑过渡区域的方法,保证切换时控制器参数的平滑变换,消除邦邦切换时控制器参数跳变的问题。仿真结果表明,在整个飞行包线内,两种切换策略均能保证切换系统的稳定性,且具有良好的控制品质。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V235.13

【参考文献】