孟洋+趙軍

摘要：本文通過多個(gè)控制器間的切換改善了航空發(fā)動(dòng)機(jī)加速過程的動(dòng)態(tài)性能，并在轉(zhuǎn)速過高時(shí)加以保護(hù)。首先，根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)模型利用區(qū)域極點(diǎn)配置方法對(duì)于每個(gè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)H_∞輸出跟蹤控制器，并且設(shè)計(jì)滯后切換規(guī)則，使發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速既能快速跟蹤參考加速曲線又能保證較小超調(diào)，同時(shí)由于滯后切換規(guī)則的存在避免頻繁切換造成的執(zhí)行機(jī)構(gòu)不必要的損耗；然后設(shè)計(jì)安全保護(hù)控制器及事件觸發(fā)的切換機(jī)制，在高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速過高時(shí)保護(hù)轉(zhuǎn)速使其不超過最高轉(zhuǎn)速邊界，保證飛行安全；最后通過數(shù)例仿真驗(yàn)證了本文方法的有效性。

關(guān)鍵詞：切換控制；極點(diǎn)配置；航空發(fā)動(dòng)機(jī)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；安全保護(hù)

中圖分類號(hào)：TP13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： In this paper， the dynamic performance of the acceleration process of the aero-engine is improved by the switching between multiple controllers. Firstly， by a regional pole placement method， theH_∞output trackingcontroller for each subsystemand a set ofhysteresis switching signals are designedso as tothe high pressure rotor speed track the reference acceleration curve rapidly with a small overshoot. Unnecessary losses due to frequent switching can be avoided because of the hysteresis switching rule.Then we design a security protection controller and an event triggered switching mechanism，the high pressure rotor speed will be limited under the highest speed line when it is too high to ensure flight safety.Finally， theeffectiveness of the proposed control design scheme is illustrated.

Keywords：switching control； pole placement； aero-engine； speed regulation； security protection

1引言

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制中需要一種能夠使用傳統(tǒng)的線性系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法且設(shè)計(jì)簡單、計(jì)算量小的方法，而增益調(diào)度技術(shù)正好滿足這一要求。增益調(diào)度把非線性對(duì)象在某些工作點(diǎn)進(jìn)行線性化，采用經(jīng)典的線性控制理論設(shè)計(jì)局部控制器，然后根據(jù)反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的調(diào)度變量對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行選擇，從而實(shí)現(xiàn)了全工況控制器參數(shù)選擇[1]。

按照上述的增益調(diào)度的方法設(shè)計(jì)一個(gè)全局控制器可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能，但傳統(tǒng)的單控制器控制方法只能滿足對(duì)某一個(gè)性能的要求，不能同時(shí)滿足系統(tǒng)對(duì)其他性能的要求。如果設(shè)計(jì)多個(gè)控制器分別滿足系統(tǒng)對(duì)各個(gè)性能的要求，然后根據(jù)切換規(guī)則適時(shí)切換就能同時(shí)滿足系統(tǒng)對(duì)多個(gè)性能的要求，這正是切換控制的優(yōu)勢(shì)所在。在切換控制中，切換策略起著至關(guān)重要的作用[2]。按照合理的切換策略進(jìn)行切換，可以充分發(fā)揮每個(gè)子系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，隨著飛行范圍不斷擴(kuò)大、飛行速度不斷增加、機(jī)動(dòng)性能不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性與安全性間的矛盾更加突出[3]。因此安全保護(hù)是每臺(tái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)都必須具備的控制功能。

本文主要研究發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的加速控制，旨在令發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速沿比較理想的參考加速曲線加速到穩(wěn)定值，跟蹤過程既要快速又要具備較小的超調(diào)；同時(shí)為防止加速過程中高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速過高威脅飛行安全，加入安全保護(hù)環(huán)節(jié)對(duì)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速加以限制，防止其高于最高轉(zhuǎn)速邊界，以此保護(hù)飛行安全。應(yīng)用增益調(diào)度和區(qū)域極點(diǎn)配置的綜合設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)兩個(gè)H_∞全局跟蹤控制器，使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速跟蹤一個(gè)比較理想的加速參考曲線，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)以預(yù)期的效果進(jìn)行加速。同時(shí)通過設(shè)計(jì)合理的切換規(guī)則在兩個(gè)控制器之間切換，使得系統(tǒng)同時(shí)滿足對(duì)于跟蹤快速性和較小超調(diào)的要求。在安全保護(hù)控制器的設(shè)計(jì)中，可以使用跟蹤控制來限制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速[4]。然而[4]中使用的是比例控制器，沒有抗干擾的能力。[5]中使用了H_2/H_∞跟蹤控制器，保證了系統(tǒng)運(yùn)行中對(duì)干擾的抑制能力，但是由于只使用了單個(gè)控制器只能優(yōu)化系統(tǒng)的某個(gè)性能指標(biāo)，無法滿足系統(tǒng)對(duì)多個(gè)性能指標(biāo)的要求。相對(duì)于[5]的單個(gè)控制器，本文使用的切換控制器能夠同時(shí)滿足系統(tǒng)對(duì)跟蹤快速性和小超調(diào)的要求，這正是切換控制器的優(yōu)點(diǎn)所在。由于本文使用H_∞跟蹤控制器，因此相對(duì)于[4]中的比例跟蹤控制器，本文的方法能夠抑制干擾對(duì)系統(tǒng)的影響。

5結(jié)論

本文通過切換方法主要研究了航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)及安全保護(hù)問題。首先，根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)模型利用區(qū)域極點(diǎn)配置方法設(shè)計(jì)多個(gè)H_∞跟蹤控制器，并且設(shè)計(jì)滯后切換規(guī)則，使發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速既能快速跟蹤參考加速曲線又能保證較小超調(diào)，同時(shí)由于滯后切換規(guī)則的存在避免頻繁切換造成的執(zhí)行機(jī)構(gòu)不必要的損耗；然后設(shè)計(jì)安全保護(hù)控制器，在高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速過高時(shí)保護(hù)轉(zhuǎn)速使其不超過最高轉(zhuǎn)速邊界，保證飛行安全；最后通過數(shù)例仿真驗(yàn)證了本文方法的有效性。

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