[發(fā)明專利]一種航空發(fā)動機多模型預測控制的軟切換方法

有效

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• 申請日: 2021-05-20
• 公開（公告）號: CN113268000B
• 公開（公告）日: 2022-08-09
• 發(fā)明（設計）人: 孫希明;郝光超;聶聆聰;杜憲;楊斌;溫思歆
• 申請（專利權）人: 大連理工大學;北京動力機械研究所
• 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: 隋秀文;溫福雪

本發(fā)明公開一種航空發(fā)動機多模型預測控制的軟切換方法。首先，將非線性航空發(fā)動機模型的不同局部工作區(qū)域線性化。然后，為每個線性模型設計一個模型預測控制器。用于多個模型預測控制器的傳統(tǒng)硬切換方法可能會導致不良的瞬態(tài)行為。因此，本發(fā)明提出了一種軟切換機制，該機制采用模型預測控制器目標函數(shù)在切換前后的凸組合，以確保在相鄰區(qū)域切換時航空發(fā)動機的平穩(wěn)過渡。然后，使用多參數(shù)二次規(guī)劃算法來解決該問題的次優(yōu)解決方案，從而減少了計算量并獲得了明確的解決方案。最后，將上述控制算法應用于渦扇發(fā)動機控制系統(tǒng)，通過數(shù)值實驗可以得出上述控制算法的有效性和優(yōu)越性。

技術領域

本發(fā)明公開一種航空發(fā)動機多模型預測控制的軟切換方法，屬于控制算法設計領域。

背景技術

隨著技術創(chuàng)新和產業(yè)進步，人們對飛機的安全，穩(wěn)定，高效控制的要求越來越高，而航空發(fā)動機是飛機的重要組成部分，是一個典型的非線性系統(tǒng)，其外部條件和內部參數(shù)變化范圍較大，變化速率較快，單一的控制策略不能保證發(fā)動機在大范圍內都具有良好的性能，難以滿足現(xiàn)代航空發(fā)動機的控制要求。現(xiàn)在航發(fā)發(fā)動機控制，既要保證發(fā)動機在限制范圍內工作，又要保證有良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)品質，還要保障發(fā)動機的安全運行。

在這種情況下，模型預測控制(MPC)可以通過在線滾動優(yōu)化的方法來處理受約束的優(yōu)化問題，因此在發(fā)動機控制領域引起了極大的興趣。Richter將模型預測控制應用在渦扇發(fā)動機上，實現(xiàn)了對風扇轉速的跟蹤控制及輸入輸出參數(shù)的限制。Saluru等提出將模型預測控制器代替PID控制器，對退化發(fā)動機進行容錯控制。國內關于模型預測控制在航空發(fā)動機上應用也開展一系列的研究。肖玲斐等以數(shù)值-ARX并聯(lián)模型為預測模型，設計了渦軸發(fā)動機的自適應非線性預測控制器。杜憲等針對航空發(fā)動機的約束管理問題，設計了非線性模型預測控制器實現(xiàn)對發(fā)動機輸出量的約束管理，并與Min-Max控制邏輯進行了比較。目前航空發(fā)動機(如GE90、PW2000)普遍采用線性控制器及Min-Max選擇邏輯來實現(xiàn)限制管理，但該約束管理方法并不能保證受限輸出在所有情況下不超限，無法發(fā)揮發(fā)動機的最佳性能并且可能帶來一些安全隱患。由此可見，近年來國內外學者從不同角度對模型預測控制在航空發(fā)動機上的應用進行了研究，并取得了一定的成果。但對于渦扇發(fā)動機，研究對象主要是單變量模型預測控制器，對于考慮約束的多變量預測控制的研究較少。而且MPC必須要在每個控制周期中解決優(yōu)化問題產生控制信號，在線的實時計算會給系統(tǒng)帶來巨大的計算負擔，使得控制的實時性大大降低。Alberto Bemporad等人提出了一種在有限水平優(yōu)化的顯式解決方案，使MPC適用于實時控制問題。

而非線性MPC的設計比一般發(fā)動機電子控制單元需要更多的計算能力，一種可行的解決方案就是應用線性MPC技術。在這種情況下，將發(fā)動機的運行范圍劃分為多個區(qū)域，并確定采用多個線性預測控制器的局部模型，以此逼近航空發(fā)動機的非線性動力學模型，并且以獲得的多個局部線性模型為預測模型設計多個線性預測模型控制器。在過渡運行中，每當發(fā)動機工況越過所劃分的邊界時，控制器將根據(jù)當前發(fā)動機的運行點進行切換。這種交換式線性時不變(LTI)MPC體系結構降低了計算復雜性，同時保留了非線性MPC的某些理想屬性。但是，由于開關點處控制規(guī)律的瞬時變化，這種硬切換的方式，可能會產生不良的瞬態(tài)行為，導致輸出響應突增或切換期間遞歸可行性的喪失。

而非線性MPC的設計比一般發(fā)動機電子控制單元需要更多的計算能力，一種可行的解決方案就是應用線性MPC技術。在這種情況下，將發(fā)動機的運行范圍劃分為多個區(qū)域，可以獲得多個局部線性模型逼近航空發(fā)動機的非線性動力學模型，并為這些模型分別設計MPC。在過渡運行中，每當發(fā)動機工況越過所劃分的邊界時，控制器將根據(jù)當前發(fā)動機的運行點進行切換。這種交換式線性時不變(LTI)MPC體系結構降低了計算復雜性，同時保留了非線性MPC的某些理想屬性。但是，由于開關點處控制規(guī)律的瞬時變化，這種硬切換的方式，可能會產生不良的瞬態(tài)行為，導致輸出響應突增或切換期間遞歸可行性的喪失。

發(fā)明內容