用于航空发动机mbc控制的部件性能跟踪滤波器分析

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1、两北T业人学硕I论文笫一章奎f；论被控量之瞄的关系在实际中是不精确的，固而在控科系统设计中要采用较大的裕度保证发动机的安全工作。建立在数字控制基础之上的基于模型的控制系统如图1．2所示，出于数字控制系统具有强大的计算能力并可通过软件编程实现复杂的控制逻辑和状态估计。这种系统可以实现发动机直接性能控制、减少安全裕度并充分发挥发动机性能。与基于传感器的控制系统不同．基于模型的控制系统将发动机性能参数作为反馈量，实现直接性能控制。但发动机性能参数不能直接测量，因此用传感器测量发动机可测参数，机载数学模型根据这

2、些参数计算出发动机性能参数，性能参数的计算值与实际值的差异必须满足误差要求。由于实现了性能量的精确反馈，可以采用较小的安全裕度，充分发挥发动机性能。图1．2基于模型的控制系统结构为使机载模型能根据测量参数精确计算发动机性能参数，模型必须准确反映发动机的状态，因此首先要建立尽可能准确的发动机数学模型。同时由于建模一般不考虑不同发动机在部件制造和装配过程中产生的性能差异，以及发动机使用过程中的性能退化，使用跟踪滤波器估计反映发动机性能差异和退化的参数，对模型进行调整，使之能够反映所代表的发动机的真实状态。该

3、内容为本文的研究重点。跟踪滤波器的算法设计问题核心是发动机的状态估计问题，即估计出真实发动机与机载模型的差异并对机载模型的不准确进行处理，使之能准确计算Iq{发两北T业人学坝l论义第一章缔论动机的性能参数。§1．2国内外的研究现状二十世纪八十年代，发动机数字控制技术在美国已有比较成熟的应用，但大部分发动机控制系统的设计依然遵循传统的机械液压控制系统的设计模式，测量参数不能精确反映所要控制的性能参数。为保证发动机安全工作，在控制系统设计中，采用较大的安全裕度。机载计算机软、硬件技术的发展使得数字处理能力有

4、很大提高，其强大的运算潜力未得到充分的发挥。如何充分发挥作为发动机控制器的计算机的处理能力提高发动机性能，成为新的研究方向。二十世纪九十年代初，美国国防部和美国国家航空航天局联合推动实旋了综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET，IntegratedHighPerformanceTurbineEngineTechnology)计划，该计划的目标是在二十一世纪初使美国军方的推进能力在1988年水平的基础上提高一倍．并有效降低风险和费用，在实战中则表现为更大的推力、更远的航程、更高的可靠性和延长发动机的使用寿

5、命。该计划由六个部件领域的分项研究计划组成，通过实现六个领域的分项目标完成整个计划。六个部件领域包括：风扇和压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管、机械系统和控制系统。每一个部件领域的研究进展情况直接关系到整个系统目标的实现。1HPTET计划通过三个阶段的努力，使设计裕度减小50％，具体措旌包括提出并实施智能发动机控制的计划(IEC，IntelligentEngineContr01)⋯。IEC计划致力于评价、设计和验证先进的基于模型的控制模式对发动机性能、操纵性和稳定性的改善，以基于模型的控制系统设计概念取代原有

6、的机械液压控制系统的设计概念，发挥计算机的数字处理能力，在充分估计部件状念的基础上减小裕度，提高性能。在IEC中，基于模型的概念和跟踪滤波器的概念首次提出，并成为这种全新的控制模式的技术重点。在这种控制模式中必须要有一个准确的模型，该模型要保证精度和实时性，与此同时，仅有好模型还是不够的，必须有一个行之有效的方法处理发动机之间的差异、发动机性能衰退以及发动机模型误差带来的影响，完成此项功能的即跟踪滤波器。简单的浇，跟踪滤波器调整机载模型的输入和状态参数，使之与真实发动机吻合。文献【2I在IEC及MBC概

7、念基础之上对跟踪滤波器的设计做了具体的]：作，两北1-．业人学硕I：论史第一章端论提出以对推力、涡轮温度、流量和喘振裕度的跟踪精度的加权值作为评价跟踪滤波器性能的标准。指出跟踪滤波器设计的意义是选择滤波器的输入参数和输出参数，使机载模型用滤波器输出进行调整后能够更真实的反映发动机性能变化，如推力变化等。其具体工作是列出发动机的可测状态量，可测输入量，不可测状念量和不可测性能参数，选择不同的可测状念量跟踪不可测状态量和不可测性能参数。根据评价标准选择出对性能参数跟踪较好的传感器输入和估计输出组合。以m×n

8、表示用111个传感器输入跟踪n个性能参数的变化，为简化算法和滤波器结构，在保证可观测性的基础上选择iIxrl组合，即用最少的状态参数跟踪发动机性能差异。文献从lXl组合到5x5组合进行测试，结果表明，跟踪效果较好的是3×3和4×4组合中的选项，过少的估计量造成估计能力不足，影响对模型的修『F能力，过多的估计量使输入误差的影响增大，影响跟踪效果。但该文献未对跟踪滤波器的结构和设计方法做任何说明。也无法判断针对某一机型的设计结果是否具有普遍性。