基于扩张状态观测器的高空台进气环境模拟控制技术研究

针对航空发动机高空台推力瞬变等过渡态试验对进气环境模拟控制系统所提出的强抗扰性、强鲁棒性的迫切需求,设计了一种基于扩张状态观测器（ESO）的高空台进气环境模拟主动抗扰控制技术方法。首先分析了现有高空台过渡态环境模拟的技术特点和高品质控制指标难于实现的原因;其次设计线性自抗扰控制器（LADRC）和一体化并行控制器（IPC）;最后通过仿真对高空台进气环境模拟主动抗扰控制方法进行了验证。结果表明,应用基于扩张状态观测器的主动抗扰控制技术能够大幅提高发动机过渡态试验中进气环境模拟的动态响应速度、控制精度和抗扰动能力。     

一种小型弹用发动机空中起动环境模拟试验主动抗扰控制方法

针对高空模拟试车台(简称高空台)弹用发动机起动环境模拟试验具有起动时间极短、流量变化率大等特点,采用常规控制方法难以实现快速、准确模拟空中飞行环境的技术难题,引入自抗扰控制思想,提出一种适用于高空台非线性不确定复杂系统的主动抗扰控制方法。仿真验证表明,采用该主动抗扰控制方法,试验舱进气、排气压力最大偏差≯0.3 kPa,进入稳态时间较短且无超调,能有效抑制弹用发动机起动对试验舱进气、排气压力的干扰。本研究对于高空台弹用发动机及其他型号发动机试验控制技术的发展具有重要借鉴意义。     

模糊线性/非线性自抗扰切换控制及其应用

针对干扰弹在作战过程中所遇到的强非线性的干扰、模型不确定性的影响等特性,提出了一种模糊线性/非线性自抗扰切换控制器。首先,以干扰弹滚转运动模拟装置为研究对象,分别建立了以飞轮角速度为被控量、滚转角为被控量的数学模型;提出了用模糊规则改进线性/非线性自抗扰切换控制条件,进而实现更为平稳的模糊软切换;然后选择采用飞轮角速度线性自抗扰控制内环和滚转角模糊线性/非线性自抗扰切换控制外环的双闭环控制策略;最后,搭建了系统的仿真模型与实验平台。仿真与实验结果都表明该控制器兼具了线性自抗扰与非线性自抗扰的优势,具有较高的实际应用价值。     

基于模糊自适应PID控制器的自动调压技术

航空发动机模拟过渡态吹风试验是获取全尺寸进气道模拟过渡态出口流场特性的有效方法,试验中为精确控制进气道出口流量,需对抽气压力进行自动调节。提出采用具有控制精度高、鲁棒性强且能缩短系统进入稳态时间等特点的模糊自适应PID控制器,来实现抽气压力的自动调节。与常规PID控制器的对比验证表明,模糊自适应PID控制器能快速响应气流流量变化,抽气压力控制精度高、控制品质良好。自动调压控制系统很好地满足了航空发动机全尺寸进气道模拟过渡态吹风试验的需求,成功获取了发动机起动和加减速过程中进气道的流量特性、总压恢复特性和畸变特性,为发动机起动和加减速控制规律的制定提供了数据依据。     

直升机/涡轴发动机综合系统鲁棒抗扰控制设计

提出了一种直升机/涡轴发动机综合系统鲁棒抗扰控制方法。分别设计了基于线性矩阵不等式(LMI)的鲁棒保性能控制的直升机四通道多变量控制器和涡轴发动机转速控制器;为了进一步提高发动机自由涡轮转速环的抗扰能力,结合自抗扰控制(ADRC)方法,构建了涡轴发动机转速鲁棒保性能控制+扭矩ADRC补偿的控制方案,充分利用了ADRC控制强的干扰补偿能力,避免了鲁棒设计方法的保守性。在UH-60直升机/涡轴发动机综合模型仿真环境下通过模拟直升机大幅急速升降操作,验证了直升机/涡轴发动机综合系统所采用的鲁棒抗扰控制,尤其是涡轴发动机鲁棒自抗扰控制,具有理想的抗扰控制效果,能够抑制直升机机动操作过程中大的扭矩扰动对涡轴发动机造成的不利影响,从而使直升机具有更好的机动能力。     

涡扇发动机极值限制保护闭环控制设计

现代高性能涡扇发动机采用分段组合多变量控制计划,以发挥发动机工作在整个飞行包线范围内的气动热力设计潜力。为保证发动机在过渡态工作的安全性,控制系统中必须考虑极值限制保护控制的设计问题。为避免直接限制保护控制引发的不同控制通道切换带来的系统震荡问题,提出1种高回路稳态增益的滞后-超前频域校正间接极值限制保护控制器设计方法,在保证限制回路足够的稳态精度和抗噪声能力的同时,又避免了引入积分环节导致相角裕度损失过大的缺点。通过发动机线性模型和非线性模型的控制系统仿真,验证了所述方法设计限制控制器的有效性。     

