[发明专利]变循环发动机的非线性预测控制设计方法

说明书

本发明公开了一种变循环发动机的非线性预测控制设计方法，包括：建立变循环发动机模型框图的标准形式；针对标准形式获得非线性广义最小方差控制器；评估非线性广义最小方差控制器各设计参数对变循环发动机控制性能的影响；对比分析确定最优控制器设计参数。本发明针对变循环发动机具有强非线性、建模困难、模型精度不高等问题，采用新型的非线性预测广义最小方差控制方法，可使现有变循环发动机控制性能得到显著提升。

技术领域

本发明属于航空推进理论与工程中的系统控制与仿真技术领域，具体涉及一种面向变循环发动机的非线性预测控制设计方法。

背景技术

变循环发动机是指通过改变发动机某些部件的几何形状、尺寸或位置来改变其热力循环参数的燃气涡轮发动机。通过变循环调节来改变发动机的某些循环参数，如增压比、空气流量或涵道比，从而使发动机在各种工作状态下都具有良好的性能，在涡喷/涡扇发动机领域，变循环发动机研究的重点是改变涵道比，如在加速、爬升和超音速飞行时，减小涵道比，使发动机具有类似于涡喷的性能特点(高单位推力)；在起飞和亚音速飞行时，加大涵道比，以涡扇循环形式工作，达到降低巡航耗油率和起飞噪声的目的。因此，变循环发动机作为未来第六代多用途战斗机的理想动力装置，和一般发动机相比具有明显的优势：当外界温度升高时或者从压气机中引气时对发动机推力的影响小；在某些状态下应用变几何调节可以提高进气道和压气机的气动稳定裕度而不明显降低推力，这不仅提升了发动机适应性能还能在超音速巡航时提高经济性等。

然而变循环发动机的实现需要解决许多关键技术，如：变循环发动机性能仿真、核心机驱动风扇级设计、可调涡轮导向器设计、多变量控制系统设计等。变循环发动机发展更多的是要在总体、控制领域先行开展工作，确定可行的变循环方案。从控制设计角度来看，变循环发动机是一个多输入多输出的非线性复杂系统，与一般涡扇发动机相比，它具有更多可调部件，结构更加复杂。在处理涡扇发动机控制问题时，往往在其部件级模型基础上选取某个稳态点通过最小二乘拟合法得到其线性状态空间模型，并基于此模型进行线性控制方法设计。通过这一套流程虽然能够对传统涡扇发动机的控制策略进行设计，如果在变循环发动机上仍然沿用这一流程，则存在许多困难：最小二乘拟合法拟合三阶模型计算量较大而且精度较难保证；基于线性模型的多变量控制对模型精度要求较高，同时模型阶次的提高也制约了多变量控制算法的精度。针对以上困难，必须采用一种新的思路对变循环发动机进行控制策略设计，如果能设计出一种不依赖于对象数学模型的方法便能成功解决这些难题。非线性广义预测控制作为非线性领域的后起之秀，主要优势就在于能够对带非解析模块的对象进行控制策略设计，能够有效解决变循环发动机控制问题。

预测控制最早是由Richalet等人于十九世纪七十年代末提出，通过计算机技术有效解决了工业控制中线性控制理论遇到的难题。预测控制以对象的有限脉冲响应或阶跃响应为模型，在每个控制周期内采用滚动方式对过程进行有限时域优化，即滚动优化，所以这种方法又被称作滚动时域控制。显然，这种控制方法在设计上对过程模型要求低，算法简单，容易实现，同时在优化过程中不断利用测量信息进行反馈校正，在一定程度上能克服不确定因素的影响，能为复杂系统控制提供良好的控制性能。在过去30多年中，基于模型的预测控制在工业应用中的蓬勃发展，较为典型的是动态矩阵控制(Dynamic matrix control,DMC)和广义预测控制(Generalized predictive control,GPC)。然而这两种预测控制方法均以线性模型为基础，针对非线性系统的预测控制主要有无穷时域非线性预测控制、约束非线性预测控制、收缩非线性预测控制等。相关进展可参见Magni,L.,Raimondo,D.M.和Allgower,F.等人在2009年主编出版的“Nonlinear Model Predictive Control:TowardsNew Challenging Applications”以及Grüne,L.和Pannek,J.于2011年的专著《NonlinearModel Predictive Control:Theory and Algorithms》。