[发明专利]航空发动机双模跟踪预测控制系统设计方法

说明书

本发明提供了一种基于自校正模型的航空发动机双模跟踪预测控制系统设计方法，属于航空航天推进系统控制与仿真技术领域。所述的航空发动机双模跟踪预测控制系统由预测模型、非线性部件级模型、反馈逻辑单元、双模预测控制器和卡尔曼滤波器组成。本发明可以估计航空发动机部件的退化，自动调整用于被控对象线性化和参数反馈的机载模型，并在满足约束的条件下，实现多个被控变量对参考指令的无偏跟踪。

技术领域

本发明提供了一种基于自校正模型的航空发动机双模跟踪预测控制系统设计方法，属于航空航天推进系统控制与仿真技术领域。

背景技术

航空发动机是航空器的动力来源，被广泛应用于军事和交通领域。随着航空技术的发展，航空发动机工作范围不断拓宽，内部结构日益复杂，任务需求日趋多样，这对航空发动机控制系统提出了更高的要求。

对于航空发动机控制系统，其核心的任务主要包括：对飞行过程中的推力需求进行快速响应；保证发动机在运行过程中不超出安全边界。传统的航空发动机控制系统，通过在稳态控制器，加减速计划和限制保护模块间进行功能切换，来实现安全条件下对航空发动机的控制。随着研究的不断深入，国内外已有大量文献证明，传统的控制系统在控制过程中存在一定的保守性，难以发挥航空发动机的潜在性能。传统航空发动机控制系统的不足体现以下几个方面：首先，在设计航空发动机多变量控制器时，需要进行输入输出变量的解耦工作，而航空发动机结构复杂，非线性强，导致控制器设计过程复杂，而且容易出现解耦不彻底，影响控制效果；其次，由于航空发动机在不同工作环境下，生命周期中不同阶段，以及不同发动机之间，存在一定的特性差异，为保证发动机运行的安全性，加减速计划与安全边界的设计往往较为保守，无法根据发动机的实际情况进行调整；此外，目前的航空发动机限制保护模块调节的变量主要局限于燃油流量，而对于航空发动机部分限制参数，通过限制其他控制参数可能具有更加明显的效果。

综上所述，先进航空发动机控制系统应具备多变量控制的能力；同时在保证航空发动机安全运行的前提下，为满足航空发动机快速响应的需求，过渡态的工作点要尽可能贴近安全边界；对于实际航空发动机特性与标称特性的差异，控制系统应能够进行自校正，以保证控制系统的控制性能。

对于以上的要求，可以通过配合使用模型预测控制器和扩展卡尔曼滤波器实现控制系统的设计，但是二者实际应用中均存在一定的问题。首先，模型预测控制虽然能够直接处理带约束的多变量控制问题，但直接使用精度较高的非线性模型意味着在线求解非线性优化问题，难以满足系统对实时性的需求，如果使用预先计算好的线性模型，则因为线性模型难以保证在全飞行包线内的计算精度，容易出现稳态误差以及控制性能下降的问题。而对于扩展卡尔曼滤波器，同样需要线性模型作为其对相关参数进行估计的基础，且随着航空发动机特性变化，相关线性模型也应实时进行调整，否则将一定程度影响到扩展卡尔曼滤波器的估计效果。

本发明基于逐次线性化的方法，在每个控制周期内根据即时的输入参数，利用航空发动机非线性稳态模型获取航空发动机小偏离线性化模型作为模型预测控制的预测模型。利用约束条件将控制域划分为终端区域与非终端区域，在终端区域采用鲁棒性较高的线性反馈跟踪控制器，在非终端区域采用滚动优化的方法，实现航空发动机对控制指令的无偏跟踪。同时，本发明中通过扩展卡尔曼器对发动机退化因子进行估计对航空发动机非线性稳态模型进行，使得双模预测控制器和扩展卡尔曼滤波器使用的线性模型能够实现自校正，以进一步调高控制系统的性能。

发明内容

为了保证航空发动机在整个飞行包线内安全运行的前提下，实现对多变量控制指令的无偏差跟踪，同时克服航空发动机自身性能退化的影响，本发明提出一种基于自校正模型的航空发动机双模跟踪预测控制系统设计方法。

本发明的技术方案：