高超声速飞行器大包线切换LPV控制方法

高超声速飞行器飞行包线和参数变化范围大,气动参数存在较强不确定性,要求控制器能够适应大的飞行包线并具有较好的鲁棒性。针对上述问题,提出一种基于间隙度量的大包线滞后切换线性变参数(LPV)控制方法。依照时变参数将设计包线划分为若干子区域,将多胞理论和间隙度量引入控制器求解,提出了基于最优间隙度量的LPV控制方法,并利用此方法独立设计各子区域的LPV控制器,以改善控制器控制性能和鲁棒性能;利用基于重叠区域的滞后切换策略实现大包线内各子区域控制器的切换,以抑制切换面附近控制器的切换抖动,并证明了切换闭环系统的稳定性;最后以某型高超声速飞行器为对象设计了大包线滞后切换LPV控制器。仿真结果表明该方法可实现控制指令的精确跟踪,提高设计包线内LPV控制器的控制性能和鲁棒性能,并能保证切换系统的稳定性。     

基于双层LPV模型的涡扇发动机切换控制

航空发动机飞行包线和参数变化范围大,要想保证整个参数区间存在一个单一的LPV控制器,往往需要牺牲一些区域的性能。针对上述问题,提出一种基于双层LPV模型的切换控制方法。首先通过发动机进口条件将飞行包线划分为几个局部重叠的子区域,分别建立各个子区域的双层LPV模型并求取对应的Lyapunov函数,进而根据所得的Lyapunov函数设计各子区域的控制器,并采用滞后切换策略和共同二次Lyapunov函数相结合的方式实现各子区域间的切换,解决控制器在切换时抖振问题的同时保证切换的稳定性,最后以某型涡扇发动机为对象进行仿真,结果表明所设计的控制器在全包线内有良好的控制效果。     

基于混合区域极点配置的航空发动机全包线鲁棒变参数控制器设计

针对航空发动机全包线多变量鲁棒变增益控制器设计问题,提出了一种基于混合区域极点配置的鲁棒变参数控制方法。利用Jacobian方法建立多调度参数下的发动机仿射线性变参数(Linear parameter varying,LPV)模型,用于描述发动机全包线内的非线性动态特性;针对上述LPV模型,采用仿射参数依赖Lyapunov函数设计具有H∞鲁棒性能的状态反馈控制器,给出了控制系统全局稳定性的证明;并利用混合区域极点配置方法,将闭环系统极点配置到左半平面指定位置,以保证控制系统的动态特性及稳定裕度;进而引入凸多胞技术,将参数依赖线性矩阵不等式(Linear matrix inequality,LMI)方程转化为有限维LMI进行控制器求解,并得到了全局解。针对涡扇发动机的仿真结果表明:存在复杂量测噪声干扰条件下,鲁棒变参数控制器可以实现发动机全包线内控制指令的精确跟踪,系统阶跃响应的调节时间不超过1.5s,系统无超调,对控制期望的稳态跟踪误差在0.02%以内,符合发动机控制系统技术要求。     

基于多项式平方和规划的涡扇发动机切换控制

针对航空发动机动态特性随飞行状态和飞行条件的变化范围大,单一控制器很难保证全包线内控制效果的问题,在航空发动机LPV模型基础上提出1种平滑过渡的切换控制方法。该方法根据发动机进口条件对飞行包线区域进行划分,按照多项式平方和规划理论以及平滑过渡切换律求取各子区域的Lyapunov函数及LPV控制器。在某型涡扇发动机上进行仿真验证,结果表明:所设计的切换LPV控制器在不同高度、马赫数和转速条件下均具有良好的性能和控制精度,可以实现平滑切换。     

航空发动机增益调度控制的多项式平方和规划方法

针对现有的线性变参数(linear parameter varying,LPV)控制器设计方法都是关于仿射参数依赖系统而没有专门针对多项式描述的LPV系统这一现状,提出了一种基于多项式平方和(sum of squares,SOS)规划的增益调度控制设计方法,并将其用于转速大范围变化时的航空发动机高压转子转速及压比控制.根据发动机非线性模型获取不同转速下的状态空间模型,并利用多项式拟合的方法建立发动机线性变参数模型.给出能够保证无静差的增益调度控制结构,利用有界实定理和多项式平方和理论推导出能够保证闭环系统鲁棒稳定的SOS约束条件,并形成控制器求解的SOS规划问题,通过求解获得多项式描述的增益调度控制器.分别以LPV模型和发动机非线性模型为对象做阶跃仿真,结果表明:高压转子转速/发动机压比控制系统的调节时间在2s以内,稳态误差不超过0.1%.      

