一种航空电动燃油泵执行机构故障容错控制器设计方法技术

本发明专利技术公开了一种航空电动燃油泵执行机构故障容错控制器设计方法，建立了电动燃油泵的数学模型。针对一类由外啮合齿轮泵及无刷直流电机直连的电动泵系统，完成了整个系统的数学描述。并对齿轮泵中端面泄漏及径向泄漏进行分析和建模，将其影响等效为系统的不确定性及干扰，令航空电动燃油泵控制问题转化为一类含有不匹配不确定性的系统鲁棒控制问题。本发明专利技术方法能够无抖振的在线估计执行机构故障，无需滤波处理，避免了观测结果的相位滞后。这一特点使得该容错控制系统在处理执行机构故障，尤其是时变型故障时，能够取得更好的容错控制效果。

A Design Method of Fault Tolerant Controller for Actuator of Aviation Electric Fuel Pump

【技术实现步骤摘要】
一种航空电动燃油泵执行机构故障容错控制器设计方法
本专利技术属于航空推进
，具体指代一种航空电动燃油泵执行机构故障容错控制器设计方法。
技术介绍
由于齿轮泵转速与发动机转速直接相关，因此在某些飞行状态下，齿轮泵提供的燃油量远高于发动机所需燃油量，需回油系统将多余燃油送回油箱。采用电力驱动的电动燃油泵系统成为多电发动机的核心部件。采用分布式控制器、电力作动器的电动燃油泵系统能够精简附件机匣，将液压驱动和齿轮箱驱动部件更换为分布式机电一体化作动器，有效提高系统的运行效率和稳定性。主发动机通过附件机匣，或直接与内置式起动/发电机连接，为电动燃油泵及FADEC(FullAuthorityDigitalEngineController，全权限数字电子控制器)，由FADEC依据发动机工况控制电动燃油泵转速。转速可变使得定量泵能够按需定量供油，避免了回油。由于避免了回油，电动泵系统中的冷却系统得以简化，使得一系列损害发动机效率的部件得以移除，如ACOC(Air-CooledOilCooler)。同时，电动泵控制采用转速闭环控制，移除了燃油计量单元(FuelMeasureUnit,FMU)，进一步简化结构。因此，电机驱动的电动燃油泵既可以保留定量泵的高效，又可以控制燃油流量，避免回油。目前传统AGB驱动燃油系统向高效率低回油AGB驱动燃油系统过渡，并最终向分布式电力驱动燃油系统发展。传统燃油泵存在燃油计量单元，使得燃油泵的供油误差在5％左右。然而，电动燃油泵系统中移除了燃油计量单元，取消了燃油流量负反馈，使得燃油流量完全由转速决定。转速闭环控制的精确度直接影响到燃油流量的精确度。对转速的误差一般要求小于0.5％。这无疑对电动泵转速控制提出了更高的要求。且航空发动机为一类复杂非线性强耦合热力系统，工作在高压高转高载荷工况下，系统易出现扰动。且未建模动态等又容易因此系统模型的参数摄动。因此，对控制器的鲁棒性提出了新要求。此外，电动泵需根据FADEC燃油指令信号实时地在大范围内调节转速，以按需提供燃油流量。这要求控制器在稳态和大范围内的动态都有良好响应。即从停车到最大工况范围的良好控制效果。滑模控制(slidingmodecontrol,SMC)也叫变结构控制，本质上是一类特殊的非线性控制，且非线性表现为控制的不连续性。这种控制策略与其他控制的不同之处在于系统的“结构”并不固定，而是可以在动态过程中，根据系统当前的状态(如偏差及其各阶导数等)有目的地不断变化，迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动。由于滑动模态可以进行设计且与对象参数及扰动无关，这就使得滑模控制具有快速响应、对应参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识、物理实现简单等优点。容错控制(FaultTolerantControl,FTC)发展至今只有几十年的历史，是一门新兴交叉学科。容错控制是指当控制系统发生故障时，能基于系统现有信息，自动地对补偿故障对系统带来的影响，能够保证系统稳定，并具有一定性能。尽可能地保证故障系统的能力。现代控制理论研究的对象和系统正朝着大规模复杂化的方向发展，如航空、航天领域和核设施方面。