飛發一體化架構下航空發動機控制裕度定義及評估準則研究

摘 要：針對傳統的裕度評估標準難以直觀地體現飛機端干擾量對發動機的控制耦合性問題，在飛發一體化架構下開展了航空發動機控制裕度及相應的評估準則研究?；谝环N可以在有限頻域內采用幾何圖解法進行控制性能改進的控制理論“幾何設計法”，本文提出一種新的發動機控制裕度定義方法及評估準則，包括構造滿足需求控制裕度的控制器求解方法、評估對比不同控制器的控制裕度和評估固定結構控制器的控制裕度。以某型寬速域組合動力（TBCC）航空發動機作為研究對象，在亞聲速巡航典型工況下，基于幾何設計理論所設計的控制器，控制性能可以達到控制裕度理論極限的99.61%。部件級模型仿真結果表明，相比于傳統比例積分（PI）控制器，基于幾何設計理論所設計的控制器的推力控制裕度和綜合控制裕度分別提升了7.3%和5.9%，驗證了所定義的控制裕度及其評估準則在解決飛發一體控制耦合性問題的有效性。

關鍵詞：飛發一體化； 渦輪基組合動力； 控制裕度； 幾何設計法； 評估準則

中圖分類號：V233.7 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.12.010

隨著現代戰機對機動性能要求的大幅度提高， 飛機子系統和發動機子系統之間的耦合顯著增強，在不同飛行工況下，飛機通過高度H、馬赫數Ma和迎角α 來影響推進系統的工作狀態，而推進系統則通過發動機矢量噴管來影響飛機的飛行姿態。這在客觀上給飛機和發動機提出了一體化控制的要求[1]。鑒于單個控制回路所受的耦合影響，可認為是對該回路或強或弱的干擾， 因此，識別飛機對發動機控制回路的干擾特性，并采取適當的控制策略提高航空發動機控制子系統的抗擾性和魯棒性，就是從另外一個角度消除飛機和發動機子系統間的耦合，該方法突出的優點是設計對象階次低， 且其物理概念明晰，易于為工程界所接受。

傳統的裕度評估標準通常為幅值裕度和相角裕度，這類頻域指標很難直觀體現出飛機端干擾量（本文主要研究迎角）對發動機的耦合性以及指導設計符合抗擾需求的控制器。理想的控制裕度定義不僅需要能定量表征飛機迎角對于發動機性能量的影響情況，而且需要具備可以根據需求的控制裕度來設計相對應的控制器的能力，其應具有如下特征：（1）可以在任何特定頻率及有限頻帶下，定量地表征飛機耦合量作用下，航空發動機的控制裕度性能指標；（2）可以在不增加控制系統所需反饋信號傳感器數目的情況下，對航空發動機不同輸出性能進行全局控制裕度的定量優化；（3）可以直觀地在控制器設計階段，基于理論進行面向全局控制裕度的控制器設計。

在這種飛發一體化架構下，形成一種滿足以上需求控制特征的發動機通用抗擾控制方法，是有效提升控制系統控制品質的核心問題。傳統的抗擾控制方法主要分為被動抗擾控制和主動抗擾控制。針對頻域整形的被動抗擾控制以Zames 等[2]提出的H∞控制理論為主，對于有界干擾籠統地定義范數有界來解決抗擾問題，但會犧牲在有限頻帶下的控制性能。基于混合靈敏度的H2/H∞控制理論[3-4]雖然引入了頻率加權函數，在窄帶寬頻率下定義了最小方差類型的平方誤差作為優化性能指標，但同樣無法直接在指定有限頻率帶進行控制性能指標定義，導致所設計的抗擾控制器仍具有較大保守性。主動抗擾控制理論主要包括基于干擾觀測器的控制（DOBC）[5]和自抗擾控制（ADRC）[6-8]，這類主動抗擾控制理論雖然能通過狀態觀測器（ESO）來實時估計干擾特性在反饋回路中進行干擾補償，但無法直觀定義有限頻域內控制性能指標，且存在缺少通用的控制器參數調節規范等問題。