一种基于驻留时间的涡扇发动机限制保护切换控制方法技术

一种基于驻留时间的涡扇发动机限制保护切换控制方法。将风扇转速跟踪控制回路和高压涡轮出口总温限制回路作为两个子系统，以基于驻留时间约束的状态依赖切换律作为切换规则，建立切换LTI系统，将涡扇发动机的限制保护控制描述成受约束的切换线性系统的输出跟踪；再为每个子系统设计基于内模原理的控制器，基于切换规则，将控制器参数的求解描述成一组线性矩阵不等式形式的优化，通过求解这组LMI得到使切换系统稳定的控制器参数，实现涡扇发动机转速跟踪和温度参数能向上受限。本发明专利技术实现涡扇发动机对温度参数的限制保护控制，具有控制器低频切换的优点，能降低对涡扇发动机执行机构的损害，并且使风扇转速和高压涡轮出口总温度具有更好的暂态性能。度具有更好的暂态性能。度具有更好的暂态性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于驻留时间的涡扇发动机限制保护切换控制方法


[0001]本专利技术属于涡扇发动机控制
，涉及切换控制在涡扇发动机控制系统中的应用，特别是基于驻留时间的切换控制方法在涡扇发动机限制保护控制系统中的应用。

技术介绍

[0002]涡扇发动机是一种复杂的动力机械系统，其控制系统设计追求高效、可靠的工作状态。为保证涡扇发动机在更加严酷的高温、高压等恶劣工作环境中的安全稳定运行，控制系统需要对涡轮温度进行限制保护控制，在通过增加温度限制来保证发动机在获得期望性能的同时而不使其工作温度超过安全范围。
[0003]目前，工程中普遍采用PID控制器与低选/高选(Min/Max)切换相结合的航空发动机限制保护控制规律。若某一变量超过其限制值，则对应的变量调节器将通过低选/高选切换律被激活，输出值将被限制在规定的范围内。值得说明的是，对于存在控制律切换的系统，如果切换信号选择不合适，在切换时刻可能出现明显的控制信号抖振现象。Litt和Yu在《The Case for Intelligent Propulsion Control for Fast Engine Response》和《Multiobjective Robust Regulating and Protecting Control for Aeroengines》中通过仿真分析了Min/Max切换规则的机理，证明了其具有一定的保守性且容易发生控制信号抖振或切换频率过高的问题，并揭示了这种规则存在的弊端：由限幅器产生的饱和特性，使得系统的响应变慢、超调变大、切换频率增大，控制系统性能下降。
[0004]为简化切换律中的复杂运算，从而简化对应的涡扇发动机控制器的设计，在切换律中引入驻留时间是一种更为常见的研究思路。驻留时间法最早出现于《Switching in Systems and Control》，并且学者Feuer已在《Potential benefits of hybrid control for linear time invariant plants》中表明，切换系统的暂态性能可以通过基于驻留时间的切换策略得到改善。在航空发动机的限制保护控制系统设计中引入基于驻留时间切换律，可以实现航空发动机主控回路控制器与限制器之间的低频切换，从而减少切换点附近控制信号抖振。为了同时实现响应快、抗干扰和超调小等指标，对子系统控制器设计上可以选择能够利用切换系统研究理论求解的控制器增益。针对目前传统的Min
‑
Max限制保护切换控制策略，在已有文献的基础上，从切换律和切换控制器两方面出发探索一种改进切换规则以同时满足上述控制目标，对充分发挥发动机的性能潜力有重要的意义。

