[發明專利]一種基于模型預測的航空發動機在線優化及多變量控制設計方法

有效

• 申請號: 201810635496.8
• 申請日: 2018-06-15
• 公開（公告）號: CN108762089B
• 公開（公告）日: 2021-02-19
• 發明（設計）人: 孫希明;杜憲;馬艷華;王智民
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

一種基于模型預測控制的航空發動機在線優化及多變量控制設計方法，在滿足約束下，根據推力、轉速等需求，實現航空發動機多個變量的控制與在線優化。控制系統包括兩部分：第一部分是預測模型獲取層，以航空發動機每個控制周期的實際工作狀態和外部環境參數為基準，連續建立不同穩態點附近的發動機小偏離線性模型，并將模型參數提供給控制器；第二個部分是控制規律決策層，由模型預測控制器和外部輸出反饋構成的閉環結構，模型預測控制器根據當前狀態下的發動機模型，控制指令和相關約束限制，通過求解線性優化問題確定控制器下一時刻輸出，外部輸出反饋則將航空發動機實際輸出引入到控制器對未來控制量的決策中，以補償模型失配和外部擾動的影響。

技術領域

本發明提供了一種基于模型預測的航空發動機在線優化及多變量控制設計方法，屬于航空航天推進系統控制與仿真技術領域。

背景技術

隨著航空發動機技術的不斷進步，現代航空發動機的結構日益復雜，工作范圍也不斷擴大，航空發動機控制系統的要求也越來越高，傳統的單輸入/單輸出的控制系統已經難以滿足控制需求。因此，選取更多的控制變量以實現對發動機多個參數進行控制的多變量控制系統成為提高發動機控制系統性能的重要手段。模型預測控制作為一種基于模型的多變量控制算法，不僅可以實現對航空發動機系統多個變量的有效控制，而且可以處理航空發動機控制過程需要處理各種約束問題，可以充分發揮航空發動機的潛力，提高整個航空推進系統性能。盡管模型預測控制具有許多優秀的特性，但也存在著控制器性能與控制系統實時性難以兼顧的缺點。本發明基于發動機的實際輸入量，每個控制周期連續建立發動機線性化模型，并在考慮控制系統執行機構的基礎上設計多變量模型預測控制器，實現實時在線優化，在減少模型預測控制計算量的同時提高了控制系統的性能。

發明內容

為了保證航空發動機在整個飛行包線內，考慮執行機構自身特性、物理約束以及工作限制條件下，實現多個控制量下的穩態控制和過渡態控制，本發明提出一種基于模型預測的航空發動機在線優化及多變量控制設計方法。

本發明的技術方案：

一種基于模型預測的航空發動機在線優化及多變量控制設計方法，控制系統結構主要由兩部分組成，第一部分是預測模型獲取層，以航空發動機每個控制周期的實際工作狀態和外部環境參數為基準，連續建立不同穩態點附近的發動機小偏離線性模型，并將模型參數提供給控制器；第二個部分是控制規律優化決策層，由模型預測控制器和外部輸出反饋構成，通過求解帶約束的線性優化問題與閉環反饋作用，確定控制器的控制輸出；具體步驟如下：

S1.實時連續地建立以航空發動機當前實際工作狀態和外部環境為穩態點的航空發動機小偏離線性模型；航空發動機的實際輸入包括主燃燒室燃油流量、加力燃燒室燃油流量、尾噴口截面積、風扇靜子導流葉片角度、壓氣機靜子導流葉片角度等發動機可控參數；外部環境參數包括飛行高度、飛行馬赫數等環境參數；航空發動機小偏離線性模型通過抽功法得到，以狀態空間形式表達；

S2.將步驟S1獲得的航空發動機小偏離線性模型進行歸一化處理，即將輸入變量、狀態變量、輸出變量的絕對增量通過線性變換轉變為關于穩態點的相對增量；將歸一化之后的模型進行離散化處理，使得模型的參數便于數字控制使用，離散化的采樣周期與控制周期相同；

S3.設計模型預測多變量控制器；控制器中存儲的數據包括：航空發動機歸一化和離散化的線性模型參數，執行機構的離散化模型，控制系統的約束條件；在控制系統的控制結構中，執行機構和航空發動機為串聯方式連接的兩個子系統，因此每個控制周期將航空發動機和執行機構通過串聯方式合并為一個整體系統的狀態空間表達式，并拓展為增廣狀態空間表達式；對于在線優化部分，以預測輸出與期望輸出的差值、輸入量變化幅度等因素構建指標最小化的目標函數，再以控制系統的實際輸入輸出量限制為優化約束條件，通過在線求解上述帶約束的線性優化問題獲得下一步的控制輸出；