基于控制器切換的渦扇發動機轉速調節及安全保護

孟洋+趙軍

摘要：本文通過多個控制器間的切換改善了航空發動機加速過程的動態性能，并在轉速過高時加以保護。首先，根據航空發動機控制系統模型利用區域極點配置方法對于每個子系統設計一個H_∞輸出跟蹤控制器，并且設計滯后切換規則，使發動機高壓轉子轉速既能快速跟蹤參考加速曲線又能保證較小超調，同時由于滯后切換規則的存在避免頻繁切換造成的執行機構不必要的損耗；然后設計安全保護控制器及事件觸發的切換機制，在高壓轉子轉速過高時保護轉速使其不超過最高轉速邊界，保證飛行安全；最后通過數例仿真驗證了本文方法的有效性。

關鍵詞：切換控制；極點配置；航空發動機；轉速調節；安全保護

中圖分類號：TP13 文獻標識碼：A

Abstract： In this paper， the dynamic performance of the acceleration process of the aero-engine is improved by the switching between multiple controllers. Firstly， by a regional pole placement method， theH_∞output trackingcontroller for each subsystemand a set ofhysteresis switching signals are designedso as tothe high pressure rotor speed track the reference acceleration curve rapidly with a small overshoot. Unnecessary losses due to frequent switching can be avoided because of the hysteresis switching rule.Then we design a security protection controller and an event triggered switching mechanism，the high pressure rotor speed will be limited under the highest speed line when it is too high to ensure flight safety.Finally， theeffectiveness of the proposed control design scheme is illustrated.

Keywords：switching control； pole placement； aero-engine； speed regulation； security protection

1引言

在航空發動機控制中需要一種能夠使用傳統的線性系統設計方法且設計簡單、計算量小的方法，而增益調度技術正好滿足這一要求。增益調度把非線性對象在某些工作點進行線性化，采用經典的線性控制理論設計局部控制器，然后根據反映系統動態性能的調度變量對控制器參數進行選擇，從而實現了全工況控制器參數選擇[1]。

按照上述的增益調度的方法設計一個全局控制器可以實現相應的控制功能，但傳統的單控制器控制方法只能滿足對某一個性能的要求，不能同時滿足系統對其他性能的要求。如果設計多個控制器分別滿足系統對各個性能的要求，然后根據切換規則適時切換就能同時滿足系統對多個性能的要求，這正是切換控制的優勢所在。在切換控制中，切換策略起著至關重要的作用[2]。按照合理的切換策略進行切換，可以充分發揮每個子系統的優點。同時，隨著飛行范圍不斷擴大、飛行速度不斷增加、機動性能不斷提高，發動機動態響應的快速性與安全性間的矛盾更加突出[3]。因此安全保護是每臺航空發動機都必須具備的控制功能。

本文主要研究發動機轉速的加速控制，旨在令發動機高壓轉子轉速沿比較理想的參考加速曲線加速到穩定值，跟蹤過程既要快速又要具備較小的超調；同時為防止加速過程中高壓轉子轉速過高威脅飛行安全，加入安全保護環節對高壓轉子轉速加以限制，防止其高于最高轉速邊界，以此保護飛行安全。應用增益調度和區域極點配置的綜合設計方法設計兩個H_∞全局跟蹤控制器，使發動機的轉子轉速跟蹤一個比較理想的加速參考曲線，從而使發動機以預期的效果進行加速。同時通過設計合理的切換規則在兩個控制器之間切換，使得系統同時滿足對于跟蹤快速性和較小超調的要求。在安全保護控制器的設計中，可以使用跟蹤控制來限制發動機的轉子轉速[4]。然而[4]中使用的是比例控制器，沒有抗干擾的能力。[5]中使用了H_2/H_∞跟蹤控制器，保證了系統運行中對干擾的抑制能力，但是由于只使用了單個控制器只能優化系統的某個性能指標，無法滿足系統對多個性能指標的要求。相對于[5]的單個控制器，本文使用的切換控制器能夠同時滿足系統對跟蹤快速性和小超調的要求，這正是切換控制器的優點所在。由于本文使用H_∞跟蹤控制器，因此相對于[4]中的比例跟蹤控制器，本文的方法能夠抑制干擾對系統的影響。

5結論

本文通過切換方法主要研究了航空發動機轉速調節及安全保護問題。首先，根據航空發動機控制系統模型利用區域極點配置方法設計多個H_∞跟蹤控制器，并且設計滯后切換規則，使發動機高壓轉子轉速既能快速跟蹤參考加速曲線又能保證較小超調，同時由于滯后切換規則的存在避免頻繁切換造成的執行機構不必要的損耗；然后設計安全保護控制器，在高壓轉子轉速過高時保護轉速使其不超過最高轉速邊界，保證飛行安全；最后通過數例仿真驗證了本文方法的有效性。

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