航空发动机二自由度鲁棒控制LMI方法研究

为克服传统鲁棒控制器无法兼顾系统的性能和鲁棒性要求的缺陷,引入二自由度控制结构,以对使目标值跟踪特性为最优的参数和使外扰抑制特性为最优的参数分别进行整定,并使用线性矩阵不等式(Linear matrix inequality,LMI)方法对二自由度鲁棒控制器求解,克服传统Riccati方法中的种种缺陷.以某型涡扇航空发动机为对象,设计了基于LMI解法的二自由度H_∞回路成形控制器,并在构建的航空发动机数控系统实时仿真平台上进行了硬件回路仿真,结果表明所设计的控制器具有良好的跟踪和鲁棒特性,满足航空发动机控制要求.      

基于RBF神经网络补偿的航空发动机H_∞自适应控制研究

航空发动机控制系统是飞行器的重要机构,航空发动机存在的控制增益衰减和未建模动态等不确定性问题影响了其控制性能,为此设计将H∞自适应控制和补偿控制相结合的控制器。首先,基于混合灵敏度理论设计H∞自适应控制器;然后,基于Lyapunov 严格稳定理论设计RBF 神经网络补偿控制器对不确定性进行拟合补偿,并通过与误差相关的线性函数调整拟合速度;最后,以归一化后的航空发动机模型为被控对象进行多变量仿真试验。结果表明：本文设计的自适应控制器能够有效补偿不确定性,相比H∞控制器,超调量和调节时间都有所降低。     

考虑切换特性的航空发动机多回路控制系统设计

针对航空发动机多回路控制系统切换, 分析了多回路控制系统切换的性能指标要求, 基于极点配置与H鲁棒控制综合的方法, 构造了线性矩阵不等式(LMIs), 以此为充分条件给出了多回路切换时的H∞控制器设计方法, 并与单回路系统设计切换进行比较仿真, 进一步表明了航空发动机切换控制的必要性与有效性.      

带执行机构的航空发动机控制系统设计仿真

为探讨执行机构对航空发动机控制系统设计的影响，采用多变量H∞控制器设计方法进行了某型航空发动机中间状态控制系统的设计，利用数字仿真平台进行了有无执行机构时控制系统的对比仿真。结果表明，执行机构的加入能帮助控制器对控制量能量进行约束，同时，在控制量增大的方向上，控制系统具有很大的鲁棒稳定和鲁棒性能范围。     

航空发动机分布式控制系统动态输出反馈鲁棒H∞容错控制

针对存在网络诱导时延、外部干扰的航空发动机分布式控制系统,提出了执行机构发生部分失效故障时的输出反馈容错控制方法。对航空发动机分布式控制系统中网络诱导时延以及执行器部分失效问题进行量化说明,在此基础上,采用动态输出反馈控制器建立增广闭环系统。针对所建立的增广闭环系统,对H∞性能约束下的增广闭环系统稳定性进行分析,并利用线性矩阵不等式理论设计了输出反馈H∞容错控制器。仿真结果表明,当两个执行机构输出值分别为衰减80%和50%时,控制系统在所设计的控制器作用下均方渐进稳定,且具有H∞性能指标为0.63,同样在正向偏差故障条件下也具有很好的容错能力。      

基于Homotopy算法发动机固定阶鲁棒控制

针对某型涡扇发动机，分析了H∞，H∞／H2和u控制存在的不足，提出了一种基于Homotopy算法发动机固定阶控制设计方法。采用规范形式控制器结构进行固定阶H∞／H2控制器设计，推导出了固定阶H∞／H2控制器存在的必要条件，使用Homotopy算法获得最优固定阶H∞／H2控制器的解。提出了将固定阶H∞／H2控制器与混合u综合相结合获得固定阶混合u控制器的策略。与全阶混合u控制器不同，固定阶混合u控制器具有结构简单，易于实现，而其鲁棒性能和鲁棒稳定性与全阶u控制器相近。使用该方法对某型涡扇发动机控制系统进行固定阶混合u控制器设计，仿真验证表明，该控制系统其性能鲁棒性满足要求。     

基于H_∞回路成形的无人直升机动态逆控制研究

针对微小型无人直升机动力学模型的控制需求,结合H_∞回路成形控制和动态逆控制的特点,分别将动态逆算法应用到角速率控制回路和姿态角控制回路,同时应用H_∞回路成形控制方法对姿控模型进行成形,建立3通道控制器,并与经典PID控制效果进行了仿真对比。仿真结果表明,基于H_∞回路成形的动态逆控制在控制效果及抗扰能力上优于经典PID控制律。在此基础上,采用AF25B微小型无人直升机飞行验证平台对算法进行了初步飞行验证。     

