航空發(fā)動機(jī)頻域建模與多變量魯棒控制方法研究.pdf

1、隨著航空技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)對于發(fā)動機(jī)性能的要求不斷提高，使得航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展成為復(fù)雜的多變量系統(tǒng)。多變量控制系統(tǒng)設(shè)計方法已成為航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)重要的研究方向，先進(jìn)的多變量設(shè)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(jī)模型。本文圍繞航空發(fā)動機(jī)模型和控制系統(tǒng)設(shè)計開展了航空發(fā)動機(jī)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)頻域辨識、航空發(fā)動機(jī)魯棒PI控制，航空發(fā)動機(jī)PID控制參數(shù)頻域整定方法、航空發(fā)動機(jī)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(jī)性能尋優(yōu)控制

2、相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究，進(jìn)行了數(shù)字仿真驗證。
　　研究了航空發(fā)動機(jī)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(gòu)建待辨識參數(shù)的極大似然準(zhǔn)則函數(shù)，設(shè)計合適的多正弦激勵信號，優(yōu)化求解獲得模型參數(shù)。針對執(zhí)行機(jī)構(gòu)回路因開環(huán)含有積分環(huán)節(jié)而無法進(jìn)行開環(huán)辨識的問題，提出并證明了一類線性定常負(fù)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(jī)構(gòu)回路進(jìn)行閉環(huán)辨識試驗提供了理論依

3、據(jù)。在航空發(fā)動機(jī)半物理仿真試驗平臺進(jìn)行頻率響應(yīng)試驗，獲得多個主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)的頻率動態(tài)特性。提出一種帶非線性權(quán)重的頻率特性參數(shù)辨識方法，應(yīng)用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)回路的動態(tài)特性，建立執(zhí)行機(jī)構(gòu)回路數(shù)學(xué)模型。與試驗數(shù)據(jù)的對比表明，所建立的執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型具有較高的精度。
　　針對航空發(fā)動機(jī)由于非線性、個體差異等因素使之成為區(qū)間參數(shù)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(shù)頻域-時域優(yōu)化方法。該方法利用邊界理論將區(qū)間參數(shù)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(shù)和PI參數(shù)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(shù)系統(tǒng)的PI參數(shù)穩(wěn)定域。并以動態(tài)性能和魯棒性能指標(biāo)為目標(biāo)，在穩(wěn)定域內(nèi)求取最優(yōu)參數(shù)。在航空發(fā)動機(jī)非線性模型上的仿真驗證表明，所設(shè)計的魯棒最優(yōu)PI控制器對發(fā)動機(jī)參數(shù)在一定范圍內(nèi)攝動下具有較好的控制品質(zhì)。
　　研究了航空發(fā)動機(jī)PID控制器的頻域設(shè)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(shù)整定方法。針對單變量系統(tǒng)，

5、將有限匹配頻率擴(kuò)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(shù)；針對多變量系統(tǒng)情況，根據(jù)Rosenbrock頻域理論，結(jié)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(shù)優(yōu)化問題，采用SQP方法求解PID參數(shù)。設(shè)計了在線模糊切換控制器，將發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)工作點PID控制器的適用范圍擴(kuò)展到動態(tài)過程，實現(xiàn)了航空發(fā)動機(jī)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(jī)性能尋優(yōu)控制的研究。針對航空發(fā)動機(jī)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(yīng)慣性權(quán)重改進(jìn)粒子群優(yōu)化算法，通過調(diào)節(jié)迭代過程中粒子的權(quán)重系數(shù)，重新調(diào)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(jī)的潛能。
　　基于NICompactRIO硬件平臺和