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。     

基于预测扭矩前馈的涡轴发动机内模控制方法

基于内模原理设计了涡轴发动机功率涡轮转速控制器.针对主旋翼扭矩变化对功率涡轮转速的干扰,提出了一种基于极端学习机的扭矩预测方法.极端学习机训练基于动态仿真数据,其输入通过相关分析获得.基于内模原理的功率涡轮转速控制器采用极点配置的设计方法,将输入信号的内模直接加入控制器,实现鲁棒跟踪.扭矩前馈采用比例微分(PD)控制策略,实现对发动机负载变化干扰的有效补偿.数字仿真结果表明:极端学习机扭矩预测精度高,扭矩相对误差小于1.5‰,与不加前馈控制相比,所提出的控制方法减小了机动飞行过程中功率涡轮转速的超调或下垂30%以上.      

一种新的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。涡轴发动机由于直接与旋翼相连,因此直升机与涡轴发动机的动力学耦合十分明显,从涡轴发动机子系统角度讲,直升机传递来的扭矩可认为是对该系统强的扰动,如何提高涡轴发动机闭环系统的抗扰性能,提高涡轴发动机对直升机操纵的跟随品质就显得非常重要。自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control)是近年来新兴的一种的控制方法,它具有模型依赖程度低,抗扰能力强,设计简单且易于实现的特点.在不改变原有发动机串级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Ｄ庵鄙蠓彼偕挡僮?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.     

自旋动力恢复过程涡轴发动机快速响应控制律对比研究

针对直升机自旋过程中对动力快速安全恢复的问题,充分利用涡轴发动机气路中的导叶、涡轮放气控制,提出了两种涡轴发动机多回路多变量鲁棒控制规律,以实现自旋训练过程中发动机扭矩的快速响应,同时降低旋翼转子瞬态下垂量。采用保性能H2/H∞鲁棒控制算法,分别设计了基于燃油流量压气机导叶调节,以及燃油流量涡轮放气调节的具有快速响应能力的发动机转子转速控制规律,使得涡轴发动机在直升机自旋动力恢复过程中,在保证气动稳定安全的前提下,输出扭矩能够快速响应,且旋翼转子下垂量由常规燃油控制的5%下降至3%以内,并能够显著改善燃油动态特性。最后,通过数字仿真对两种控制方法进行了对比分析,得出了在工程应用中两者可能存在的优缺点。     

变旋翼转速飞行控制对涡轴发动机输出响应的影响

为探明变旋翼转速条件下飞行控制对涡轴发动机输出响应的影响,在变旋翼转速直升机/传动机构/发动机综合仿真平台的基础上,考虑系统不确定因素的存在,提出并设计了增量式非线性动态逆飞行控制器,提高对系统的控制效果,控制器主要包括角速率控制器、姿态角控制器和航迹控制器;由于执行机构的物理限制,引入伪控制模块,以提高系统的稳定性。典型的飞行任务下的仿真结果表明：相对于增量式非线性动态逆飞行控制器而言,伪控制模块不仅可显著提升飞行控制效果,使爬升速度的超调量减小50%以上,还可有效减小动力涡轮转速的超调量9.0%左右,有助于增强发动机的动态控制品质。     

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.      

基于直升机/ 发动机综合模型的变旋翼转速控制研究

为了实现直升机旋翼转速在宽广范围内连续变化且涡轴发动机连续提供输出轴功率,采用1种扭矩序列转移控制方案来实现该传动链。通过2台涡轴发动机和2台多级变速器与旋翼协调工作,发动机依次连接或脱开旋翼,提供旋翼转速大范围内变化,并提供旋翼连续变化的功率。在扭矩转移过程中,针对发动机扭矩强扰动问题设计了鲁棒LMI控制器+ADRC扭矩前馈补偿控制器,最后基于直升机／发动机综合模型进行数值仿真,验证了扭矩转移方案的可行性。仿真结果表明：在转移过程中的扭矩强扰动对发动机动力涡轮转速的影响较小,旋翼转速可以实现较大范围内的快速平滑变化。     

涡轴发动机动力涡轮转子失去负载转速预测

为满足发动机适航规章CCAR33.27对涡轮失去负载时转子完整性的设计要求,研究涡轮失去负载瞬间转速随时间变化规律。采用多点稳态法对动力涡轮超转瞬时气动效率与转速对应关系进行研究,在此基础上,假设动力涡轮进口燃气能量不变,进而分析动力涡轮扭矩与转速的变化关系。然后采用理论力学和工程分析相结合的方法建立了动力涡轮失去负载瞬间转子转速随时间变化预测模型,并采用整机试验数据对该模型进行了验证,证明了该预测模型的合理性和准确性,建立的预测模型可为动力涡轮强度和超转保护设计提供理论依据。研究结果表明,动力涡轮转子失去负载后转速在200～300 ms上升至160%,接近大部分轮盘破裂转速,需要在涡轴发动机超转保护设计中引起足够重视。      

基于支持向量回归机的发动机/直升机扭矩超前控制

主要研究涡轴发动机转速按扰动补偿控制问题,提出了一种基于迭代约简最小二乘支持向量回归机算法和模型预测机制的直升机扭矩动态超前预测模型设计方法.首先用迭代约简最小二乘支持向量回归机设计了旋翼扭矩按飞行状态和操纵量估计的非参数动态反馈模型,然后设置了扭矩模型预测机制,以获得扭矩的超前动态信息.接着利用扭矩超前预测信息设计了...     

