[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

本發明屬于航空發動機控制算法設計領域，提出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，步驟如下：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；設計ALQR控制器，實現對分布式系統中網絡時延的控制；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。本發明方法能夠實現對分布式系統中網絡時延的控制，減少時延對發動機性能的影響；此外，針對存在時延的分布式系統的控制律設計方法具有一定的普適性，可以推廣到其他類型的分布式時延問題；同時，本發明提供的Truetime仿真平臺參數修改方便，可對其他分布式控制系統進行仿真驗證。

技術領域

本發明提出了一種考慮時延的航空發動機分布式控制系統的控制律設計及驗證方法，屬于航空發動機控制算法設計領域。

背景技術

本發明依托背景為某型渦扇發動機分布式控制系統的針對時延的控制律設計及驗證。

航空發動機是飛機的心臟，其性能的好壞直接關系到飛機的飛行安全。隨著人們對航空發動機控制要求的提高，其控制系統設計的復雜度也日益提升，傳統的集中式控制架構已經很難滿足復雜的控制需求。為了進一步提高發動機性能、減輕發動機總重、增加系統通用性、降低系統開發及維護成本，目前的航空發動機控制系統正在由集中式控制架構逐漸向分布式控制架構過渡。

分布式控制系統(Distributed Control System，簡稱DCS)是由網絡總線和智能節點構成的，包含控制器節點、傳感器節點和執行器節點。DCS把低級處理功能從全權限數字發動機控制器(Full Authority Digital Engine Control，簡稱FADEC)系統的中央控制器下放到現場的傳感器和執行機構中，中央控制器僅完成高級功能。在傳感器和執行機構中集成微處理器，使之成為智能傳感器和智能執行機構，各智能節點通過數據總線與中央控制器通訊。分布式控制系統與傳統的集中式控制系統相比，具有連線少、重量輕、易于系統安裝維護等優點，因此被廣泛應用于航空航天、汽車制造等諸多領域。

對于分布式控制系統來說，網絡自身特點不可避免地造成了控制系統的復雜性，主要表現為網絡時延、數據丟包等問題。其中網絡時延對系統穩定性和各項控制性能指標的影響尤其顯著，因此，針對存在網絡時延的分布式系統進行控制算法設計和建模仿真是十分必要的。

依據現有的文獻，對分布式控制系統中網絡時延的處理方法主要分為時延補償和控制律重構兩種。其中時延補償主要是采用Simth補償器減小時延對系統性能的影響，而控制律重構多采用模糊PID控制。以上方法在單輸入單輸出系統中具有良好的效果，但在多變量系統中需要經過復雜的處理才能起到較好的控制作用。在多變量控制算法中，增廣線性二次型調節器(Augmented Linear Quadratic Regulator，簡稱ALQR)不僅具有良好的魯棒性，而且消除了穩態誤差，具有很高的應用和研究價值。考慮到航空發動機的多變量控制需求，本發明針對存在時延的航空發動機分布式系統設計了ALQR控制器，以期減少時延對系統性能的影響。

同時，現有的航空發動機建模仿真工作多數是在MATLAB/Simulink平臺上進行的，但對于分布式控制系統而言，僅采用MATLAB進行仿真具有一定的局限性，這是因為分布式控制系統對實時性要求較高，需要有實時網絡的支持，才能模擬實際系統中的拓撲結構、智能節點及網絡通信情況。TrueTime是瑞典隆德大學自動化系推出的基于MATLAB/Simulink的網絡控制系統仿真工具箱。該工具箱針對每一特定的網絡協議，可以實現控制系統與實時調度的綜合仿真研究，是目前網絡控制系統理想的虛擬仿真工具之一。本發明在Truetime工具箱中搭建了航空發動機分布式控制系統仿真平臺，并將所提出的ALQR控制器在該平臺上進行了仿真驗證。

發明內容

為了減少分布式控制系統中的網絡時延對發動機系統性能的影響，提高航空發動機的控制性能及穩定性，本發明提供了一種考慮時延的航空發動機分布式控制系統的控制律設計及驗證方法。

本發明的技術方案為：