一种基于浸入与不变方法的航空发动机自适应控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于浸入与不变方法的航空发动机自适应控制方法，针对航空发动机在实际运行过程中存在的模型不确定性、干扰和模型参数突变的情况，本发明专利技术通过状态反馈线性化方法对航空发动机模型进行标准化，使得发动机模型得到了统一的形式。同时，针对标准化模型，本发明专利技术提出的一种基于浸入与不变方法的航空发动机自适应控制方法，满足了航空发动机对高精度非线性控制方法的需要。该方法具有控制精度高、鲁棒性好、动态性能好的优点。动态性能好的优点。动态性能好的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于浸入与不变方法的航空发动机自适应控制方法


[0001]本专利技术属于航空发动机控制领域，涉及一种航空发动机控制方法，尤其涉及一种基于浸入与不变方法的航空发动机自适应控制方法，具有控制精度高、鲁棒性好、动态性能好等优点。

技术介绍

[0002]航空发动机是一类非常复杂的热力学系统，主要表现在其工作条件复杂，状态参数众多并且相互耦合，具有很强的非线性。因此，在航空发动机的实际运行过程中，实现对航空发动运行状态的高精度控制非常困难，具体表现在航空发动机的工作条件复杂（航空发动机在高空、高速、高温等复杂工况下运行，其工作条件难以模拟和控制）、多参数耦合（航空发动机的状态参数众多，如转速、温度、压力、流量等，这些参数之间相互耦合，难以独立控制）、非线性特性（航空发动机具有很强的非线性特性，其输出与输入之间的关系不是简单的线性关系，难以建立准确的数学模型）、实时性要求高（航空发动机的控制需要实时响应，对控制算法的实时性要求很高，而且需要考虑实际运行环境的不确定性）、可靠性要求高（航空发动机的控制需要保证高可靠性，一旦出现故障可能会导致严重后果，因此需要采用多重控制策略和故障保护措施）等多个方面。
[0003]航空发动机的控制系统是航空发动机的核心部分，而一种好的控制方法对于发挥航空发动机的性能潜力具有决定性作用。在对控制精度要求较高的情况下，现在的航空发动机控制方法主要以基于模型的控制方法为主。但值得注意的是，基于模型的控制方法的控制精度十分依赖航空发动机的建模精度，航空发动机的机载模型是基于模型控制方法的重要基础。但考虑到航空发动机在运行过程种存在的扰动以及模型不确定性，基于航空发动机运行数据的离线模型与实际运行模型不可避免得会存在模型误差。为了提高控制精度，因此需要采用自适应方法实现在线辨识与控制，自适应方法可以根据实时采集的运行数据对模型进行在线辨识和修正，从而提高模型的精度和可靠性。同时，自适应方法还可以根据实时采集的数据对控制器进行在线调整，以适应不同的工作条件和运行状态，从而提高控制精度和鲁棒性。因此，采用自适应方法实现在线辨识与控制可以提高航空发动机的控制精度和可靠性，适应复杂的工作条件和多变的运行状态。
[0004]为解决上述问题，本专利技术提出了一种基于浸入与不变方法的航空发动机自适应控制方法，当航空发动机的控制系统存在扰动以及模型不确定性时，实现对航空发动机的高精度控制。