航空发动机主燃油执行机构容错控制

为了在主燃油计量活门位移传感器出现故障时仍能实现航空发动机全包线范围内的转速自适应控制，根据航空发动机 转速自适应控制原理提出了一种基于零极点配置原理的容错控制方法，根据高压转子转速控制计划与实测转速之间的误差对主 燃油控制电液伺服阀电流进行闭环运算，并运用零极点配置原理将控制参数与转速自适应控制相融合，参数在全包线范围内随发 动机状态变化进行自适应调整，通过半物理模拟试验对该容错控制方法进行了验证。结果表明：该容错控制方法能够在全包线范 围内保证数字电子控制系统稳定工作，并具有较好的稳态和动态性能，发动机高压转子转速稳态波动量在±0.15%以内，超调量和 下降量分别在0.63%和0.61%以下，而且容错控制方法实施方便、自适应性强，对提高航空发动机数字电子控制系统的工作可靠 性具有重要作用。     

基于直升机/涡轴发动机综合仿真平台的发动机非线性模型预测控制

 基于具有可靠置信度的直升机/涡轴发动机综合仿真平台,研究了涡轴发动机带约束优化的非线性模型预测控制(NMPC)技术。首先通过设计多输出迭代约简最小二乘支持向量回归机(RRLSSVR),训练具有较好实时性、精度及泛化能力的内嵌式预测模型,在高度0~5 km、前飞速度0~75 m/s范围内模型精度达5‰。其次,考虑了扭矩、燃油流量、动力涡轮转速、燃气涡轮转速等综合信息及相关约束对控制效果的影响,利用在线序列二次规划(SQP)算法实现滚动优化控制,而后加入目标转速偏差的积分项以消除静差,保证输出恒定。最后,通过对直升机进行机动飞行大扰动仿真验证了该预测控制器对扰动的抑制能力,相比传统串级PID控制,能够显著降低动力涡轮转速下垂/超调量,达到更好的控制品质。     

基于在线滚动序列核极限学习机的涡轴发动机非线性模型预测控制

针对涡轴发动机控制系统设计,提出了1种基于在线滚动序列核极限学习机的非线性模型预测控制方法。综合考虑直升机旋翼扭矩、燃气涡轮转速、动力涡轮转速、涡轮级间温度和压气机喘振裕度等信息,设计具有较好实时性、精度和泛化能力的多输出在线滚动序列核极限学习机作为预测模型,引入预测模型输出与发动机输出的误差进行反馈校正,利用序列二次规化算法在线求解包含限制约束的预测控制问题。在某型直升机/涡轴发动机综合平台的仿真环境中进行了直升机大幅度机动飞行仿真验证,结果表明:该模型预测控制器相比于传统串级控制具有更好的控制品质,可显著降低动力涡轮转速超调/下垂量。     

一种变旋翼转速直升机/涡轴发动机非线性模型预测控制方法研究

为了实现变旋翼转速直升机/涡轴发动机快速响应控制,提出了一种基于神经网络的直升机旋翼预测模型与基于状态变量模型的涡轴发动机预测模型的新型非线性模型预测控制方法。所建目标函数除了包含转速控制指标外,还考虑了经两级变速双离合器传动机构传扭后发动机输出轴的转子动力学特性。不同飞行任务下的数值仿真结果表明:相对于PID控制器而言,非线性模型预测控制器可在满足压气机转速、发动机静强度等限制条件下使动力涡轮转速在变旋翼转速过程中的超调量减小50%,下垂量降至0.2%以内,实现了涡轴发动机的快速响应控制的同时,有利于改善发动机使用寿命。     

涡轴发动机双回路PI控制器多发功率匹配

为了应对多个发动机共同驱动同一直升机时,单个发动机性能衰退所引发的输出功率不平衡问题,以控制2个转子转速的双回路结构PI控制器为基础,将外回路改为直接功率控制回路,搭配能够计算旋翼在一定转速下需求功率的机载模型,构建了1种涡轴发动机多发功率平衡匹配控制系统.内回路分别采用燃气发生器转子转速控制回路和动力涡轮转子转速控制回路,得到参数不同的控制器并进行了仿真验证和对比.结果表明:所设计的双回路PI控制器能够在保证涡轴发动机动力涡轮转速恒定的同时,使性能衰退程度不同的2台发动机输出相同的功率.     