基于SVM辨识的涡扇发动机全包线稳态控制方法

针对涡扇发动机全飞行包线范围稳态最优控制器的设计问题,首先根据不同飞行条件下发动机各工作状态的稳态“小偏差”线性模型,采用线性二次型调节器(LQR)分别设计得到相应的发动机最优线性控制器参数,然后将所得到的线性控制器用支持向量机方法进行非线性逼近,得到控制器参数的支持向量机辨识模型,以满足发动机全包线、全状态稳态控制的需要.支持向量机模型的输入为飞行高度、马赫数和稳态转速,输出为线性控制器参数.应用实例表明:该方法在全包线范围内对发动机最优稳态控制器的逼近误差均在2%以内,能较好满足控制精度要求.      

涡扇发动机自增益调度H_∞控制器设计

对可以用LPV(线性变参数)系统表示的涡扇发动机对象,将其凸分解为多胞表示,利用多胞特性将整个控制器设计转化为对胞体顶点控制器的设计。然后利用LMI(线性矩阵不等式)方法,对多胞的各顶点设计具有单一Lyapunov函数满足H∞性能且极点在给定区域的输出反馈控制器,综合顶点控制器得到具有同样多胞结构的全局连续变增益控制器。通过与一般的PID控制器进行对比验证了此控制器的有效性。      

民用涡扇发动机预测控制器设计

对一定包线范围内的稳态预测控制器和加速减速过渡态控制器设计展开研究.针对某大涵道比民用涡扇发动机,根据发动机进口参数的相对变化指标对控制区域进行划分,以标称点处发动机线性模型为对象设计了相应的预测控制器,利用提出的多层参数调度方案实现了不同飞行条件及不同发动机状态下预测控制器参数的自适应调整.仿真结果表明:所设计的发动机预测控制系统在控制区域内的设计点和非设计点均具有良好的性能,为全包线设计提供了有效方法.     

基于多模型切换的航空发动机分布式鲁棒跟踪控制器设计

针对航空发动机分布式控制系统的网络诱导时延问题,考虑到全包线范围的区域划分,将系统建立为多模型条件下的具有模型参数不确定性的切换系统;为实现对参考信号的跟踪,提出了一种切换鲁棒跟踪控制器,并利用鲁棒控制理论以及Lyapunov函数推导出使系统状态变量跟踪参考输入信号并具有一定鲁棒性能的反馈矩阵求解方法;将所提出的方法通过MATLAB仿真和分布式控制系统半物理仿真实验平台对该跟踪控制器进行了仿真验证。结果表明:在两个平台验证时,定常信号响应的调节时间分别为1.06s和2.25s,且能够迅速稳定在参考输入转速的附近,说明该切换鲁棒跟踪控制器能够在存在时延的条件下具有良好的跟踪性能。     

基于混合灵敏度的航空发动机切换控制系统设计

针对航空发动机工作安全边界,提出了一种基于切换控制的航空发动机控制系统设计方法.给出了切换控制策略的设计思路及切换稳定性的条件.给出基于混合灵敏度的航空发动机多回路切换鲁棒控制器设计方法,并构造了线性矩阵不等式.通过基于计算得到的控制器参数仿真表明,采用该切换方式相比于Min/Max切换方式消除了积分饱和在切换中延迟影响,提高发动机的动态响应能力及鲁棒性,同时可以保证切换的稳定性.      

Non-fragile switching tracking control for a flexible air-breathing hypersonic vehicle based on polytopic LPV model

This article proposes a linear parameter varying (LPV) switching tracking control scheme for a flexible air-breathing hypersonic vehicle (FAHV). First, a polytopic LPV model is constructed to represent the complex nonlinear longitudinal model of the FAHV by using Jacobian linearization and tensor-product (T-P) model transformation approach. Second, for less conservative controller design purpose, the flight envelope is divided into four sub-regions and a non-fragile LPV controller is designed for each parameter sub-region. These non-fragile LPV controllers are then switched in order to guarantee the closed-loop FAHV system to be asymptotically stable and satisfy a specified performance criterion. The desired non-fragile LPV switching controller is found by solving a convex constraint problem which can be efficiently solved using available linear matrix inequality (LMI) techniques, and robust stability analysis of the closed-loop FAHV system is verified based on multiple Lypapunov functions (MLFs). Finally, numerical simulations have demonstrated the effectiveness of the proposed approach.     