此类系统一旦发生故障，不能及时进行容错控制，将导致灾难性的人员和财产损失。如美国运载火箭“大力神”、“雅典娜”发生了多次发射失败，造成30亿美元的经济损失。此类系统的特殊要求是这门学科迅速发展的一个最重要的动力来源。人们迫切需要提供系统的可靠性。基于解析冗余技术的容错控制为提供系统可靠性、鲁棒性开辟了新的道路。本专利技术方法针对一类航空电动燃油泵系统，考虑到其端面和径向燃油泄漏的因素，提出了一种混合非奇异快速终端滑模面。基于该滑模面，设计了航空电动燃油泵执行机构故障观测器，该观测器能够无抖振，无相位滞后的在线估计系统的执行机构故障。一旦系统出现执行机构故障，能够基于观测器的估计值，重构控制律，实现对执行机构故障的容错控制。同时，根据李雅普诺夫稳定性理论，证明了航空电动燃油泵执行机构故障观测器的观测误差能够在有限时间内收敛。通过与一种Walcott-Zak观测器进行对比仿真实验，结果表明，本专利技术方法能够在线、快速、无抖振、无相位滞后地观测航空电动燃油泵的执行机构故障，取得更好的容错控制效果。
技术实现思路
针对于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种航空电动燃油泵执行机构故障容错控制器设计方法，以解决现有技术中发动机长期处于高温、高压、高转速的工况下，易出现故障，如不能及时容错将导致严重后果的问题。本专利技术实现了对执行机构在线估计；一旦系统出现执行机构故障，可基于该估计值，重构系统控制律，实现对执行机构故障的容错控制，保障飞行安全。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术的一种航空电动燃油泵执行机构故障容错控制器设计方法，包括步骤如下：1)对航空电动燃油泵系统的运动学进行分析，建立航空电动燃油泵数学模型；2)基于上述模型，建立混合非奇异快速终端滑模面，设计航空电动燃油泵系统执行机构故障观测器；3)将上述观测器的估计值补偿入控制律中，实现控制律的重构。进一步地，所述步骤1)中采用齿轮泵流量特性建模，具体包括：11)不考虑任何损失，通过微元法进行分析，当主动齿轮转过一个微小角度dθ1时，从动轮相应的转过一个微小角度dθ2，依照齿轮啮合基本定律，节圆上的速度相等，则ω1r1＝ω2r2(1)其中ω1为主动轮角速度，ω2为从动轮角速度，r1为主动轮节圆半径，r2为从动轮节圆半径；由上式得：ω1r1dt＝ω2r2dt(2)且ω1dt＝dθ1，ω2dt＝dθ2，则在微小角度dθ1的条件下，主动轮齿面扫过容积为：其中，Re1为主动轮顶圆半径，Rc1为主动轮啮合半径，B为齿厚；在微小角度dθ2的条件下，主动轮齿面扫过容积为：其中，Re2为从动轮顶圆半径，Rc2为从动轮啮合半径；总排出流量应等于在转过微小角度时主动轮与从动轮齿面扫过的容积之和，即：将式(5)对时间求微分，即求得齿轮泵瞬时排出流量qv：依照啮合点与齿轮中心点的几何关系，上述公式(6)简化为：其中，h1，h2分别为主动轮和从动轮的齿顶高，r为外壁半径，h为齿顶圆与壁面间隙，f为啮合点与节点的距离，研究对象为一对具有相同参数的渐开线齿轮，即：r1＝r2＝r，h1＝h2＝h，Re1＝Re2，Rc1＝Rc2；令Rc1＝Rc2＝Rc，Re1＝Re2＝Re，则有将上述关系代入式(7)中，则齿轮泵瞬时流量为：泵在单位时间(每分钟)内排出液体的体积(升)称为泵的平均流量或理论流量；在没有发生泄漏的情况下，按下式进行计算：其中，t0为齿轮基节，k＝4-6ε+3ε2，f0为实际啮合线的长度，L为体积单位升，min为时间单位分钟。进一步地，所述步骤1)中采用齿轮泵运动学建模电机建模，具体包括：12)齿轮传动的效率为0.95～0.99，在分析的过程中忽略齿轮传动效率的影响，此时，一对外啮合齿轮由以下方程描述：其中，Te为电机电磁力矩，r为外壁半径，J1为主动轮转动惯量，J2为从动轮转动惯量，M1为主动轮所受等效液体力力矩，M2为从动轮所受等效液体力力矩，k1为等效阻尼系数，k2为等效刚度系数，Δp为供油压差，ΔM1与ΔM2为液体粘性力力矩，在液体粘度不大时可忽略。进一步地，所述步骤1)中采用齿电机建模，具体包本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种航空电动燃油泵执行机构故障容错控制器设计方法，其特征在于，包括步骤如下：1)对航空电动燃油泵系统的运动学进行分析，建立航空电动燃油泵数学模型；2)基于上述模型，建立混合非奇异快速终端滑模面，设计航空电动燃油泵系统执行机构故障观测器；3)将上述观测器的估计值补偿入控制律中，实现控制律的重构。

