【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于航空發動機控制領域，涉及一種航空發動機控制方法，尤其涉及一種基于自適應指定干擾消除技術的控制系統及其方法。該航空發動機控制方法結合了反步法、動態逆方法、自適應指定干擾消除技術的優勢，充分考慮了干擾在不同情況下對于控制性能的有利或有害影響，具有物理意義明確、快速擾動估計、自適應指定干擾消除、閉環穩定、控制性能好等優點。
技術介紹
1、航空發動機作為飛行器的核心動力裝置，其工作環境極其復雜性，包括高溫、高壓、快速變化的負載條件及多種氣象因素的影響。此外，隨著航空發動機服役時間的增加，其內部組件的磨損、老化等現象不可避免，這種性能的退化進一步加劇了控制系統的復雜性。因此，在航空發動機控制系統中廣泛存在未建模動態、不確定性和外部擾動等多種復雜因素，這些不確定因素可以統一歸結使用集總干擾來描述。而集總干擾的存在，不可避免地影響著航空發動機的控制性能，使得系統難以同時滿足穩定性、快速性、精確性、魯棒性、可靠性等控制指標要求。
2、在傳統控制方法中，通常假設系統模型是精確已知的，并且干擾是可以忽略不計或可被簡單補償的。然而實際上，由于集總干擾對系統動態具有顯著影響，如果在設計控制系統時沒有充分考慮這些干擾，可能導致系統的輸出與期望值之間存在較大偏差，這種偏差不僅會使控制系統的品質發生下降，還可能危及系統的穩定性。雖然目前已開發出多種先進控制方法，如自適應或魯棒控制方法等，但這些方法仍存在局限性。例如，自適應控制方法通常基于系統參數慢變假設（即假設系統參數變化較為緩慢且有規律），而魯棒控制方法則依賴于擾動有界假設（即假
3、此外，傳統的控制方法在應對干擾時，往往采用無差別補償策略，即將所有干擾都視為有害因素進行補償，這種方式忽視了某些干擾在特定條件下可能具有的正面作用。例如，航空發動機在不同工況下運行時，某些外部擾動可能對系統的閉環性能有一定的積極作用，特別是在提升系統響應速度和減少燃油消耗方面。而在其他工況下，干擾可能會對系統性能產生負面影響，導致系統的輸出偏離預期值，甚至影響系統的穩定性。然而，傳統控制方法未能有效區分有益干擾和有害干擾，導致系統的控制性能未能得到充分優化，尤其是在航空發動機的快速性和燃油效率方面。
4、綜上所述，現有航空發動機控制技術在應對復雜工作環境中的集總干擾時存在諸多不足，包括干擾補償策略保守性高、干擾有利因素未得到充分利用、控制方法假設條件苛刻、控制器設計復雜度高等問題。因此，如何有效應對航空發動機系統中的復雜干擾，充分利用發動機模型信息，實現對集總干擾的實時估計和自適應指定干擾消除，同時提高控制系統的動靜態性能和魯棒性，是當前航空發動機控制領域亟待解決的技術問題。
技術實現思路
1、（一）專利技術目的
2、為解決現有航空發動機控制系統及方法中所存在的上述缺陷和不足，本專利技術旨在提供一種基于自適應指定干擾消除技術的航空發動機控制系統及其方法，這種控制系統及方法不需要提供精確的數學模型，通過引入基于固定時間的擴充觀測器實時監測和估計系統中的集總干擾，并結合動態逆方法、反步法和自適應指定干擾消除技術，設計了自適應指定干擾消除復合控制器，實現了對系統干擾的合理利用和有效補償。這種思路利用了航空發動機系統中的集總干擾對于跟蹤控制的有利作用，提升了閉環系統的收斂速度，并兼顧了靜態特性，降低了靜態誤差和控制紋波，實現航空發動機優越的轉速跟蹤控制性能，具有條件擾動估計與補償、閉環穩定、控制精度高、不依賴于精確模型等優點。由這種方法得到的閉環系統在理論上是一致有界穩定的，合理選擇控制器參數可以有效提高系統的控制品質。
3、（二）技術方案
4、為實現該專利技術目的，解決其技術問題，本專利技術采用如下技術方案：
