航空發(fā)動機頻域建模與多變量魯棒控制方法研究.pdf

1、隨著航空技術的發(fā)展，飛機對于發(fā)動機性能的要求不斷提高，使得航空發(fā)動機控制系統(tǒng)發(fā)展成為復雜的多變量系統(tǒng)。多變量控制系統(tǒng)設計方法已成為航空發(fā)動機控制系統(tǒng)重要的研究方向，先進的多變量設計方法同時又迫使著研究人員不斷追求更加精確的發(fā)動機模型。本文圍繞航空發(fā)動機模型和控制系統(tǒng)設計開展了航空發(fā)動機及執(zhí)行機構頻域辨識、航空發(fā)動機魯棒PI控制，航空發(fā)動機PID控制參數頻域整定方法、航空發(fā)動機控制器快速原型平臺及硬件在回路仿真驗證、航空發(fā)動機性能尋優(yōu)控制

2、相關關鍵技術的研究，進行了數字仿真驗證。
　　研究了航空發(fā)動機及執(zhí)行機構線性模型的頻域建模方法。針對時域建模方法易受噪聲信號干擾的缺點，提出對噪聲具有抑制性的頻域極大似然辨識方法。通過構建待辨識參數的極大似然準則函數，設計合適的多正弦激勵信號，優(yōu)化求解獲得模型參數。針對執(zhí)行機構回路因開環(huán)含有積分環(huán)節(jié)而無法進行開環(huán)辨識的問題，提出并證明了一類線性定常負反饋系統(tǒng)具有閉環(huán)可辨識性的充分必要條件，為執(zhí)行機構回路進行閉環(huán)辨識試驗提供了理論依

3、據。在航空發(fā)動機半物理仿真試驗平臺進行頻率響應試驗，獲得多個主要執(zhí)行機構的頻率動態(tài)特性。提出一種帶非線性權重的頻率特性參數辨識方法，應用于執(zhí)行機構回路的動態(tài)特性，建立執(zhí)行機構回路數學模型。與試驗數據的對比表明，所建立的執(zhí)行機構數學模型具有較高的精度。
　　針對航空發(fā)動機由于非線性、個體差異等因素使之成為區(qū)間參數系統(tǒng)的魯棒PI控制問題，提出了一種含有時滯環(huán)節(jié)的魯棒 PI控制參數頻域-時域優(yōu)化方法。該方法利用邊界理論將區(qū)間參數系統(tǒng)的穩(wěn)

4、定性問題分解至多個頂點子系統(tǒng)，通過D分解技術和PI參數穩(wěn)定域圖解法的融合，建立滿足幅值裕度和相角裕度的區(qū)間參數系統(tǒng)的PI參數穩(wěn)定域。并以動態(tài)性能和魯棒性能指標為目標，在穩(wěn)定域內求取最優(yōu)參數。在航空發(fā)動機非線性模型上的仿真驗證表明，所設計的魯棒最優(yōu)PI控制器對發(fā)動機參數在一定范圍內攝動下具有較好的控制品質。
　　研究了航空發(fā)動機PID控制器的頻域設計方法，提出一種考慮穩(wěn)定約束的頻域參考模匹配型PID控制參數整定方法。針對單變量系統(tǒng)，

5、將有限匹配頻率擴展到連續(xù)帶寬，并加入穩(wěn)定條件作為系統(tǒng)約束，建立頻率特性匹配優(yōu)化問題。采用SQP優(yōu)化方法優(yōu)化問題，獲取PID控制參數；針對多變量系統(tǒng)情況，根據Rosenbrock頻域理論，結合Gershgorin定理，提出系統(tǒng)穩(wěn)定的頻域條件，建立多變量頻域模型匹配PID參數優(yōu)化問題，采用SQP方法求解PID參數。設計了在線模糊切換控制器，將發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工作點PID控制器的適用范圍擴展到動態(tài)過程，實現(xiàn)了航空發(fā)動機大范圍的加、減速過程控制，并基

6、于無源性理論證明了切換系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
　　開展了航空發(fā)動機性能尋優(yōu)控制的研究。針對航空發(fā)動機最大輸出功率模式和最小耗油率模式下的尋優(yōu)控制問題，提出一種基于距離的自適應慣性權重改進粒子群優(yōu)化算法，通過調節(jié)迭代過程中粒子的權重系數，重新調整其搜索能力，從而避免原算法早熟以及容易陷入局部最優(yōu)的可能性。在非線性模型上的仿真驗證表明所提出的方法具有良好的優(yōu)化效果，能夠有效的挖掘發(fā)動機的潛能。
　　基于NICompactRIO硬件平臺和