分布式架构下的航空发动机多变量控制系统研究

发布时间：2017-08-20 20:37

  本文关键词：分布式架构下的航空发动机多变量控制系统研究

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【摘要】：航空发动机目前正朝着多变量、分布式控制方向发展。分布式控制具有传输延迟、节点故障等特点,严重影响航空发动机控制系统的可靠性。本文针对分布式架构下航空发动机多变量控制系统的节点故障模式,开展控制律重构的主动容错控制算法及试验研究。首先,在某型涡扇发动机部件级模型基础上,建立了线性状态空间模型。基于所建立的线性状态空间模型开展了航空发动机多变量控制算法研究:(1)采用相对增益阵列方法设计控制器结构,得到最优和次优的被控制量选择方案,为多变量控制和控制律重构奠定基础;(2)采用ALQR和H?回路整形方法设计航空发动机多变量控制器,实现发动机状态的快速、稳定控制;(3)设计控制律重构方法,根据不同故障模式,重新选择被控制量,重构为新的多变量或单变量控制系统,保证发动机能正常运行,同时还设计了平滑过渡算法,使得重构过程平稳。然后,对南航自主开发的TTP/C总线控制器进行了改进设计,主要改进了总线控制器数据收发电路、监控电路和物理层电路,以解决分布式集群阻塞故障问题。基于TTP/C总线控制器,根据航空发动机控制需求设计了智能节点的信号调理驱动电路及控制软件,搭建了一个包含六个智能节点的分布式冗余控制系统,并进行了相关通道的信号标定。最后开展了航空发动机分布式控制系统的HIL仿真试验研究:(1)在分布式架构下验证了ALQR和H?多变量控制器的控制效果;(2)通过节点故障模拟,分别进行了多变量和单变量控制律重构的主动容错试验,并检验了平滑过渡算法的有效性。试验结果表明,分布式架构下的多变量控制算法控制效果良好,针对不同的节点故障模式,本文设计的主动容错控制算法能够保证发动机稳定可靠运行。
【关键词】：航空发动机 多变量控制 分布式 控制律重构 硬件在环
【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】：2016
【分类号】：V233.7
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-14
• 第一章 绪论14-23
• 1.1 航空发动机分布式控制研究背景与意义14-16
• 1.2 本文关键技术概述16-19
• 1.2.1 分布式总线技术17-18
• 1.2.2 多变量控制技术18-19
• 1.2.3 控制律重构技术19
• 1.3 国内外研究现状19-21
• 1.3.1 TTP/C总线研究现状19-20
• 1.3.2 多变量控制研究现状20
• 1.3.3 控制律重构研究现状20-21
• 1.4 本文研究思路和内容安排21-23
• 第二章 航空发动机多变量控制技术研究23-43
• 2.1 控制系统设计流程23
• 2.2 航空发动机状态变量模型23-28
• 2.2.1 航空发动机模型简介24
• 2.2.2 建立某型涡扇发动机状态空间模型24-27
• 2.2.3 线性状态空间模型精度验证27-28
• 2.3 控制结构设计：被控量选择28-30
• 2.3.1 相对增益阵列（RGA）方法29
• 2.3.2 某型涡扇发动机被控量选择29-30
• 2.4 航空发动机多变量控制器设计30-37
• 2.4.1 增广LQR控制器设计30-33
• 2.4.2 ∞回路整形控制器设计33-37
• 2.5 主动容错控制器设计37-42
• 2.5.1 控制律重构方案设计37-38
• 2.5.2 仿真结果分析38-40
• 2.5.3 软切换控制设计40-42
• 2.6 本章小结42-43
• 第三章 分布式总线技术研究43-50
• 3.1 分布式总线架构43-45
• 3.1.1 总线调度方式43-44
• 3.1.2 TTP/C总线简介44-45
• 3.2 TTP/C总线的实现45-49
• 3.2.1 自主设计的TTP/C总线控制器简介45-46
• 3.2.2 总线监控模块改进设计46-47
• 3.2.3 总线收发电路改进设计47-48
• 3.2.4 物理层改进设计48-49
• 3.3 本章小结49-50
• 第四章 航空发动机分布式控制系统设计50-62
• 4.1 分布式控制系统总体方案50-51
• 4.1.1 分布式控制系统架构50
• 4.1.2 分布式节点集群时间划分50-51
• 4.2 分布式控制系统实现51-60
• 4.2.1 智能节点设计方案51-54
• 4.2.2 智能节点内部接口设计54-55
• 4.2.3 智能节点硬件实现55-58
• 4.2.4 智能节点软件实现58-60
• 4.3 控制系统监控软件设计60-61
• 4.4 本章小结61-62
• 第五章 航空发动机分布式控制试验研究62-73
• 5.1 构建航空发动机分布式控制器HIL试验平台62-65
• 5.1.1 航空发动机接口模拟器简介62-63
• 5.1.2 航空发动机分布式控制系统HIL仿真平台架构63-64
• 5.1.3 信号标定64-65
• 5.2 单回路HIL仿真试验65-67
• 5.2.1 油针模型HIL仿真试验65-66
• 5.2.2 转速闭环HIL仿真试验66-67
• 5.3 多变量控制HIL仿真试验67-68
• 5.4 分布式控制系统故障模拟与诊断68-69
• 5.4.1 分布式控制系统故障模拟68-69
• 5.4.2 分布式控制系统故障诊断69
• 5.5 基于控制律重构的容错控制仿真试验69-72
• 5.5.1 硬切换的控制律重构容错仿真试验69-71
• 5.5.2 软切换的控制律重构容错仿真试验71-72
• 5.6 本章小结72-73
• 第六章 总结与展望73-75
• 6.1 总结73-74
• 6.2 展望74-75
• 参考文献75-79
• 致谢79-80
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文80-81
• 附录A TTP/C总线控制器改进关键代码81-83

【参考文献】

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本文编号：708766