5、本專利技術的第1個專利技術目的在于提供一種基于自適應指定干擾消除的航空發動機控制系統，用以實現對航空發動機的轉速控制，提高其在不同工作條件下的轉速跟蹤控制精度及系統魯棒性，并在邏輯上至少包括一指令產生器、一自適應指定干擾消除復合控制器和一固定時間擾動觀測器，其中：
6、所述指令產生器，其輸出端與自適應指定干擾消除復合控制器輸入端相連，用于根據系統設定的控制目標生成符合指標要求的動態指令信號，所述動態指令信號具有預設的轉速跟蹤軌跡特性，以指導發動機的轉速調節；
7、所述固定時間擾動觀測器，其輸入端分別與自適應指定干擾消除復合控制器的輸出端以及下游的航空發動機的狀態反饋端和系統輸出端相連接，用于輸入自適應指定干擾消除復合控制器的輸出控制量、表征航空發動機軸轉速的狀態反饋值及系統輸出量，其輸出端與自適應指定干擾消除復合控制器的輸入端相連接，用于根據航空發動機的狀態反饋信息以及控制器的輸出控制指令，在固定時間內實時估算集總干擾，并將集總干擾估計值輸出至自適應指定干擾消除復合控制器；
8、所述自適應指定干擾消除復合控制器，其輸入端分別與指令產生器的輸出端、固定時間擾動觀測器的輸出端以及下游的航空發動機的狀態反饋端相連接，其輸出端分別與下游的航空發動機的控制指令輸入端以及固定時間擾動觀測器的輸入端相連接，并且其中：
9、所述自適應指定干擾消除復合控制器，結合來自所述指令產生器的動態指令、固定時間擾動觀測器的集總干擾估計值以及航空發動機的狀態反饋信息，基于反步法和動態逆方法實時調整控制量，并結合自適應指定干擾消除方法，通過集總干擾的實時估算與反饋補償，生成自適應控制指令并輸出至航空發動機及固定時間擾動觀測器，實現對航空發動機轉速的實時跟蹤控制以及指定干擾的自適應消除。
10、本專利技術的第2個專利技術目的在于提供一種基于自適應指定干擾消除的航空發動機控制方法，基于上述第1個專利技術目提供的基于自適應指定干擾消除的航空發動機控制系統，用于提高發動機在不同工作條件下的轉速跟蹤控制精度及系統魯棒性，所述控制方法在實施時至少包括如下步驟：
11、ss1.?控制模型建立
12、對航空發動機進行系統建模，利用其輸入輸出數據，面向控制設計的需要，通過系統辨識的方法，構建帶擾動的仿射形式非線性數學模型：
13、
14、式中， x表示航空發動機的軸轉速狀態向量且 x=[ x1 x2]t， x1表示航空發動機軸轉速的增量， x2表示航空發動機轉加速度，分別為 x1、 x2關于時間的微分且， d為系統中的集總干擾， f( x)、 g( x)均為關于狀態向量 本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種基于自適應指定干擾消除的航空發動機控制系統，包括指令產生器、自適應指定干擾消除復合控制器和固定時間擾動觀測器，其特征在于：
2.根據權利要求1所述的基于自適應指定干擾消除的航空發動機控制系統，其特征在于，所述航空發動機為單軸航空發動機，對于單軸航空發動機系統，利用其輸入輸出數據，面向控制設計的需要，通過系統辨識的方法，得到其帶擾動的仿射形式非線性數學模型：
3.根據權利要求1所述的基于自適應指定干擾消除的航空發動機控制系統，其特征在于，所述指令產生器用于根據系統總體給定的控制指標要求產生給定動態指令信號，基于已知給定的參考指令rd，通過一個傳遞函數G(s)的調節與安排過程環節，產生符合預設控制指標要求的動態指令x1d，并求出該指令對時間的微分，以確保系統在不同工作條件下的動態響應能夠保持良好的跟蹤性能。
4.根據權利要求2所述的基于自適應指定干擾消除的航空發動機控制系統，其特征在于，所述固定時間擾動觀測器基于固定時間擴充狀態干擾觀測方法，通過擴展狀態觀測的方式，實現固定時間內對集總干擾的觀測和實時估計，得到集總干擾的估計值，固定時間擾動