技术实现思路

[0005]（一）技术问题针对目前航空发动机的控制方法主要是基于模型的控制方法，以实现精准监测、故障诊断、控制优化和性能预测等工作，且都是基于精确的发动机模型进行研究，但由于实际运行过程种存在扰动以及模型不确定性等情况，故提出了模型参数能够自适应的需求。
同时，随着航空发动机性能向着追求高推重比、高寿命、低耗油率方向发展的趋势，对航空发动机控制系统的控制品质也提出了更高的要求。因此需要一种新的航空发动机自适应控制方法，使得航空发动机在模型存在不确定性、干扰甚至发生模型参数突变的情况下也能正常运行，这是本专利技术的应用所在。本专利技术针对航空发动机在实际运行过程中存在的模型不确定性、干扰和模型参数突变等情况，通过状态反馈线性化方法对航空发动机模型进行标准化，使得发动机模型得到了统一的形式。同时，针对标准化模型，提出了一种基于反步法和浸入与不变自适应方法设计的跟踪控制器，满足了航空发动机对高精度非线性控制方法的需要，该控制方法具有控制精度高、鲁棒性好、动态性能好等优点。
[0006]（二）技术方案本专利技术为实现其专利技术目的、解决其技术问题，所采用的技术方案如下：一种基于浸入与不变方法的航空发动机自适应控制方法，其特征在于，实现该控制方法至少包括如下步骤：步骤SS1. 建立航空发动机系统模型采集数据，通过参数辨识的方法建立航空发动机系统模型，其模型具体如下式所示：其中，表示描述航空发动机系统状态的状态向量，表示组成状态向量的n个状态变量，表示对时间的导数，为航空发动机系统的输入向量，均表示关于状态向量的向量场，表示关于状态向量且与输入向量相关的向量场，均为光滑或分段光滑的向量场，上标用于区分航空发动机系统的不同工作点，表示航空发动机系统的输出向量；步骤SS2. 对航空发动机系统模型进行标准化将步骤SS1建立的航空发动机系统模型改写为分量形式模型并进行坐标变换，转换为新状态坐标下的标准形式如下：其中，表示航空发动机系统的状态变量按照坐标变换规则变换后在坐标下对应的新状态变量，其中所述坐标变换规则为
表示对时间的导数，表示状态变量相对于的阶李导数，表示状态变量相对于的阶李导数再对的1阶李导数；步骤SS3. 完成基于浸入与不变自适应方法和反步法的控制器设计首先，记其中，分别表示含不确定性的两个未知参数向量，分别表示两个未知参数向量的转置，分别表示关于坐标系下的状态向量的已知光滑函数；第1步：将状态变量作为第1个中间虚拟控制量，使状态变量跟踪指令，状态变量的跟踪误差为，表示的跟踪指令，将第1个期望的中间虚拟控制量设计为：其中表示对时间的导数，表示第1个反馈控制系数；第i步：将状态变量作为第i个中间虚拟控制量，其中，使状态变量跟踪指令，状态变量的跟踪误差为，表示的跟踪指令，将第i个期望的中间虚拟控制量设计为：其中表示对时间的导数，表示第i个反馈控制系数；第n步：使状态变量跟踪指令，状态变量的跟踪误差为，设计控制律如下：其中分别表示的估计值，表示第n个反馈控制系数；将参数自适应律设计成如下形式：
其中，为增益矩阵，为基函数矩阵，表示未知参数估计值的附加项，即：，表示未知参数的估计值，表示对时间的导数；步骤SS4. 将控制量输入至航空发动机，并经过输出函数输出控制结果，以达到跟踪控制目的；步骤SS5. 判断是否结束控制，若“是”，则结束控制；若“否”，则跳转到步骤SS2循环执行。
[0007]本专利技术优选的实例中，上述步骤SS1中，组成的个状态变量中，至少包括发动机低压轴转速和发动机高压轴转速。
[0008]本专利技术优选的实例中，上述步骤SS2中，具体通过如下方式对航空发动机系统模型进行标准化，首先将步骤SS1建立的航空发动机系统模型改写为其分量形式模型如下：当上式满足状态反馈线性化条件，则上述分量形式模型通过如下方式进行坐标变化：进一步将其转换为原系统在新状态下的标准形式如下：
以上各式中，表示不同的航空发动机系统状态变量，分别表示对时间的导数，分别表示航空发动机系统状态按照坐标变换规则变换后在坐标下对应的状态变量，表示对时间的导数，表示关于状态向量的向量场，表示关于状态向量且与输入向量相关的向量场，分别表示向量场的单个分量，分别表示向量场的单个分量，表示坐标变换规则，表示坐标变换规则，分别表示对应的坐标变换关系，即，表示n维度实数向量，，，表示相对于的阶李导数，表示相对于的阶李导数再对的1阶李导数。
[0009] 本专利技术优选的实例中，上述步骤SS3中，具体通过如下方式完成基于浸入与不变自适应方法和反步法的控制器设计：首先，记其中，分别表示含不确定性的两个未知参数向量，分别表示两个未知参数向量的转本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于浸入与不变方法的航空发动机自适应控制方法，其特征在于，实现该控制方法至少包括如下步骤：步骤SS1. 建立航空发动机系统模型采集数据，通过参数辨识的方法建立航空发动机系统模型，其模型具体如下式所示：其中，表示描述航空发动机系统状态的状态向量，、、
…
、表示组成状态向量的n个状态变量，表示对时间的导数，为航空发动机系统的输入向量，、均为关于状态向量的向量场，为关于状态向量且与输入向量相关的向量场，、、均为光滑或分段光滑的向量场，上标用于区分航空发动机系统的不同工作点，表示航空发动机系统的输出向量；步骤SS2. 对航空发动机系统模型进行标准化将步骤SS1建立的航空发动机系统模型改写为分量形式模型并进行坐标变换，转换为新状态坐标下的标准形式如下：其中， 表示航空发动机系统的状态变按照坐标变换规则变换后在坐标下对应的新状态变量，其中所述坐标变换规则为表示对时间的导数，表示状态变量相对于的阶李导数，表示状态变量相对于的阶李导数再对的1阶李导数；步骤SS3. 完成基于浸入与不变自适应方法和反步法的控制器设计首先，记其中， 、分别表示含不确定性的两个未知参数向量，分别表示两个未知参数向量、的转置，分别表示关于坐标系下的状态向量的已知光滑函数；
第1步：将状态变量作为第1个中间虚拟控制量，使状态变量跟踪指令，状态变量的跟踪误差为，表示的跟踪指令，将第1个期望的中间虚拟控制量设计为：其中表示对时间的导数，表示第1个反馈控制系数；第i步：将状态变量作为第i个中间虚拟控制量，其中，使状态变量跟踪指令，状态变量的跟踪误差为，表示的跟踪指令，将第i个期望的中间虚拟控制量设计为：其中表示对时间的导数，表示第i个反馈控制系数；第n步：使状态变量跟踪指令，状态变量的跟踪误差为，设计控制律如下：其中分别表示、的估计值，表示第n个反馈控制系数；将参数自适应律设计成如下形式：其中, 为增益矩阵, 为基函数矩阵, 表示未知参数估计值的附加项，即：表示未知参数的估计值，表示对时间的导数；步骤SS4. 将控制量输入至航空发动机，并经过输出函数输出控制结果，以达到跟踪控制目的；步骤SS5. 判断是否结束控制，若“是”，则结束控制；若“否”，则跳转到步骤SS2循环执行。...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭湘敏，徐含灵，胡春艳，秦绍坤，陈志，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：