技术实现思路

[0005]针对上述
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提供了一种基于驻留时间的涡扇发动机限制保护切换控制策略：以涡扇发动机的风扇转速跟踪回路和高压涡轮出口总温限制回路作为两个子系统，以基于驻留时间约束的状态依赖切换律为切换规则，建立涡扇发动机的限制保护切换LTI模型；进一步，为每个子系统设计基于内模原理的控制器，然后将内置模型的状态变量引入切换LTI模型的状态变量，得到增广切换LTI模型；通过多Lyapunov函数方法将对控制器的求解问题转化为一组LMI的优化问题，得到控制器增益，从而得到最终的
限制保护切换控制策略。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术所采用的具体技术方案如下：
[0007]一种基于驻留时间的涡扇发动机限制保护切换控制方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1：建立涡扇发动机限制保护切换LTI系统；
[0009]步骤1.1：建立基于驻留时间约束的状态依赖切换律σ(t)：
[0010][0011]其中，e(t)表示“温度超限”事件，T表示驻留时间，x(t)表示系统状态，P
j,0
和P
i,N
由第j和第i个子系统的Lyapunov函数定义，如V
j
＝x
T
(t)P
j,0
x(t)。假设切换系统在切换时刻处则下一切换时刻需满足：
[0012][0013]其中，i,j属于{1,2,
…
,M}整数集合，表示第i个子系统由事件触发的时刻，表示第j个子系统由事件触发的时刻。这是一个同时依赖于时间约束与事件触发的切换律。
[0014]步骤1.2：以风扇转速N
f
跟踪回路和高压涡轮出口温度T
48
限制回路作为两个子系统，以基于驻留时间的状态依赖切换律σ(t)作为切换规则，建立涡扇发动机限制保护切换LTI系统：
[0015][0016]其中，x(t)为系统状态，y(t)为系统输出(风扇转速或高压涡轮出口温度)，u(t)＝ΔW
f
是燃油流量增量为控制器输出，w(t)是扰动输入，也可以表示发动机性能退化带来的影响；A
σ(t)
、B
σ(t)
、C
σ(t)
、D
σ(t)
和E
σ(t)
为具有适当维数的常数矩阵。
[0017]步骤2：为切换LTI系统的每一个子系统设计基于内模原理的控制器，将内置模型的状态变量x
r
引入涡扇发动机限制保护切换LTI系统的状态变量，建立涡扇发动机限制保护增广切换LTI系统；
[0018]步骤2.1：设计一种基于内模原理的控制器，其内置模型为参考输入r(t)与扰动信号w(t)的共同不稳定模型，该内置模型可以表示为：
[0019][0020]其中，x
r
(t)为该内置模型的状态变量，B
r
定义为[0
…
1]T
，y(t)为该内置模型的输出，e(t)表示涡扇发动机限制保护切换LTI系统输出与参考输入的差值e(t)＝y(t)
‑
r(t)，A
r
由参考输入r(t)与扰动信号w(t)的不稳定部分的特征多项式的最小公倍式定义得到，如：参考输入r(t)为阶跃信号，则其特征多项式为Φ
r
(s)＝s，扰动信号w(t)为阶跃信号，则其特征多项式为Φ
w
(s)＝s，由此得到参考输入r(t)与扰动信号w(t)的不稳定部分的特征多项式的最小公倍式为Φ(s)＝s，则A
r
由代表该特征多项式的状态空间方程的标准型矩阵系数得到。
[0021]将x
r
(t)引入涡扇发动机限制保护切换LTI系统(3)，得到涡扇发动机限制保护增广切换LTI开环系统：
[0022][0023]设计增广切换LTI系统的全状态反馈切换控制器为：
[0024][0025]其中，σ(t)代表切换律，K
1σ(t)
为状态反馈控制器增益，以实现系统的渐近稳定；K
2σ(t)
为跟踪补偿控制器增益，以实现零稳态误差跟踪。
[0026]步骤2.2：由增本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于驻留时间的涡扇发动机限制保护切换控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立涡扇发动机限制保护切换LTI系统；步骤1.1：建立基于驻留时间约束的状态依赖切换律σ(t)：其中，e(t)表示“温度超限”事件，T表示驻留时间，x(t)表示系统状态，P
j,0
和P
i,N
由第j和第i个子系统的Lyapunov函数定义，V
j
＝x
T
(t)P
j,0
x(t)；假设切换系统在切换时刻处则下一切换时刻需满足：事件触发,其中，i,j属于{1,2,
…
,M}整数集合，表示第i个子系统由事件触发的时刻，表示第j个子系统由事件触发的时刻；这是一个同时依赖于时间约束与事件触发的切换律；步骤1.2：以风扇转速N
f
跟踪回路和高压涡轮出口温度T
48
限制回路作为两个子系统，以基于驻留时间的状态依赖切换律σ(t)作为切换规则，建立涡扇发动机限制保护切换LTI系统：其中，x(t)为系统状态；y(t)为系统输出，为风扇转速或高压涡轮出口温度；u(t)＝ΔW
f
是燃油流量增量为控制器输出；w(t)是扰动输入，或表示发动机性能退化带来的影响；A
σ(t)
、B
σ(t)
、C
σ(t)
、D
σ(t)
和E
σ(t)
为具有适当维数的常数矩阵；步骤2：为切换LTI系统的每一个子系统设计基于内模原理的控制器，将内置模型的状态变量x
r
引入涡扇发动机限制保护切换LTI系统的状态变量，建立涡扇发动机限制保护增广切换LTI系统；步骤2.1：设计一种基于内模原理的控制器，其内置模型为参考输入r(t)与扰动信号w(t)的共同不稳定模型，该内置模型表示为：其中，x
r
(t)为该内置模型的状态变量，B
r
定义为[0
ꢀ…ꢀ
1]
T
，y(t)为该内置模型的输出，e(t)表示涡扇发动机限制保护切换LTI系统输出与参考输入的差值e(t)＝y(t)
‑
r(t)，A
r
由参考输入r(t)与扰动信号w(t)的不稳定部分的特征多项式的最小公倍式定义得到；将x
r
(t)引入公式(3)的涡扇发动机限制保护切换LTI系统，得到涡扇发动机限制保护增广切换LTI开环系统：
设计增广切换LTI系统的全状态反馈切换控制器为：其中，σ(t)代表切换律，K
1σ(t)
为状态反馈控制器增益，以实现系统的渐近稳定；K
2σ(t)
为跟踪补偿控制器增益，以实现零稳态误差跟踪；步骤2.2：由公式(5)的增广切换LTI开环系统和公式(6)的全状态反馈切换控制器，得到涡扇发动机限制保护增广切换LTI闭环系统：其中，χ(t)为该切换LTI闭环系统的状态变量[...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏卫国，王红蕾，马艳华，杜宪，孙希明，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：