基于线性自抗扰的齿轮传动涡扇发动机控制

为了研究干扰对航空发动机系统的影响及提高控制系统抗干扰能力,采用基于模型的设计方法（MBD）,建立一种大涵 道比齿轮传动涡扇发动机（GTF）部件级模型,并且针对发动机干扰来源,根据发生机理建立大气湍流干扰和功率提取干扰模型。 基于线性自抗扰控制（LADRC）方法设计了发动机转子转速控制器。在全数字仿真平台和硬件在环仿真平台上对发动机模型、干 扰模型以及控制算法进行了集成与验证。结果表明：发动机在面对这些类干扰时,LADRC控制器在转速等重要性能指标上的抗 扰能力比PID控制器提高20%以上。LADRC控制具有更好的鲁棒性和抗干扰能力,保证了发动机的平稳运行,为LADRC在实际 航空工程中的应用打下了良好的基础。     

变循环发动机完全分布式控制

采用分布式控制架构可以降低变循环发动机控制系统的重量并有利于系统的开发和扩展。提出了一种完全分布式控制架构,控制算法的计算完全分布到智能执行机构中,计算所需的参数值由智能传感器通过串行数据总线发送到智能执行机构。变循环发动机完全分布式控制系统研发的主要工作是设计分散控制算法和总线通信方案。将控制回路的耦合当作总扰动的一部分,使用线性自抗扰控制器(ADRC)观测并在控制信号中消除总扰动,实现了分散控制。在CAN总线硬件的基础上,使用CANaerospace高层协议设计了时间触发的总线通信方案。从而实现了变循环发动机完全分布式控制。在MATLAB/Simulink环境下使用TrueTime工具箱搭建了仿真系统。使用TrueTime Kernel模块仿真智能执行机构与智能传感器的计算单元,使用TrueTime Network模块仿真CAN总线,并且将线性ADRC和CANaerospace协议写入到计算单元中。仿真结果表明:所建立的变循环发动机完全分布式控制系统能够适应发动机进气状况和健康状况的大范围变化,具有较好的鲁棒性。     

航空发动机自抗扰控制器简捷设计与应用

针对航空发动机的强非线性特征,进行了自抗扰控制器(ADRC)技术在航空发动机控制系统中的应用研究。首先,从工程应用的角度出发,给出1种简捷自抗扰制器设计方法,从而减少需整定参数和以增强设计参数的物理直观性,以方便设计;然后,将该方法应用于某型涡扇发动机控制器设计。仿真结果表明:ADRC比PID控制方法有效。     

基于切换多胞LPV的涡扇发动机全包线中间状态控制

针对航空发动机全包线内参数变化范围较大,单一控制器很难保证全包线内的控制效果的问题,提出了基于切换多胞线性变参数（LPV）的发动机全包线中间状态控制方法.根据发动机的进口条件将飞行包线分为相互重叠的子区域,将多胞理论及状态重置切换方法引入控制器求解,给出了能够保证切换多胞LPV系统鲁棒稳定的线性矩阵不等式（LMI）条件;利用求解出的Lyapunov矩阵设计各子区域的LPV控制器,并结合几何位置调度策略实现子区域LPV控制;利用局部重叠的滞后切换策略和状态重置切换律实现全包线内各控制器的切换,并证明了该闭环切换系统的稳定性.最终以某型涡扇发动机为研究对象进行仿真验证,结果表明:采用该控制方法稳态误差能够控制在0.1%以内,超调量不大于0.5%.      

基于极值搜索的四旋翼无人机自抗扰控制

为了提高四旋翼无人机飞行过程中的抗干扰能力,提出了基于极值搜索算法的自抗扰控制技术。首先,建立了四旋翼无人机非线性数学模型;然后,设计了基于极值搜索的自抗扰控制器,对无人机的位置和姿态进行控制;同时,设计扩张状态观测器估计系统内部及外部总扰动,对系统扰动进行补偿。仿真结果表明,所提方法不仅能抑制外界干扰,而且能显著改善飞行控制系统的瞬态性能和稳态性能。     

