[發明專利]一種航空發動機顯式預測控制器的設計方法

有效

• 申請號: 202011282677.0
• 申請日: 2020-11-14
• 公開（公告）號: CN112327669B
• 公開（公告）日: 2022-02-18
• 發明（設計）人: 楊斌;馮川;孫希明;杜憲;溫思歆
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

本發明提供了一種航空發動機顯式預測控制器的設計方法，屬于航空宇航推進理論與工程中的系統控制與仿真技術領域。為了解決傳統模型預測控制算法在實際應用中存在運算量大、實時性較差的問題，本發明的方法中多變量控制采用多速率雙閉環控制，保證了控制精度；在計算上通過多參數規劃將在線優化問題轉化為線性的讀取映射和函數計算問題，大幅度減少了計算量。數值仿真和硬件在環仿真結果表明，轉速和壓比穩態誤差分別不超過±0.25％和±1％，控制器在25ms控制周期內能完成計算，滿足嵌入式系統實時性要求，具有一定的工程應用價值。

技術領域

本發明提供了一種航空發動顯式預測控制器的設計方法，屬于航空宇航推進理論與工程中的系統控制與仿真領域。

背景技術

航空發動機是具有強非線性、多變量耦合的復雜非線性系統，實際工作過程中還要考慮環境中的噪聲和執行機構幅值限制、速率限制等約束的影響。傳統航空發動機控制系統基于單變量控制器實現對目標值的跟蹤，并通過Max-Min選擇邏輯實現約束管理。但這種約束管理方法并不能保證受限控制器輸出在所有情況下都不超限，在過渡態和某些極端環境下依然可能出現部分物理量超限，給航空發動機的安全運行帶來隱患。因此，針對帶約束的多變量控制理論具有重大的研究意義。模型預測控制將控制問題簡化為二次規劃問題，通過反復在線滾動優化，求解帶約束情況下的最優控制律，可以很好的解決多變量和約束管理問題，在煉油化工等慢動態領域已經有大量的應用。但是一方面當問題規模較大以及系統動態變化較快的情況下，如電機控制、汽車高頻振動以及航空領域，其在線計算量和需要的存儲空間將會比較大，這限制了模型預測控制在快速動態領域的應用；另一方面模型預測控制的反復在線計算特點使得閉環預測控制屬于一類復雜的非線性系統，很難建立該系統的輸入與輸出之間的顯式表達式，從而無法分析該閉環系統的穩定性和魯棒性等。顯式模型預測控制將多參數規劃理論引入到線性時不變對象的約束二次優化控制問題的解中，將系統的狀態區域進行凸劃分，在離線計算階段得到對應每個狀態分區上的狀態反饋最優顯式控制律，在線計算階段通過查表確定當前狀態所在的分區，大大減少了計算量，為硬件在環和半實物仿真試驗提供了理論基礎。目前為止，沒有專利公開基于航空發動機的顯式預測控制器的設計方法并開展硬件在環仿真試驗。

發明內容

為了解決傳統模型預測控制算法在實際應用中存在運算量大、實時性較差的問題，本發明提出了一種基于多參數規劃的顯式模型預測控制器設計方法。

一種航空發動機顯式模型預測控制器設計方法，包括以下步驟：

第一步，獲得航空發動機狀態變量模型；

第二步，設計顯式模型控制器；

第三步，數值仿真和硬件在環仿真。

現具體闡述如下：

第一步，獲得航空發動機狀態變量模型；

根據航空發動機工作原理，發動機輸出高壓轉子轉速與主燃油相關性比較強，輸出渦輪落壓比與尾噴管面積相關性比較強。采用系統辨識法，由于求解的各控制變量之間一般相差多個數量級，為了數值計算的穩定性，首先需要對狀態變量模型歸一化。歸一化完成后，在標準工況點分別對燃油和尾噴管面積控制量施加小階躍擾動，其他控制量不變，得到發動機輸出的多個非線性動態響應序列，由擬合法思想可得到關于狀態變量模型參數矩陣的多變量最小二乘方程，求解參數方程即可獲得航空發動機狀態變量模型。

第二步，設計顯式模型控制器；

顯式模型預測控制算法包括離線計算和在線計算，離線計算應用多參數規劃方法對系統的狀態區域進行凸劃分，并得到每個狀態區上的狀態反饋最優控制律，在線計算時只需確定當前時刻系統狀態所處的分區并線性計算得到當前時刻的最優控制量。顯式模型預測控制通過離校計算和在線計算大幅度減少了計算量，為控制器的硬件在環仿真提供了理論基礎。

第三步，數值仿真和硬件在環仿真。