航空发动机多变量变增益控制器设计及仿真

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1、2016年9月北京航空航天大学学报September2016第42卷第9期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．42No．9http：ffbhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10。13700／j．bh．1001-5965．2015．0583航空发动机多变量变增益控制器设计及仿真李嘉1，李华聪1’4，徐轩2，王淑红2(1．西北工业大学动力与能源学院，西安710072；2．中航工业西安航空动力控制科技有限公司，西安700077)摘要：针对航空发动机全包线

2、工作下的多变量变增益控制器设计问题，给出了一种改进的埃德蒙德算法(以下简称KQ算法)并进行了仿真应用。首先，阐明了多变量KQ算法的控制原理与优化算法，进而通过闭环期望函数选择、控制器结构选择以及控制器参数优化进行了KQ控制器设计，并针对所设计的KQ控制器，给出了稳定性证明和系统奇异值分析。分析表明所设计KQ控制器能够使系统闭环稳定，且具有满意的低频指令跟踪、干扰抑制能力、传感器噪声的抑制、高频未建模动态的鲁棒稳定性和低频发动机建模误差不敏感等性能，满足发动机控制要求。其次，通过调度变量选择、设计点KQ控制器设计以及采用插值方法的非设计点KQ控制器设计等过程实现某型

3、涡扇发动机的多变量KQ变增益控制器设计研究，并进行仿真验证。仿真结果表明，设计点条件下，当涡轮后温度和增压比参考输入均为阶跃信号时，其被控参数响应速度很快，且上升时间均小于1S，耦合影响小于6％，设计点KQ控制器满足控制要求；非设计点条件下，利用插值方法建立的XQ变增益控制器具有较好的性能，能够实现该型涡扇发动机全包线控制性能要求。关键词：涡扇发动机；多变量控制；KQ控制算法；变增益调度；控制器中图分类号：V221+．3；TB553文献标识码：A文章编号：1001-5965(2016)09·1958-11随着军事科学、航空航天科学和现代工业的迅猛发展，控制科学也在

4、飞速地更新。控制理论也从经典单变量设计发展为存在多输入多输出引起的耦合影响的现代多变量设计。因此，当前许多国内外学者广泛开展了多变量控制研究⋯。而开展的多种多变量控制方法的共同特点是利用其鲁棒性或自学习能力解决全包线控制问题，但带来的弊端就是某些方法虽然考虑了系统的鲁棒性，但控制器阶次很高，无法实际应用开展，因此，进行航空发动机全包线下的多变量控制方法研究与应用有重要的意义¨。。。20世纪60年代英国学者Rosenbrock等便研究了多变量系统频域法与时域法之间的联系，提出了对角优势的解耦方法¨1。随着学者们的深入研究，涌现出了大量的针对全包线飞行下的多变量控制算

5、法。如Ang等¨1对PID算法进行了多变量控制问题研究，提出了PID解耦控制算法并给出了应用。Meng等∞1给出了多变量控制系统下针对控制器参数优化的一种自适应规律研究。Ding和Yango刊针对线性离散系统下反馈控制进行了研究。国内学者也纷纷进行了相关研究，如王元等”1以NSGA型发动机为背景进行了LQ／H。全包线下多变量控制器设计研究。聂聆聪等凹1给出了一种针对几何可调液体冲压发动机的多变量控制算法。张海波等¨引针对航空发动机多变量耦合问题，给出了自抗扰解耦控制律设计方法等。由此可见，近年来许多学者从不同角度对多变量控制和发动机全包线控制问题进行收稿日期：20

6、15-09-08；录用日期：2015·10-19；网络出版时间：2015-10-2219：40网络出版地址：WWW．enki．net／kems／detail／11．2625．V．20151022．1940．003．html$通讯作者：Tel．：15934885210E·mail：lihuacong@nwpu．edu．cajl,eg格式：李嘉，李华聪，徐轩，等．航空发动机多变量变增益控制器设计及仿真口J．北京航空航天大学学报，2016，42(9)：1958‘1968．LI，，LI抒c，XUX，etat．Multi—variablevariablegaincontro

7、llerdesignandsimulationbased012aeroen∥neⅣJ．JoumalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics．2016，42(9)：1958—1968(inChinese)．第9期李嘉，等：航空发动机多变量变增益控制器设计及仿真1959了研究分析，并取得了一定的成果。针对航空发动机KQ控制，国外学者如Lii‘¨1和Boje‘121等作了大量研究，而相比国外，国内科研人员所做工作相对较少，如朱玉斌和方中祥¨纠针对KQ控制基本原理进行了分析，以某型涡扇发动机为背景建立了稳态控制器，并针

8、对某一点进