一种航空发动机非线性系统控制器设计方法技术方案

本发明专利技术航空发动机非线性系统控制器设计方法针对航空发动机仿射非线性系统在大偏差范围内的控制问题，首先基于精确线性化理论将航空发动机非线性系统模型线性化，再采用滑模变结构策略，设计非线性滑模控制器，利用线性化后的状态变量有目的地改变控制结构，使线性化后的状态向量根据设计的滑模轨迹运动，以抵消参数摄动和外干扰影响。最后针对关键的非线性控制器参数设计问题，采用人工蜂群算法整定控制参数，求出最优参数使控制效果最优。本发明专利技术针对复杂的控制器参数设计问题，无需繁琐的手动调试和反复验证，利用人工蜂群算法设计合理的目标性能函数，均能自动求解最优的控制器参数，使航空发动机非线性控制系统有满意的动态性能和鲁棒稳定性。

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术涉及一种航空发动机非线性系统控制器设计方法，采用一种新型智能算法，针对难以整定的控制器参数具有较好的适应能力和优化效果。
技术介绍
：航空发动机是一种热力过程复杂的非线性被控对象，且工作环境恶劣。实际系统存在未知干扰、参数摄动等非线性因素，需要对其工作过程加以控制，且设计的控制器需要良好的动态性能和鲁棒性。由于航空发动机气动热力工程复杂，非线性因素较多，采用常规的线性控制方法无法满足大偏差范围内的性能要求，因此研究航空发动机非线性控制具有重要的意义。变结构控制(viriablestructurecontrol,VSC)又称为滑模变结构控制或滑模控制(slidingmodecontrol，SMC)。变结构控制是根据系统当前状态有目的地改变控制结构，迫使系统按照设计的滑动模态(slidingmode)轨迹运动，而滑动模态对系统的参数摄动和外干扰具有不变性，因此针对航空发动机非线性系统，采用滑模变结构控制具有很高的研究价值。针对非线性系统的控制器设计，往往采用近似线性化的方法将非线性系统线性化，以此来设计控制器，但是，在初始偏差范围较大时，基于近似线性化设计的控制器往往不能保证系统的稳定，对航空发动机而言显然是不利的。另外，针对设计的控制器参数设定问题，传统的参数整定方法往往对经验的依赖较强，且对初值敏感，整定过程比较繁琐，缺乏很好的自适应能力。对航空发动机而言，随着飞行条件以及发动机工作状态的改变，发动机模型即随之改变，传统的控制器参数整定方法的缺点随之凸显，采用比较智能的参数整定方法能大大简化参数设计过程，且能获得最优的控制效果。
技术实现思路
：本专利技术所要解决的技术问题是考虑到航空发动机的强非线性和不确定性，基于精确线性化理论将航空发动机非线性系统精确线性化，采用滑模变结构控制策略来设计航空发动机非线性控制器，针对设计的控制器设计合理的目标性能函数，采用人工蜂群算法来优化控制器参数，得到最优的控制效果。本专利技术采用如下技术方案：一种航空发动机非线性系统控制器设计方法，其包括如下步骤步骤1)，建立航空发动机非线性状态变量模型，用如下公式表示：其中，系统方程对输入u是线性的，x是n维状态向量，f(x)是光滑的n维向量函数，f＝[f1,...,fn]T，B(x)为n×m阶函数矩阵，B＝[b1,...,bm]，u为m维控制向量，d(t)＝Dg(t)为n维干扰向量d(t)为外干扰，且满足干扰匹配条件：rank(B,d)＝rank(B)(2)步骤2)，基于精确线性化理论将步骤1)中的非线性模型精确线性化；步骤3)，针对步骤2)中线性化后的模型设计滑模变结构控制器，迫使新的状态变量根据设计的滑动模态轨迹运动，以抵消系统的参数摄动和外干扰的影响；步骤4)，采用多个状态变量的的误差积分加权和的形式设计控制系统的目标性能函数，针对该目标性能函数，采用人工蜂群算法来整定非线性滑模控制器参数。进一步地，所述步骤1)中建立航空发动机非线性状态变量模型的步骤如下：步骤1.1)，根据航空发动机气动热力学特性和典型的部件特性数据建立发动机非线性状态空间模型；步骤1.2)，利用传感器采集到的干扰值得到该模型的干扰向量。进一步地，所述步骤2)中求解精确线性化模型的步骤如下：引入m维向量方程h＝h(x)，h＝[h1,...hm]T，则hi(1≤i≤m)沿着系统(1)的导数为h·i=▿hi·(f+Bu+d)=Lfhi+Σj=1mLbjhiuj+Ldhi---(3)]]>其中，▽hi是hi的雅克比矩阵，Ldhi是hi关于d的李导数，计算公式为Ldhi＝(▽hi)d；若由匹配条件(2)，一定有Ldhi＝0，且得出结论：只要则此时，hi沿着系统(1)的二阶导数表示为：如果存在如果存在最小的ri，使得且存在j使得则系统(1)具有相对阶{r1,...,rm本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种航空发动机非线性系统控制器设计方法，其特征在于：包括如下步骤步骤1)，建立航空发动机非线性状态变量模型，用如下公式表示：其中，系统方程对输入u是线性的，x是n维状态向量，f(x)是光滑的n维向量函数，f＝[f1,...,fn]T，B(x)为n×m阶函数矩阵，B＝[b1,...,bm]，u为m维控制向量，d(t)＝Dg(t)为n维干扰向量d(t)为外干扰，且满足干扰匹配条件：rank(B,d)＝rank(B)  (2)步骤2)，基于精确线性化理论将步骤1)中的非线性模型精确线性化；步骤3)，针对步骤2)中线性化后的模型设计滑模变结构控制器，迫使新的状态变量根据设计的滑动模态轨迹运动，以抵消系统的参数摄动和外干扰的影响；步骤4)，采用多个状态变量的的误差积分加权和的形式设计控制系统的目标性能函数，针对该目标性能函数，采用人工蜂群算法来整定非线性滑模控制器参数。

【技术特征摘要】
1.一种航空发动机非线性系统控制器设计方法，其特征在于：包括如下步骤
步骤1)，建立航空发动机非线性状态变量模型，用如下公式表示：
其中，系统方程对输入u是线性的，x是n维状态向量，f(x)是光滑的n维向量函数，f＝[f1,...,fn]T，B(x)为n×m阶函数矩阵，B＝[b1,...,bm]，u为m维控制向量，d(t)＝Dg(t)为n维干扰向量d(t)为外干扰，且满足干扰匹配条件：
rank(B,d)＝rank(B)(2)
步骤2)，基于精确线性化理论将步骤1)中的非线性模型精确线性化；
步骤3)，针对步骤2)中线性化后的模型设计滑模变结构控制器，迫使新的状态变量根据设计的滑动模态轨迹运动，以抵消系统的参数摄动和外干扰的影响；
步骤4)，采用多个状态变量的的误差积分加权和的形式设计控制系统的目标性能函数，针对该目标性能函数，采用人工蜂群算法来整定非线性滑模控制器参数。
2.如权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢彬彬，肖玲斐，范昕宇，杜彦斌，胡继祥，
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