具有边界保护性能的直升机飞-发一体化控制律

针对直升机飞-发一体化控制和边界保护控制问题，提出了一种基于投影算子的新型边界保护控制律设计方法，基于反馈控制概念设计了指令约束器，通过对控制指令进行修正，实现边界保护控制。基于UH-60直升机和T700涡轴发动机的参数，建立了直升机-传动机构-发动机综合系统的数学模型，采用动态逆和线性二次型调节器（LQR）控制理论设计了直升机飞-发一体化控制律，与基于投影算子的边界保护控制模块进行整合形成完整控制律。采用数值仿真检验了控制律的控制性能，仿真结果表明本文设计的控制律能够实现直升机和发动机的综合控制，在高度、滚转、俯仰、偏航通道实现显模型跟踪控制性能的同时，实现了高度变化率、姿态角、姿态角速率和发动机动力涡轮转速边界保护控制要求。     

涡轴发动机自适应非线性预测控制

为了实现当直升机旋翼负载变化时,尽量保持功率涡轮转速恒定,并提高系统动态品质,研究了一种针对涡轴发动机的自适应非线性预测控制(ANMPC)算法.基于涡轴发动机稳态数据和动态特性,采用递归最小二乘法(RLS)进行模型参数辨识,建立了具有在线自适应能力的涡轴发动机数值-ARX(auto regressive with external input)并联预测模型.在此基础上,通过多步输出预测和反馈校正,利用序列二次型优化(SQP)算法,进行在线滚动优化,从而获得了涡轴发动机ANMPC控制器.仿真结果表明:当旋翼负载变化时,相比于传统的串联PID(比例-积分-控制)控制器,ANMPC控制器能够使得功率涡轮转速收敛更快,超调量/下垂量更小.      

航空发动机多变量 PI 型鲁棒控制器

首先用奇异值分解法,将航空发动机不同平衡点的小偏离线性模型统一为一个具有结构参数扰动的线性模型,然后应用鲁棒H∞控制理论及PI型H∞控制设计技术,设计了PI型鲁棒串级控制器,实现了低压转速和涡轮后温度同时保持常数的双变量发动机调节方案。最后采用某型双转子涡喷发动机气动热力学非线性数字模拟器,对所设计的控制器进行了仿真评估,结果表明控制系统具有良好的动态响应及鲁棒稳定性。     

微型发动机温度限制保护闭环控制设计方法

针对微型涡喷发动机转子转速闭环设计的控制结构中涡轮出口温度对燃油供给率变化敏感的问题,尤其在快速推油门杆时可能会超温,提出了1种带涡轮出口温度限制保护的闭环限制控制器的设计方法。该方法采用了双回路的闭环结构方式,并采用控制参数相似变换的增益调度增量式PI控制方法,实现了稳态/过渡态的发动机转速、温度闭环控制,所述算法在Simulink环境下进行了地面和高空的仿真验证。结果表明:控制系统在保证转子转速伺服跟踪性能的要求下还具有温度保护功能。     

多发配置下涡轴发动机扭矩匹配控制方法研究

对于配置多台发动机的直升机,发动机工作状态的差异会严重影响传动系统寿命,因此需要采用适当的控制方法对多台发动机的输出扭矩进行实时匹配。目前的匹配方法多适用于双发配置,对多发配置下涡轴发动机扭矩匹配方法研究较少。针对多发匹配问题,提出了一种适用于多发配置下的涡轴发动机扭矩匹配控制方法,设计了单边匹配和双边匹配两种方法。建立了三发配置的涡轴发动机/旋翼综合实时模型,并在此模型的基础上对两种匹配方法进行了仿真对比。结果表明:所提出的控制方法能够在满足旋翼功率需求的前提下,快速地使三台发动机的输出扭矩相互平衡,相同的匹配方法高空工作点的匹配时间比地面延长50%以上;相同的工作点双边匹配的匹配时间比单边匹配缩短了50%以上,双边匹配的扭矩匹配时间显著缩短,但动力涡轮转速的下垂量稍大;作为匹配速度的代价可以接受。     

直升机/发动机系统综合控制半物理仿真

基于直升机/发动机系统综合控制半物理仿真试验平台,针对直升机/发动机系统综合模型和综合控制算法进行数字与半物理仿真试验研究.提出了一种串级PID(proportional integration differential)+扭矩前馈+总距补偿的系统抗扰控制算法,并提出了基于机载简化发动机模型的多模式综合实时优化控制算法.试验结果表明:所建立的 直升机/发动机系统综合开闭环模型能够模拟发动机从起动到慢车再到直升机飞行的整个过程,自由涡轮转速超调量和下垂量均在4%以内,在不同飞行条件下,动静态品质均满足设计要求.本文还进行了综合系统多模式优化技术的半物理仿真,结果表明所设计综合控制律的良好工程应用前景.