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%.     

基于需用功率预测的直升机/发动机综合控制方法

为了提高涡轴发动机在直升机飞行状态突变时的响应速度,提出一种基于需用功率预测的直升机/发动机综合控制方法。通过逐步回归分析法对直升机需用功率影响最大的5个变量进行选取,并以这5个变量为输入量,根据多元拟合方法建立直升机需用功率预测模型,基于所建立的预测模型,采用预测需用功率信号在发动机控制回路的燃气涡轮转速指令位置进行前馈线性补偿,设计了直升机/发动机综合控制方法。经过UH-60A综合仿真平台验证,结果表明：所提出的综合控制方法相比于传统串级PID控制方法,可以有效减少动力涡轮转速超调量或下垂量60%以上;相比加入总距前馈的控制方法,可以减小动力涡轮转速超调量或下垂量20%以上;可以有效加快发动机响应速度,缩短发动机响应时间1 s以上,极大提高了发动机的稳定性及鲁棒性。     

利用遗传算法和LMI设计固定结构H2/H∞飞行控制律

在设计飞翼式无人机(UAV)的横航向飞行控制系统时,为了使无人机具有较好的动态特性和阵风抑制能力,同时又便于工程实现,提出了固定结构的H2/H∞控制律设计方法.对于由此遇到的双线性矩阵不等式(BMI)问题,先用线性矩阵不等式(LMI)方法得到控制律参数和H2/H∞性能指标的映射关系,再用此映射关系作为适应度函数,用改进的遗传算法求解使H2/H∞性能最优的控制律参数.仿真结果表明,使用固定结构的H2/H∞控制方法的无人机动态响应迅速平滑,在侧风干扰下的滚转角振荡幅值仅是原经典控制方法的一半.     

基于鲁棒H∞控制的多机协同编队

针对环境风干扰情况下无人机编队保持精度差的问题，设计了基于邻居无人机相对状态的编队控制协议。通过定义恰当的被控输出来量化环境风干扰对多机编队的影响，将受扰多机编队控制问题转化为鲁棒H∞控制问题。基于H∞控制方法，得到了满足期望H∞干扰抑制指标的多机编队充分条件，并以线性矩阵不等式的形式给出。此外，对于僚机之间的通信拓扑为无向图的情形，可以通过只求解2个线性矩阵不等式确定控制协议。最后数值仿真结果表明，该控制协议能够有效抑制阵风干扰对多机编队的影响，提高了多机协同编队的鲁棒性。     

基于鲁棒H∞控制的DTG动基座锁定回路设计

 针对动力调谐陀螺（DTG）动基座锁定问题,提出一种基于鲁棒H_∞控制的DTG动基座锁定回路设计方法。首先,建立了DTG的状态空间模型,将基座角运动视为外部干扰输入,将陀螺启动（或停止）过程中由于转子转速变化引起的参数变化视为模型摄动;然后,采用能够处理参数摄动下干扰抑制问题的鲁棒H_∞控制器设计了DTG动基座锁定回路,并将其转化?曜吉獺∞控制问题,采用线性矩阵不等式(LMI)求解。仿真结果表明：在不需要转速信息的情况下,该回路可以实现从启动到停止整个过程中将陀螺转子锁定零位附近。     

飞机自动着陆鲁棒控制系统的设计与仿真

采用鲁棒H∞控制理论设计了某型飞机的自动着陆控制系统,描述了飞机自动着陆的过程,分析了系统中可能受到的干扰,建立了H∞控制问题的系统增广模型,针对飞机着陆时的要求设计了鲁棒H∞控制器以抑制干扰的影响.仿真结果表明,所设计的控制器对自动着陆时的干扰具有较强的抑制作用,能使飞机准确地跟踪期望轨迹并满足着陆指标的要求,具有良好的动态性能和鲁棒性能.     

时变广义系统的H∞控制

研究系统矩阵中含有范数有界不确定性广义系统的H∞控制问题，通过广义系统的有界实引理分析不确定广义系统容许性以及H∞干扰衰减问题，利用线性矩阵不等式方法和Schur补定理将时变广义系统H∞控制问题转化为对定常广义系统H∞控制问题进行研究，得出了具有时变不确定性广义系统在范数有界的约束下等价于定常广义系统的结论。     

飞机着陆系统的一种鲁棒H∞控制器设计

利用鲁棒H∞控制理论设计了某型飞机的自动着陆系统，讨论了飞机自动着陆过程的要求，分析了系统中可能受到的干扰，之后建立了H∞控制问题的系统模型，针对飞机着陆时的要求设计了一种鲁棒H∞控制器以抑制阵风的影响，仿真结果表明，所设计的控制器对自动着陆时的干扰具有较好的抑制能力，能使飞机很好地跟踪希望轨迹并满足着陆指标的要求。     

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.      

