[發(fā)明專利]控制方法、裝置及航空發(fā)動(dòng)機(jī)限制保護(hù)控制方法、裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910583630.9
• 申請(qǐng)日: 2019-07-01
• 公開（公告）號(hào): CN110221537A
• 公開（公告）日: 2019-09-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 管庭筠;李秋紅;單睿斌;龐淑偉;倪波
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B13/02
• 分類號(hào): G05B13/02
• 代理公司: 北京德崇智捷知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11467
• 代理人: 楊楠

本發(fā)明公開了一種控制方法，對(duì)現(xiàn)有緊格式無模型自適應(yīng)控制方法進(jìn)行改進(jìn)，通過在輸入準(zhǔn)則函數(shù)中增加誤差變化率，使得控制系統(tǒng)對(duì)偏差變化能夠提前響應(yīng)，提高了控制系統(tǒng)的魯棒性。本發(fā)明還公開了一種控制裝置以及一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)限制保護(hù)控制方法、裝置。本發(fā)明控制方法可提高控制響應(yīng)速度，而本發(fā)明航空發(fā)動(dòng)機(jī)限制保護(hù)控制方法、裝置能夠使航空發(fā)動(dòng)機(jī)限制量在3s內(nèi)回到限制值內(nèi)，且無震蕩，最大超限小于3%；另外總體控制結(jié)構(gòu)采用的是把超過限制的偏差轉(zhuǎn)化為對(duì)主回路控制器參考指令修正的間接限制結(jié)構(gòu)，故可以避免直接限制結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的極限環(huán)問題和控制器來回切換。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種控制方法，尤其涉及一種改進(jìn)無模型自適應(yīng)控制方法及其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制中的應(yīng)用。

背景技術(shù)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)旨在使發(fā)動(dòng)機(jī)可在任何工況下安全穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。一般在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，通過制定發(fā)動(dòng)機(jī)加速和減速計(jì)劃能夠使其不進(jìn)入喘振、失速以及熄火等非正常工作狀態(tài)。但是若出現(xiàn)諸如發(fā)動(dòng)機(jī)性能退化、故障、發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)時(shí)間過慢以及由人為因素引起的誤操作等情況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、壓氣機(jī)出口靜壓以及低壓渦輪排氣溫度可能會(huì)超過其限制值，上述四個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)中任意一個(gè)超過其限制值時(shí)，均會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷。發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子超轉(zhuǎn)時(shí)間過長會(huì)導(dǎo)致葉片折斷或者壓氣機(jī)以及渦輪輪盤出現(xiàn)裂紋，壓氣機(jī)出口靜壓長時(shí)間超過限制會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒套筒破裂，最后渦輪排氣溫度較長時(shí)間在限制值之上，可能導(dǎo)致渦輪葉片受到熱應(yīng)力的影響，產(chǎn)生高溫蠕變和燒蝕等現(xiàn)象。為避免上述情況的發(fā)生，設(shè)計(jì)人員通過附加強(qiáng)制性的限制值，使得發(fā)動(dòng)機(jī)工作在安全限制范圍內(nèi)，以確保飛行安全。

目前，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)限制保護(hù)控制設(shè)計(jì)方面，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了一系列研究。傳統(tǒng)的超限保護(hù)控制由兩種結(jié)構(gòu)：1)間接限制結(jié)構(gòu)：將超限量轉(zhuǎn)化為對(duì)主控制回路指令的調(diào)整，設(shè)計(jì)從限制量到主回路指令調(diào)整的控制器，通過降低主控制回路的指令信號(hào)將超出最大限制的變量調(diào)整回限制值，如果是最小值限制則增大主控制回路的指令信號(hào)；2)直接限制結(jié)構(gòu)：對(duì)限制控制回路單獨(dú)設(shè)計(jì)控制器，將限制控制回路輸出的燃油指令和主控制回路的燃油指令進(jìn)行低選避免超出最大限制，同樣通過高選避免超出最小值限制。除了這兩種控制結(jié)構(gòu)外，近年來還新興了一種基于模型預(yù)測控制方法的超限保護(hù)控制，將限制值作為模型預(yù)測控制的約束，通過優(yōu)化獲得不超出限制值的控制量輸出。北京航空航天大學(xué)的王曦針對(duì)直接限制結(jié)構(gòu)，基于微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)采用傳統(tǒng)的基于增益調(diào)度的PI控制進(jìn)行超限保護(hù)控制器設(shè)計(jì)，此外還基于大涵道比民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，針對(duì)間接限制結(jié)構(gòu)采用一種高回路穩(wěn)態(tài)增益的滯后-超前頻域校正設(shè)計(jì)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的超限保護(hù)控制器。美國Cleveland大學(xué)的Hanz Richter和NASA Glenn研究中心的Jonathan S.Litt針對(duì)直接限制結(jié)構(gòu)，利用一種基于混合H₂/H_∞框架的滑模控制方法設(shè)計(jì)限制保護(hù)控制器，改善了基于傳統(tǒng)高低選策略設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)限制保護(hù)控制器時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)性能難以得到充分發(fā)揮的問題。Kolmanovsky等人也針對(duì)直接限制結(jié)構(gòu)，利用非線性系統(tǒng)理論以及預(yù)測控制來進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)限制保護(hù)控制器設(shè)計(jì)。

對(duì)于采取直接限制結(jié)構(gòu)的控制，需要單獨(dú)設(shè)計(jì)限制控制器，主控制器和限制控制器直接限制量的切換會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來不利的影響。而間接限制方式，通過改變主控制回路的指令來實(shí)現(xiàn)限制目標(biāo)，而指令的變化不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

間接限制時(shí)，以傳統(tǒng)PI控制設(shè)計(jì)從超限量到主回路指令調(diào)整的保護(hù)控制器時(shí)，單組PI參數(shù)無法，需要進(jìn)行增益調(diào)度，而性能退化等不確定性因素對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能有較大影響，增加了參數(shù)調(diào)度的困難。而利用現(xiàn)代控制理論進(jìn)行超限控制器設(shè)計(jì)，需要先基于受控系統(tǒng)建立線性模型，而基于有限工作點(diǎn)設(shè)計(jì)的控制器同樣會(huì)受到發(fā)動(dòng)機(jī)不確定性的影響。此外，基于現(xiàn)代控制理論設(shè)計(jì)的超限控制器，其參數(shù)調(diào)整相比數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的無模型控制算法更為困難，不利于工程實(shí)踐中的現(xiàn)場調(diào)整。無模型自適應(yīng)控制是一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的控制算法，自1994年提出以來，在電機(jī)、化工、機(jī)械等領(lǐng)域均有成功的應(yīng)用。