第四章-稳态控制器设计-王曦

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1、第四章稳态控制器设计第一章介绍了自动控制系统的三个基本功能，即稳态控制、过渡态控制和限制保护，本章我们将讨论第一个功能。稳态控制的目的是在相对较长的时间周期内调节发动机的性能，使其接近期望工作状态的性能。稳态控制又称设定点控制，稳态工作点有时被称为一个设定点，它对应于由发动机产生的一个固定功率状态，这个固定的功率状态由发动机转速或压比控制，通常，发动机设定点有慢车、巡航和起飞。之所以把稳态工作点设计的控制器称为设定点控制器，是因为这种控制器力图控制发动机，使其从偏离设定点附近的位置被拉回到设定点上工作，在

2、图4.1中由围绕三个设定点的三个虚线圆说明了这一情况。此图表示了典型压气机特性图上稳态共同工作线上的三个设定点：慢车、巡航和起飞。由第三章可知，起飞功率对战斗机而言是战斗状态功率或中间状态功率（不加力），对民机而言是最大状态功率。习惯上称设定点控制器为调速器，从现代控制的角度称它为调节器。共同工作线能在压气机特性图上向上或向下移动，取决于能从发动机排出多少空气或输出多少轴功率，因此，稳态控制器应该适应在共同工作线上的这种移动。即使共同工作线在压气机特性图上未变化，对于同一油门位置来说，设定点可以沿共同工作

3、线左移或右移，这是因为慢车状态或起飞状态设定点是按飞行高度和进口温度变化的，同时也是因为每个设定点风扇转速指令或压比指令的准确值是与相应于慢车和起飞指令之间的转速差或压比差成正比的。转速指令或压比指令的准确值是由功率给定逻辑计算的，这将在第6章中介绍。因此，稳态控制器的目的有二个含义：1）在期望工作点附近调节发动机性能；2）确定由飞行员操作（或地面工作人员）指令对应的是什么工作状态。这些指令一般指油门杆位置或功率杆角度。图4.1压气机特性图上的共同工作线本章将从时域和频域二个方面讨论稳态控制器的设计问题；

4、4.1节介绍单轴发动机稳态控制器的设计，4.2节介绍双转子发动机控制器的设计，在本章中所提到的设计技术属于经典控制设计的内容，它们首先被用于单入单出（SISO）系统中，多入多出（MIMO）设计方法将在第7章讨论；在4.3节中讨论了涡扇发动机控制器的设计，最后的4.4节讨论了发动机稳态控制在实际应用中应该考虑的一些问题。4.1单轴发动机控制器设计尽管单轴发动机在燃气涡轮发动机中属于最简单的一种，但单轴发动机控制设计原理本质上是与多转子（双轴或三轴）发动机相同的。从经典控制设计的观点来看，所有的稳态控制器都有

5、一个主控制回路，这一主控制回路将主导给定的控制模式下所产生的稳态特性和过渡态特性。本节将介绍二种经典控制设计方法即根轨迹法和频域响应法用于单轴发动机控制器的设计问题，为了简要的回顾这些设计方法，读者可参阅附录A。如前所述，由于发动机推力在飞行中是不可能有效测量的，因此，必须选择另外的发动机变量作为反馈回路中被调节的输出变量。选择这种输出变量的一个重要依据是在发动机所有的工作状态下它必须很好地与推力存在一定的关系，在发动机控制中有二个满足这一需求的变量，它们在第1章中已简要地被提到过，它们是转子转速N和发动

6、机压比EPR。图4.2稳态控制器的转速控制回路方框图从第2章中可知，发动机从燃油流量到转子转速的传递函数（TF）是一阶滞后环节，如果我们用比例加积分（PI）控制律来控制发动机转速，对于这种控制回路的方框图如图4.2所示，其中是发动机时间常数，是发动机传递函数的增益，是比例控制增益，是积分控制增益，输出变量是转子转速N，控制器以指令值的要求对转速进行调节。假设转速传感器的动态比转子转速的动态快得多，则转速传感器的传递函数可由1逼近。从附录A可知，开环传递函数（）为（4.1）这是一个极点位于0和、零点位于的二

7、阶系统，常数称为回路增益。同样的理由，我们假设执行机构的动态远比发动机动态快得多，则可忽略执行机构的传递函数。不过，如果我们想把执行机构的动态包含在开环传递函数中，那么我们可以用更一般的控制律，即比例加积分再加微分（PID）控制律，则可推导出公式（4.1）的开环传递函数为（4.2）其中，是执行机构的时间常数，是执行机构的传递函数增益，回路增益为。这一开环传递函数的分母是三次多项式，其根（或极点）位于0、和。这些根可能以下面的三种形式之一出现，取决于这一多项式系数的相关值：1）二个不同的实根，2）二个相同的

8、实根，3）二个复共轭根。为了说明设计的结果，我们定义一个单轴发动机的标称工作点如下：稳态转速为33000rpm；发动机时间常数为，或；燃油对转速的传递函数（即）的增益=33rpm/pph。采用根轨迹方法对这一工作点设计的稳态控制器已在2.1.1节中进行了讨论，采用频域响应的方法设计已在2.1.2节中进行了讨论。4.1.1单轴发动机根轨迹设计正如附录A中所述，根轨迹方法是一种图形设计法，它通过选择控制增益值来确定一个控制系统的闭