[发明专利]一种航空发动机动态矩阵控制器的设计方法

说明书

本发明属于航空宇航推进理论与工程中的系统控制与仿真技术领域，提供了一种航空发动机动态矩阵控制器的设计方法，算法的特点是离线求解优化问题，将求解得到每个时刻的解序列存储在矩阵中，同时存储矩阵采用稀疏矩阵压缩存储方法，每个输出只取未来时刻的一个点进行优化，对每个输入只计算出一步控制作用，大幅度减少了计算量，为硬件在环和半实物仿真试验提供了理论基础。数值仿真表明，航空发动机可实现从起动到慢车、中间等状态的稳态和过渡态控制，同时满足执行机构和输出约束，设计的动态矩阵控制器具有一定的工程应用价值。

技术领域

本发明提供了一种航空发动动态矩阵控制器的设计方法，属于航空宇航推进理论与工程中的系统控制与仿真领域。

背景技术

模型预测控制作为一种先进的控制策略在石油加工、电力、化工等辅助工业过程中得到广泛的应用，获得了很大的经济效益。多变量预测控制的基本目标是在满足各种约束条件的基础上，将被控变量尽可能在其设定值或容许值范围内。对于多变量系统，传统的模型预测控制算法是采用预测时域上所有预测值与设定值或参考轨迹偏差的平方和最小为优化目标函数来确定未来的控制作用，在每一采样时刻，需要求解维数较大的二次优化问题，因此模型预测控制执行周期通常为几分钟，适合处理时间响应较慢的过程，而在处理航空发动机控制和电机控制等快速动态问题时无法保证实时性。本发明提出一种实时性满足要求的动态矩阵控制算法，算法的特点是离线求解优化问题，将求解得到每个时刻的解序列存储在矩阵中，同时存储矩阵采用稀疏矩阵压缩存储方法，每个输出只取未来时刻的一个点进行优化，对每个输入只计算出一步控制作用，大幅度减少了计算量，为硬件在环和半实物仿真试验提供了理论基础。目前为止，没有专利公开基于航空发动机的动态矩阵控制器的设计方法。

发明内容

为了解决传统模型预测控制算法在实际应用中存在运算量大、实时性较差的问题，本发明提出了一种基于离线优化的动态矩阵控制器设计方法。

一种航空发动机动态矩阵控制器设计方法，包括以下步骤：

第一步，获得航空发动机辨识模型；

第二步，设计动态矩阵控制器；

第三步，数值仿真验证。

现具体阐述如下：

第一步，获得航空发动机辨识模型；

由航空发动机原理知，转速为常数的调节方案能保持发动机的机械载荷、热负荷状态近似不变，同时保证推力稳定；压比为常数和发动机推力和耗油率直接相关；本发明通过matlab自带的工具箱ident辨识得到航空发动机在标准状态点的线性模型，因此选择主燃油和压比为控制变量，即辨识输入数据，被控变量为高压转子转速和涡轮落压比，即辨识输出数据。

第二步，设计动态矩阵控制器；

动态矩阵控制器包括预测模型、滚动优化、反馈校正三个部分。传统的动态矩阵控制采用非线性模型获得预测模型，本发明采用辨识模型作为被控模型，离线获取响应数据，从而得到预测模型；滚动优化是在每一个采样时间点，算法只优化一个范围内的有限时域，得出所有优化控制序列后，只实施当前控制量给发动机，到下一采样时间点又再次进行优化预测；反馈校正是根据预测模型计算出下一采样时间点的输出，到下一采样时间点用实测输出与预测输出求误差，以此对未来的输出进行启发式修正。动态矩阵控制器通过将得到的二次规划问题离线求解，并将解序列存储在矩阵中，在线计算时只需要从矩阵中寻找即可，大大减少了计算量。

第三步，数值仿真验证。

为了验证设计的动态矩阵控制器的性能，基于某型军用小涵道比涡扇发动机非线性模型，在不同的工况点，手动设置油门杆角度使航空发动机在起动到慢车、中间状态完成稳态和过渡态控制，同时设置人为噪声和干扰验证控制器的鲁棒性。

本发明的有益效果：