基于改进NSGAⅡ的航空发动机LQ/H∞控制器设计

对第2代非支配排序遗传算法(NSGAⅡ)进行改进,提出以非支配序为进化方向的微分进化(DE)算法代替传统的遗传操作,提高了算法的收敛速度.针对目前航空发动机多变量控制领域广泛关注的线性二次型调节器(LQR)控制与H2/H∞控制存在的保守性问题,提出了将时域性能指标、二次型性能指标与H∞性能指标相结合,通过改进NSGAⅡ优化权矩阵Q,R,最终获得航空发动机LQ/H∞控制器的设计方法.与其他控制器设计方法相比,基于多目标优化的LQ/H∞控制器目标明确、鲁棒性强且保守性更低.仿真验证结果表明:相比于基于线性矩阵不等式(LMI)的H2/H∞控制器,基于多目标优化的LQ/H∞控制器时域性能提高了4倍,调节时间减少了50%,抗干扰能力提高了15%.     

几何可调液体冲压发动机多变量控制算法研究

为了解决几何可调冲压发动机多变量耦合下的控制问题,设计了此发动机的混合灵敏度H∞鲁棒多变量控制器。在大偏离非线性动态模型基础上进行了仿真试验验证并与原单变量多回路控制器进行了对比,试验结果表明此多变量控制器可以有效地减小输出超调,提高了发动机的稳定裕度。      

基于LMI的航空发动机多变量H_∞固定阶控制的研究

提供了一种新的航空发动机多变量静态输出反馈的固定阶PI控制器的设计方法。固定阶控制器的综合问题一般表征为满足双线性矩阵不等式(BMI)约束优化问题,获得BMI约束下的最优解非常困难。在航空发动机特定的控制条件下,将固定阶控制器的BMI问题转化为标准的线性矩阵不等式(LMI)问题,并推导出静态输出反馈的H∞固定阶控制器存在的条件及控制器的设计方法。使用该技术对某型涡扇发动机控制系统进行固定阶PI控制器设计,仿真结果表明,该控制系统其性能和鲁棒性满足要求。     

基于H ∞ 回路成形的变循环发动机多变量控制

为了进一步提升变循环发动机的性能，针对3输入3输出变循环发动机模型，利用相对增益矩阵（RGA）分析了发动机内 部的耦合性；采用基于目标函数的2自由度H ∞ 回路成形法设计了多变量控制器，并与传统单变量PI方法做了对比。仿真结果表 明：多变量控制系统具有良好的扰动抑制能力和跟踪性能，且能够顺利实现模态转换；与单变量方法相比，在同等的穿越频率及相 位裕度约束下，n 1 回路阶跃响应的超调量减小了95.3%、调节时间缩短了51.5%；πe回路的最大偏移量减小了89.69%、调节时间缩 短了27.4%。表明多变量方法可以对变循环发动机进行有效控制且在跟踪控制过程中的性能更优，可以显著提升变循环发动机 的性能。     

基于小波神经网络的自适应飞/推控制系统设计

基于小波神经网络提出了一种H∞自适应控制方法。控制器由等效控制器和H∞控制器两部分组成。用小波神经网络逼近非线性函数,并把逼近误差引入到权值的自适应律中用以改善系统的动态性能。H∞控制器用于减弱外部及神经网络的逼近误差对跟踪的影响。所设计的控制器不仅保证了闭环系统的稳定性,而且使外部干扰及神经网络的逼近误差对跟踪的影响减小到给定的性能指标。最后基于所设计的控制方法对新一代歼击机设计了飞/推控制系统,并对飞机作大迎角机动仿真。仿真结果表明所设计的飞/推控制系统是有效的,同时验证了所设计的非线性控制方法是有效性的。      

航空发动机结构参数和非结构参数不确定系统鲁棒H∞输出反馈控制

分析了航空发动机混合不确定性系统的鲁棒稳定性和鲁棒性能;引入结构奇异值μ综合法,研究了结构参数和非结构参数混合摄动下的鲁棒H∞输出反馈控制;对航空发动机不确定性系统设计的控制器在双转子涡喷发动机气动热力学非线性模型上。      

航空发动机鲁棒H_∞/PI状态反馈控制

针对航空发动机模型的不确定性问题，在二次稳定且由干扰到被控输出的闭环传递函数的H∞范数约束下，可获得等效的确定性系统，将参数化的H∞状态反馈控制器中的2个自由参数用PI结构进行约束，提出了一种鲁棒H∞／PI型控制器的设计方法，在建立的SIMULINK仿真结构平台上进行了鲁棒性能验证。     