排气扩压器对高空舱压的影响与控制方法

为研究排气扩压器流动特性对高空舱后舱压力控制的影响,采用ANSYS191对排气扩压器进行数学建模和流场数值模拟分析,揭示其内部实际流动的物理过程;在次流质量流量为20 kg/s时,数值模拟不同排气扩压器背压和主流流量时后舱压力的变化规律,并通过样条插值得到排气扩压器背压、主流流量和后舱压力三者关系模型;建立高空舱后舱压力控制系统仿真模型,分析在不同调节模式和不同控制方法下排气扩压器流动特性对压力调节的影响。结果表明:发动机喷嘴出口处速度最大,混合后速度迅速下降,下降了约88%,而压力沿着排气扩压器轴向逐渐增大,最后趋于边界值。在发动机过渡态试验中,排气扩压器流动特性对后舱压力控制系统扰动很大,线性PID(proportion integration differentiation)控制难以保证后舱压力高精度、强抗扰的调节品质要求,而非线性PID控制不仅能减小排气扩压器流动特性对压力调节的影响,抑制发动机流量扰动,而且能保证瞬态响应快,超调量小,调节精度高。      

一种涡轴发动机转速抗扰控制器设计及应用

主要研究了涡轴发动机控制问题.自抗扰控制(ADRC)是近年来新兴的控制方法,在不改变原有发动机串级比例积分微分(PID)控制结构的基础上,提出并构建了一种串级PID+扭矩ADRC补偿的控制结构,该结构充分利用了ADRC控制强的干扰补偿能力.最后,在直升机/发动机综合模型仿真环境下,通过模拟直升机大幅急速升降操作,验证了该算法具有比较理想的抗扰控制效果,能够较好地抑制直升机操控过程中大的扭矩扰动对涡轴发动机造成的不利影响.      

Modified robust optimal adaptive control for flight environment simulation system with heat transfer uncertainty

To solve the rapid transient control problem of Flight Environment Simulation System (FESS) of Altitude Ground Test Facilities (AGTF) with large heat transfer uncertainty and disturbance, a new adaptive control structure of modified robust optimal adaptive control is presented. The mathematic modeling of FESS is given and the influence of heat transfer is analyzed through energy view. To consider the influence of heat transfer in controller design, we introduce a matched uncertainty that represents heat transfer influence in the linearized system of FESS. Based on this linear system, we deduce the design of modified robust optimal adaptive control law in a general way. Meanwhile, the robust stability of the modified robust optimal adaptive control law is proved through using Lyapunov stability theory. Then, a typical aero-engine test condition with Mach Dash and Zoom-Climb is used to verify the effectiveness of the devised adaptive controller. The simulation results show that the designed controller has servo tracking and disturbance rejection performance under heat transfer uncertainty and disturbance; the relative steady-state and dynamic errors of pressure and temperature are both smaller than 1% and 0.2% respectively. Furthermore, the influence of the modification parameter γ is analyzed through simulation. Finally, comparing with the standard ideal model reference adaptive controller, the modified robust optimal adaptive controller obviously provides better control performance than the ideal model reference adaptive controller does.     

基于模糊Takagi-Sugeno模型的发动机转速鲁棒控制

基于某航空用二冲程活塞式发动机的非线性模型, 利用扇形非线性特性得到了发动机模糊Takagi-Sugeno(T-S)模型;基于该T-S模型, 采用系统增广的方法研究了无静态误差转速控制器;设计中考虑了鲁棒H∞性能, 使得该非线性系统的模糊控制器具有较好干扰抑制性能, 并在Lyapunov稳定性理论基础上建立了该系统渐进稳定的线性矩阵不等式条件;最后通过系统仿真算例验证了所设计控制器的有效性.      

一种基于串级线性自抗扰控制的四旋翼无人机控制方法

提出了一种基于串级线性自抗扰控制器的四旋翼无人机控制方法。根据建立的紊流模型形成了干扰风,在干扰风的环境下建立了四旋翼的运动学模型,并设计了一个串级的线性自抗扰控制器,其中外环采用位置控制,内环采用姿态控制。对比了该控制器与非线性自抗扰控制器和经典PID控制器在无风干扰和有风干扰下无人机的定点悬停的性能。仿真试验结果表明,无论是在无风干扰下还是在有风干扰下,该控制器的性能均好于非线性自抗扰控制器和PID控制器,具有较好的鲁棒性,能够运用到各种类型的旋翼无人机的工程控制中。     

微型涡轮发动机综合测控系统设计

针对微型涡轮发动机测控要求,设计了集试车、控制系统半物理模拟、电动供油试验功能于一体的综合测控系统.各传感器调理信号并接到测控计算机与电子控制器;电子控制器通过串口接受测控计算机操纵指令,并采集p₂进行转速间接闭环控制.详细介绍了转速测量方法、电动油泵(pulse width modulation,PWM)驱动设计,并分析、设计了发动机控制律.测试软件以Lab Windows/CVI为平台,采用多线程技术设计.应用表明,系统结构简单、试验效率高,可为同类发动机研发提供支持.