[发明专利]一种涡扇发动机鲁棒容错抗干扰模型参考动态输出反馈控制方法

说明书

本发明公开了一种涡扇发动机鲁棒容错抗干扰模型参考动态输出反馈控制方法，包括以下步骤：步骤1，同时考虑执行器故障、未知外部干扰以及参数不确定项，构建涡扇发动机线性化模型以及参考模型；步骤2，利用涡扇发动机线性化模型的输出信息和控制输入信息，设计状态观测器、干扰观测器和故障估计器耦合，并得到干扰估计值和故障估计值；步骤3、基于步骤2得到的干扰估计值和故障估计值以及步骤1所构建的参考模型的信息，设计鲁棒容错抗干扰动态输出反馈控制器。本发明能够使得涡扇发动机在考虑执行器故障和外部干扰以及参数不确定的影响下能够渐近地跟踪上期望的参考轨迹。

技术领域

本发明属于航空航天技术领域，特别涉及了一种涡扇发动机鲁棒容错抗干扰模型参考动态输出反馈控制方法。

背景技术

航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械，是飞机动力的源泉。涡扇发动机作为航空发动机中的一种，具有推力大、推进效率高、噪音低、燃油消耗率低，飞机航程远等诸多优点，受到了广泛的关注和应用。然而，涡扇发动机系统本身具是一种高度复杂的气动热力学系统，并且由飞行高度和飞行马赫数所构成的工作包线范围宽广，在其工作包线范围内，随着环境状况的改变和工作状态(如最大状态，巡航状态，额定状态，加力状态及慢车状态等)的变化，涡扇发动机的特性也随之发生变化。对于这样的一个复杂多变的工作过程，如果不进行必要的控制，是不可能保证其正常工作的。

在进行涡扇发动机系统控制设计和研究时，建立精确的涡扇发动机模型是很重要的。但由于涡扇发动机结构极其复杂，工作过程中运行环境变幻莫测，系统参数会受到很多不确定因素的影响，因此不管采用何种建模技术所建立的航空发动机模型都是不能完全代替真实的发动机的，即所建立的发动机模型都具有一定的不确定性，而将基于这些发动机模型设计的控制系统应用于真实的发动机上时，其控制性能可能会有所下降甚至完全达不到之前的控制性能。因此，针对涡扇发动机的模型不确定的研究具有非常重要的意义。

涡扇发动机在工作的过程中会遭受到来自不同方面的干扰。这些干扰常常会降低发动机系统的控制性能，甚至导致实际系统不稳定。因此，涡扇发动机系统的抗干扰控制问题的研究意义重大。基于干扰观测器控制方法利用已知的系统信息来逼近未知的外部干扰，然后将估计值反馈到控制器当中，以补偿外部干扰给系统带来的负面影响。与传统干扰抑制方法相比，干扰观测器不需要对未知信号建立精确的数学模型而且设计简单，因此，在估计时避免了大量的数学计算，这有利于满足实时性的需求。执行器故障是实际工程应用中不可避免的问题，复杂的飞行条件和高温高压等因素通常会导致发动机执行器的磨损或者老化，使得执行器工作效能下降从而造成发动机控制性能降低。此外，由于噪声、干扰、传感器老化等因素影响，系统的状态往往无法精确测量，甚至是不可测量的，而状态反馈设计的前提就是需要获取系统全部的状态信息，这就给控制器的设计带来了很大的难度。综上，为了提高涡扇发动机系统的鲁棒性和安全性，在对涡扇发动机进行鲁棒控制器设计时，需要同时考虑状态不可测、执行器故障、未知外部干扰以及建模不确定的影响。

发明内容

针对涡扇发动机鲁棒控制问题，本发明的目的是提供一种涡扇发动机鲁棒容错抗干扰模型参考动态输出反馈控制方法，使得涡扇发动机在考虑执行器故障和未知外部干扰的影响下能稳定地跟踪期望的参考轨迹信号。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种涡扇发动机鲁棒容错抗干扰模型参考动态输出反馈控制方法，包括以下步骤：

步骤1，同时考虑执行器故障、未知外部干扰以及参数不确定项，构建涡扇发动机线性化模型以及参考模型；

步骤2，利用涡扇发动机线性化模型的输出信息和控制输入信息，设计状态观测器、干扰观测器和故障估计器耦合，并得到干扰估计值和故障估计值；

步骤3、基于步骤2得到的干扰估计值和故障估计值以及步骤1所构建的参考模型的信息，设计鲁棒容错抗干扰动态输出反馈控制器。

所述步骤1中，考虑执行器故障、未知外部干扰以及参数不确定项，涡扇发动机线性化模型描述为：