[發明專利]一種考慮時延的航空發動機分布式控制律設計及驗證方法

有效

• 申請號: 202010151847.5
• 申請日: 2020-03-06
• 公開（公告）號: CN111413866B
• 公開（公告）日: 2021-08-06
• 發明（設計）人: 杜憲;王欣悅;孫希明;馬艷華
• 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

1.一種考慮時延的航空發動機分布式控制律設計及驗證方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1.對存在時延的航空發動機分布式系統的狀態空間模型進行離散化增廣建模，使之在形式上成為無時延的標準離散模型；

對航空發動機分布式系統狀態空間模型進行離散化增廣建模的步驟如下：

S1.1首先考慮某型渦扇發動機，確定其小偏差線性化模型，其包含執行機構的連續狀態空間模型表達式為：

其中，x(t)是狀態向量，u(t-τ)是控制向量，y(t)是輸出向量，τ是系統的網絡時延，A、B、C是適維矩陣；

S1.2設計分布式控制系統總線通信方式；分布式控制系統的通信方式采用時間觸發架構；其中，時間觸發架構總線由于采用周期性的時間觸發，將總線的數據延遲限制為采樣時間的整數倍，即τ＝mh，m≥1，h為系統的采樣時間；使得時間觸發架構總線能提供高度可靠的數據傳輸和可預測的恒定時間延遲，且具有較高的容錯能力；對于航空發動機這樣的安全關鍵分布式控制系統，使用時間觸發機制；

S1.3對上述航空發動機的連續狀態空間模型進行離散化處理，得到離散化狀態空間模型如下：

其中，k表示當前系統處在第k個采樣周期，m表示總線的數據延遲是系統采樣周期的m倍，Φ和Γ是離散系統矩陣，Φ＝e^Ah，e是自然常數，s為拉普拉斯算子；

S1.4為了將存在時延的離散化狀態空間模型轉化為無時延的標準形式，定義如下增廣狀態變量：

從而，增廣后的航空發動機分布式系統的狀態空間模型表示為：

其中，和為增廣離散系統的系數矩陣，

其中I為單位陣；

S2.對增廣后的航空發動機分布式系統模型設計ALQR控制器，實現對分布式系統中網絡時延的控制；

S2.1給定階躍信號r，將系統誤差記為err，err＝r-y；并對增廣后的系統模型進行微分，得到：

S2.2狀態向量進行再一次增廣；將系統誤差err增廣到z(k)中，記為z，

那么，系統模型進一步轉換為如下表述形式：

其中，

S2.3為了得到系統的最優反饋增益矩陣，求解黎卡提方程：

其中，Q＝Q^T≥0，R＝R^T≥0，且Q和R為適維矩陣；

S2.4采用狀態反饋控制，系統控制律為：為反饋增益矩陣：其中矩陣P滿足黎卡提方程：

G^TP+PG-PHR^-1H^TP+Q＝0；

S2.5將反饋矩陣寫成分塊矩陣形式，即那么系統的控制輸入表示為：

對上式做拉普拉斯變換，得到系統的最終控制律為：

S3.在Truetime工具箱中搭建航空發動機分布式控制系統仿真平臺，并對所設計的ALQR控制器進行仿真驗證；

S3.1利用Truetime工具箱中的內置模塊，構建分布式仿真平臺整體模型框架，包括網絡設置模塊、傳感器數據發送模塊、控制器數據接收模塊、控制器數據發送模塊和執行器數據接收模塊；此外再搭建被控對象模塊和控制器模塊，并將其與Truetime中的數據發送模塊和數據接收模塊對應連接；

S3.2設置網絡設置模塊參數；選定總線類型，并根據所模擬的航空發動機分布式控制系統實際情況，對節點數量、數據傳輸速度、丟包率、網絡空閑時間進行設置；

S3.3將傳感器發送模塊的觸發信號的周期設為2倍的實際系統采樣周期，脈寬為觸發周期的50％，以保證仿真平臺的采樣周期與實際系統采樣周期相等；S3.4對兩個數據發送模塊和兩個數據接收模塊分別編號，系統將根據編號確定信息傳輸的方向和順序；并設置傳感器數據發送模塊和控制器數據發送模塊的工作時段、所發送的數據類型及數據包的大小；

S3.5將航空發動機的狀態空間模型嵌入被控對象模塊，將所設計的ALQR控制器嵌入控制器模塊，給定輸入信號，運行仿真模型，即可查看系統的控制效果。