基LMI的航空发动机多变量H∞固定阶控制的研究

提供了一种新的航空发动机多变量静态输出反馈的固定阶PI控制器的设计方法.固定阶控制器的综合问题一般表征为满足双线性矩阵不等式(BMI)约束优化问题,获得BMI约束下的最优解非常困难.在航空发动机特定的控制条件下,将固定阶控制器的BMI问题转化为标准的线性矩阵不等式(LMI)问题,并推导出静态输出反馈的H∞固定阶控制器存在的条件及控制器的设计方法.使用该技术对某型涡扇发动机控制系统进行固定阶PI控制器设计,仿真结果表明,该控制系统其性能和鲁棒性满足要求.     

基于LMI涡扇发动机混合加权灵敏度H_∞动态输出反馈控制

利用回路整形和内模原理方法,选取合理频率域加权函数,结合实际被控对象状态空间模型,得到某广义被控对象状态空间模型,将原控制要求问题转化为标准H∞控制问题。基于LMI(LinearMatrixInequality)方法,对此广义对象进行最优H∞动态输出反馈控制器设计,进而求得原被控对象的控制器。以某型涡扇发动机为被控对象,进行混合加权灵敏度H∞动态输出反馈控制器设计,并在飞行包线范围内,进行了发动机控制系统非线性仿真验证。结果表明,此控制器满足抗干扰性、跟踪性要求,并具有一定鲁棒性。      

航空发动机部件性能退化容错控制

本文针对航空发动机部件性能退化问题,开展退化容错控制研究。首先,视退化为干扰,综合考虑退化的缓变特性及系统的目标跟踪要求,提出一种基于H∞鲁棒控制的部件性能退化被动容错控制设计。其次,将退化信息加入控制律设计中,并考虑信息的不准确性,提出一种基于滑模控制器的部件性能退化主动容错控制设计。对所提设计开展硬件在环试验验证,结果表明,两类设计可以较好地弥补退化引起的发动机参数变化,并具有一定的工程应用能力,其中,基于H∞鲁棒控制的容错设计保守性大,且具有较长的调节时间,而基于滑模控制器的容错设计具有更好的动态特性,但在应用过程中需重新配置控制参数。     

根轨迹法在燃油控制回路PI控制器参数设计中的应用

为进一步提高航空发动机燃油控制回路的控制性能,使其达到数控系统性能指标要求,针对发动机的特性,从其控制系统的实际运用角度出发,开发出适用于其燃油控制回路PI控制器的根轨迹参数设计方法.该方法采用根轨迹图并结合控制性能指标要求确定了闭环主导极点的期望区域,在根轨迹图上放置极点和零点,移动闭环主导极点到期望区域内以确定满足性能指标要求的PI控制器参数.通过仿真试验发现,采用根轨迹法所设计的燃油控制回路PI控制器参数不仅能达到数控系统性能指标要求,所设计PI控制器的控制品质还明显优于零极点对消法.     

不确定性系统鲁棒H∞/H2混合控制在航空发动机中的应用

将结构参数不确定性问题引入到参数化的一般 H∞ 控制器中 ,并考虑 H2 性能指标 ,提出了 1种被控系统中存在结构参数不确定性的混合 H∞ /H2 控制器的设计方法 ,给出了相应问题求解的充分必要条件 ,问题的解归结为求解 3个 Riccati方程。设计的控制器在某型双转子涡喷发动机气动热力学非线性模型上进行了仿真验证     

不确定航空发动机分布式控制系统自适应滑模控制

针对存在参数摄动、外部干扰的航空发动机不确定性分布式控制系统,在系统具有时变输入时延和干扰上界未知的情况下,设计了具有鲁棒性能的自适应滑模控制器。基于预测控制和矩阵奇异值理论,对初始的发动机离散分布式模型进行等效线性变换,得到不显含时延项的规范形系统模型,便于进行滑模面参数的求解;在给定的H∞指标下,推导了滑模运动在非匹配不确定性作用下渐进稳定的充分条件,给出了线性矩阵不等式(LMI)形式的滑模面参数设计方法;最后,设计对干扰具有估计功能的自适应率,在此基础上提出自适应滑模控制器。仿真结果表明:所设计的控制器能够有效降低外部干扰对系统动态性能的影响,在所考虑的不确定性因素作用下,系统的滑模运动具有理想的H∞性能。当外部干扰强度变化时,控制器的鲁棒性较好,状态收敛时间小于0.8s,且不存在抖振。