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。     

燃气发生器二自由度H∞自适应压强控制研究

为了解决由滑动板调节角度和空腔自由容积引起的燃气发生器压强时变特性的控制问题，设计了二自由度H∞自适应控制器。首先，建立燃气发生器数学模型，并提出根据标准二阶线性模型建立燃气发生器归一化线性变参数（LPV） 系统的方法。其次，假设燃气发生器系统固有频率不变，通过最小二乘辨识方法获得在不同工作点的虚拟阻尼系数分布。再其次，针对归一化LPV系统，设计了两个胞点的二自由度H∞控制器，在两个控制器胞点之间，根据虚拟阻尼系数实时求解控制参数。最后，给出了二自由度H∞自适应控制器输入信号量纲变换方法。仿真结果表明，燃气发生器LPV系统辨识精度高，二自由度H∞自适应控制器具有不超调、快速控制特性和良好的抗噪声干扰能力。     

H∞控制理论在飞机阵风着陆控制中的应用

飞机在着陆过程中，极易受到阵风干扰，通过设计H∞状态反馈控制器，来迎制阵风干扰，并解决控制输入过大等问题。仿真结果表明，所设计的飞机H∞状态反馈控制器能满足自动着陆要求，并且能有效地抑制阵风干扰和避免控制输入过大等问题。由于H∞控制理论自身的优点使其在阵风着陆控制中效果良好。     

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.      

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H_∞控制的飞机俯仰角控制系统设计

将H∞控制理论应用于飞机俯仰角控制系统的设计。首先,按照干扰抑制原理将控制系统的设计转化为H∞标准控制问题;然后,通过选择适当的加权函数构造出广义的被控对象;最后,采用Matlab的鲁棒控制工具箱求得俯仰角控制器。频域分析和时域仿真均表明,所设计的控制系统具有较好的标称性能和鲁棒性能。     

共轴高速直升机/发动机交联控制方法研究

针对常规的旋翼总距前馈方法难以有效实现共轴高速直升机/发动机快速交联控制的问题,本文提出并设计了适用于共轴高速直升机/发动机的新型交联控制方法。首先,基于共轴高速直升机/发动机综合仿真平台,揭示不同运行工况下,共轴双旋翼、推力桨操纵输入、发动机燃油输入变化规律;其次,在此基础上,提出了综合考虑共轴双旋翼、推力桨桨距的增益自调节交联控制方法,并针对不同的运行工况,开展了数值仿真验证。结果表明,在中等、高速度飞行时,相比于常规的旋翼总距前馈,新型交联控制方法可使动力涡轮转速的超调与下垂量减小36%与70%,可使直升机/发动机快速交联控制品质更优,进一步提升直升机/发动机综合系统的控制品质。     

抑制舰尾流扰动的飞机着舰导引控制策略

紧密关注自动着舰导引术,基于线性矩阵不等式(LMI)的H∞优化设计理论,分别构建了独特的H∞飞行/推力系统及H∞导引系统增广模型.不同于传统单输入单输出的设计,赋予飞行/推力系统内回路本身就具有抑风扰动的性能,而且所构建的H∞导引系统外回路满足轨迹动态跟踪精度,并进行了抑风扰动的处理,从而明显地强化了抑风效果.文中的设计机理及所提出的H∞控制律实现途径均得到有效的实时仿真验证.     

基于线性矩阵不等式的舰载机纵向着舰H∞控制

运用线性矩阵不等式（LMI）的H∞控制理论．将舰载机纵向着舰导引系统的SISO性能要求转化为H∞控制广义模型权函数的选择．设计出H∞输出反馈控制器。以某型舰载机着舰过程进行仿真验证。结果表明，采用H∞控制的着舰导引系统具有良好的着舰下滑轨迹跟踪能力。     

基于变旋翼转速的涡轴发动机优化控制

研究了涡轴发动机/旋翼一体化优化控制问题, 分析了直升机旋翼需用功率与涡轴发动机工况的关系, 旋翼转速、旋翼总距、纵向周期变距及横向周期变距对旋翼需用功率的影响.以最小旋翼需用功率为目标函数, 用线性规划算法进行发动机/旋翼性能寻优.进行了巡航状态下变旋翼转速的涡轴发动机优化的数字仿真实验, 仿真结果表明在巡航状态应用变旋翼转速的涡轴发动机优化, 可以降低油耗1.5%～5.5%, 同时降低涡轮温度4.4～16℃, 具有实际应用价值.