【技术特征摘要】
1.一种航空电动燃油泵执行机构故障容错控制器设计方法，其特征在于，包括步骤如下：1)对航空电动燃油泵系统的运动学进行分析，建立航空电动燃油泵数学模型；2)基于上述模型，建立混合非奇异快速终端滑模面，设计航空电动燃油泵系统执行机构故障观测器；3)将上述观测器的估计值补偿入控制律中，实现控制律的重构。2.根据权利要求1所述的航空电动燃油泵执行机构故障容错控制器设计方法，其特征在于，所述步骤1)中采用齿轮泵流量特性建模，具体包括：11)不考虑任何损失，通过微元法进行分析，当主动齿轮转过一个微小角度dθ1时，从动轮相应的转过一个微小角度dθ2，依照齿轮啮合基本定律，节圆上的速度相等，则：ω1r1＝ω2r2(1)其中，ω1为主动轮角速度，ω2为从动轮角速度，r1为主动轮节圆半径，r2从动轮节圆半径；由上式得：ω1r1dt＝ω2r2dt(2)且ω1dt＝dθ1，ω2dt＝dθ2，则在微小角度dθ1的条件下，主动轮齿面扫过容积为：其中，Re1为主动轮顶圆半径，Rc1为主动轮啮合半径，B为齿厚；在微小角度dθ2的条件下，主动轮齿面扫过容积为：其中，Re2为从动轮顶圆半径，Rc2为从动轮啮合半径；总排出流量应等于在转过微小角度时主动轮与从动轮齿面扫过的容积之和，即：将式(5)对时间求微分，即求得齿轮泵瞬时排出流量qv：依照啮合点与齿轮中心点的几何关系，上述公式(6)简化为：其中，h1，h2分别为主动轮和从动轮的齿顶高，r为外壁半径，h为齿顶圆与壁面间隙，f为啮合点与节点的距离，研究对象为一对具有相同参数的渐开线齿轮，即：r1＝r2＝r，h1＝h2＝h，Re1＝Re2，Rc1＝Rc2；令Rc1＝Rc2＝Rc，Re1＝Re2＝Re，则有将上述关系代入式(7)中，则齿轮泵瞬时流量为：泵在单位时间内排出液体的体积称为泵的平均流量或理论流量；在没有发生泄漏的情况下，按下式进行计算：其中，t0为齿轮基节，k＝4-6ε+3ε2，f0为实际啮合线的长度，L为体积单位升，min为时间单位分钟。3.根据权利要求2所述的航空电动燃油泵执行机构故障容错控制器设计方法，其特征在于，所述步骤1)中采用齿轮泵运动学建模电机建模，具体包括：12)齿轮传动的效率为0.95～0.99，在分析的过程中忽略齿轮传动效率的影响，此时，一对外啮合齿轮由以下方程描述：其中，Te为电机电磁力矩，r为外壁半径，J1为主动轮转动惯量，J2为从动轮转动惯量，M1为主动轮所受等效液体力力矩，M2为从动轮所受等效液体力力矩，k1为等效阻尼系数，k2为等效刚度系数，Δp为供油压差，ΔM1与ΔM2为液体粘性力力矩。4.根据权利要求3所述的航空电动燃油泵执行机构故障容错控制器设计方法，其特征在于，所述步骤1)中采用齿电机建模，具体包括：13)设每相定子电压为Ua、Ub、Uc，每相定子绕组电阻为Ra、Rb、Rc，每相定子绕组自感为La、La、Lc，每相反电动势为ea、eb、ec，两两绕组互感为Lab、Lac、Lba、Lbc、Lca、Lcb；则直流无刷电机定子电压平衡方程为：由于电机三相定子绕组对称，则Ra＝Rb＝Rc＝R，La＝Lb＝Lc，Lac＝Lbc＝Lab，令La＝Lb＝Lc＝L，Lac＝Lbc＝Lab＝M，且电机绕组为星形连接，有ia+ib+ic＝0，Mia+Mib+Mic＝0；则电压平衡方程进一步简化为：令L′＝L-M，则：由于换相过程稳定无波动，以A-B连通的稳态过程为例...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖玲斐，丁润泽，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32