5.根據權利要求4所述的基于自適應指定干擾消除的航空發動機控制系統，其特征在于，所述自適應指定干擾消除復合控制器采用基于反步法的兩步控制律設計策略，基于所述指令產生器、固定時間擾動觀測器的輸入信息產生輸出控制量u并輸出至航空發動機及固定時間擾動觀測器，實現航空發動機的自適應指定干擾消除復合控制，其控制律設計包含兩步：
6.一種基于自適應指定干擾消除的航空發動機控制方法，基于上述權利要求1~5任一項所述的基于自適應指定干擾消除的航空發動機控制系統，其特征在于，所述控制方法在實施時至少包括如下步驟：
7.根據權利要求6所述的基于自適應指定干擾消除的航空發動機控制方法，其特征在于，步驟SS1中，x1為航空發動機軸轉速的增量ΔN=N－Ne，其中N為當前發動機的實際轉速，Ne為發動機在靜態或基準條件下的轉速，該增量用以反映發動機在不同工作狀態下的轉速變化情況；u為自適應指定干擾消除復合控制器的輸出控制量，其物理含義是燃油流量的增量?Wf?=Wf?-Wfe，其中Wf為發動機當前燃油流量，Wfe為基準燃油流量。
8.根據權利要求6所述的基于自適應指定干擾消除的航空發動機控制方法，其特征在于，上述步驟SS1中，為提高系統建模精度和模型的適用性，所述集總干擾d至少包含系統參數攝動、未建模動態、外部負載波動以及環境因素引起的不確定性影響；同時，f(x)和g(x)均滿足局部Lipschitz連續條件，且控制增益函數g(x)在整個工作范圍內始終保持非奇異性。
9.根據權利要求6所述的基于自適應指定干擾消除的航空發動機控制方法，其特征在于，上述步驟SS3中，固定時間擾動觀測器的階數l的選擇需滿足l≥2，觀測器參數的設計需確保系統在有限時間內收斂，即存在有限時間T>0，使得對任意t≥T時刻，觀測誤差滿足，為固定時間擾動觀測器輸出的估計值；同時，非線性項系數ρi和δi的選擇需滿足0<ρi<1，δi>1，i=1,2,…,l，以保證觀測器具有固定時間收斂特性。
...【技術特征摘要】
1.一種基于自適應指定干擾消除的航空發動機控制系統，包括指令產生器、自適應指定干擾消除復合控制器和固定時間擾動觀測器，其特征在于：
2.根據權利要求1所述的基于自適應指定干擾消除的航空發動機控制系統，其特征在于，所述航空發動機為單軸航空發動機，對于單軸航空發動機系統，利用其輸入輸出數據，面向控制設計的需要，通過系統辨識的方法，得到其帶擾動的仿射形式非線性數學模型：
3.根據權利要求1所述的基于自適應指定干擾消除的航空發動機控制系統，其特征在于，所述指令產生器用于根據系統總體給定的控制指標要求產生給定動態指令信號，基于已知給定的參考指令rd，通過一個傳遞函數g(s)的調節與安排過程環節，產生符合預設控制指標要求的動態指令x1d，并求出該指令對時間的微分，以確保系統在不同工作條件下的動態響應能夠保持良好的跟蹤性能。
4.根據權利要求2所述的基于自適應指定干擾消除的航空發動機控制系統，其特征在于，所述固定時間擾動觀測器基于固定時間擴充狀態干擾觀測方法，通過擴展狀態觀測的方式，實現固定時間內對集總干擾的觀測和實時估計，得到集總干擾的估計值，固定時間擾動觀測器設計具體如下：
5.根據權利要求4所述的基于自適應指定干擾消除的航空發動機控制系統，其特征在于，所述自適應指定干擾消除復合控制器采用基于反步法的兩步控制律設計策略，基于所述指令產生器、固定時間擾動觀測器的輸入信息產生輸出控制量u并輸出至航空發動機及固定時間擾動觀測器，實現航空發動機的自適應指定干擾消除復合控制，其控制律設計包含兩步：
6.一種基于自適應...
【專利技術屬性】
技術研發人員：熊光環，譚湘敏，曹冠真，洪興奎，盧新根，
申請(專利權)人：中國科學院工程熱物理研究所，
類型：發明
國別省市：
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