Model reference adaptive control with smooth switching scheme for piecewise linear systems and its application in turbofan engine control

A model reference adaptive control (MRAC) with smooth switching scheme was proposed for piecewise linear systems, and the method was utilized in turbofan engine control to avoid the discontinuity of control input. In this scheme, each sub-region of the operating envelope had its own MRAC controller, and smooth indicator function based smooth switching scheme was introduced to switch multiple controllers smoothly at the boundary of adjacent sub-regions. The Lyapunov stability analysis indicated that the proposed smooth switching scheme can guarantee the convergence of the closed-loop system during the controllers switching. The tracking error system was converted into a switched system to analyze the global stability of the closed-loop system. The advantage of the method was that the chattering of system output and instability caused by asynchronous switching can be eliminated. The simulation illustrates the effectiveness of the proposed control scheme in comparison with the existing MRAC controller with gain scheduling for turbofan engine.      

基于多项式平方和规划的航空发动机鲁棒LPV/PI控制

针对航空发动机常规(proportion integration,PI)控制器设计过程中难以保证鲁棒性及参数适应性差等问题,提出了一种基于线性变参数(linear parameter varying,LPV)模型及多项式平方和(sum of squares,SOS)规划的控制器设计方法.结合传递函数模型下的鲁棒稳定条件及弱对偶定理给出了多项式描述的LPV模型鲁棒稳定条件,并转化为便于求解的SOS规划问题.根据发动机非线性模型获取不同转速下的传递函数模型,并利用多项式拟合的方法建立发动机LPV模型.根据所提出的定理构造出SOS规划问题,并求解得出LPV/PI控制器.最终以某型双轴涡扇发动机为被控对象,在包线内不同点进行了阶跃仿真,结果表明:高压转子转速控制系统的稳态误差为0,调节时间小于3s.      

基于平衡流形的航空发动机LPV建模方法

针对航空发动机线性变参数模型,基于平衡流形原理,研究了一种改进LPV建模方法.首先,根据平衡流形原理,构造涡扇发动机平衡流形参数化形式.其次,根据某型涡扇发动机非线性模型,建立基于局部线性模型的涡扇发动机准LPV模型.然后,建立基于平衡流形的航空发动机改进准LPV模型,即:利用平衡流形参数化形式,根据调度变量实时估算发动机平衡态,以更新发动机准LPV模型的参考平衡态.最后,通过对发动机从慢车状态到最大状态的阶梯加速过程进行仿真,表明改进UP模型的稳态和动态响应特性与发动机非线性模型保持很好地一致.     

A systematic method of smooth switching LPV controllers design for a morphing aircraft

This paper is concerned with a systematic method of smooth switching linear parametervarying(LPV) controllers design for a morphing aircraft with a variable wing sweep angle. The morphing aircraft is modeled as an LPV system, whose scheduling parameter is the variation rate of the wing sweep angle. By dividing the scheduling parameter set into subsets with overlaps, output feedback controllers which consider smooth switching are designed and the controllers in overlapped subsets are interpolated from two adjacent subsets. A switching law without constraint on the average dwell time is obtained which makes the conclusion less conservative. Furthermore,a systematic algorithm is developed to improve the efficiency of the controllers design process. The parameter set is divided into the fewest subsets on the premise that the closed-loop system has a desired performance. Simulation results demonstrate the effectiveness of this approach.     

Robust dynamic output feedback control for switched polytopic systems under asynchronous switching

The robust controller design problem for switched polytopic systems under asynchronous switching is addressed.These systems exist in many aviation applications, such as dynamical systems involving rapid variations.A switched polytopic system is established to describe the highly maneuverable technology vehicle within the full flight envelope and a robust dynamic output feedback control method is designed for the switched polytopic system.Combining the Lyapunov-like function method and the average dwell time method, a sufficient condition is derived for the switched polytopic system with asynchronous switching and data dropout to be globally,uniformly and asymptotically stable in terms of linear matrix inequality.The robust dynamic output feedback controller is then applied to the highly maneuverable technology vehicle to illustrate the effectiveness of the proposed approach.The simulation results show that the angle of attack tracking performance is acceptable over the time history and the control surface responses are all satisfying along the full flight trajectory.