基于控制器切换的涡扇发动机转速调节及安全保护

孟洋+赵军

摘要：本文通过多个控制器间的切换改善了航空发动机加速过程的动态性能，并在转速过高时加以保护。首先，根据航空发动机控制系统模型利用区域极点配置方法对于每个子系统设计一个H_∞输出跟踪控制器，并且设计滞后切换规则，使发动机高压转子转速既能快速跟踪参考加速曲线又能保证较小超调，同时由于滞后切换规则的存在避免频繁切换造成的执行机构不必要的损耗；然后设计安全保护控制器及事件触发的切换机制，在高压转子转速过高时保护转速使其不超过最高转速边界，保证飞行安全；最后通过数例仿真验证了本文方法的有效性。

关键词：切换控制；极点配置；航空发动机；转速调节；安全保护

中图分类号：TP13 文献标识码：A

Abstract： In this paper， the dynamic performance of the acceleration process of the aero-engine is improved by the switching between multiple controllers. Firstly， by a regional pole placement method， theH_∞output trackingcontroller for each subsystemand a set ofhysteresis switching signals are designedso as tothe high pressure rotor speed track the reference acceleration curve rapidly with a small overshoot. Unnecessary losses due to frequent switching can be avoided because of the hysteresis switching rule.Then we design a security protection controller and an event triggered switching mechanism，the high pressure rotor speed will be limited under the highest speed line when it is too high to ensure flight safety.Finally， theeffectiveness of the proposed control design scheme is illustrated.

Keywords：switching control； pole placement； aero-engine； speed regulation； security protection

1引言

在航空发动机控制中需要一种能够使用传统的线性系统设计方法且设计简单、计算量小的方法，而增益调度技术正好满足这一要求。增益调度把非线性对象在某些工作點进行线性化，采用经典的线性控制理论设计局部控制器，然后根据反映系统动态性能的调度变量对控制器参数进行选择，从而实现了全工况控制器参数选择[1]。

按照上述的增益调度的方法设计一个全局控制器可以实现相应的控制功能，但传统的单控制器控制方法只能满足对某一个性能的要求，不能同时满足系统对其他性能的要求。如果设计多个控制器分别满足系统对各个性能的要求，然后根据切换规则适时切换就能同时满足系统对多个性能的要求，这正是切换控制的优势所在。在切换控制中，切换策略起着至关重要的作用[2]。按照合理的切换策略进行切换，可以充分发挥每个子系统的优点。同时，随着飞行范围不断扩大、飞行速度不断增加、机动性能不断提高，发动机动态响应的快速性与安全性间的矛盾更加突出[3]。因此安全保护是每台航空发动机都必须具备的控制功能。

本文主要研究发动机转速的加速控制，旨在令发动机高压转子转速沿比较理想的参考加速曲线加速到稳定值，跟踪过程既要快速又要具备较小的超调；同时为防止加速过程中高压转子转速过高威胁飞行安全，加入安全保护环节对高压转子转速加以限制，防止其高于最高转速边界，以此保护飞行安全。应用增益调度和区域极点配置的综合设计方法设计两个H_∞全局跟踪控制器，使发动机的转子转速跟踪一个比较理想的加速参考曲线，从而使发动机以预期的效果进行加速。同时通过设计合理的切换规则在两个控制器之间切换，使得系统同时满足对于跟踪快速性和较小超调的要求。在安全保护控制器的设计中，可以使用跟踪控制来限制发动机的转子转速[4]。然而[4]中使用的是比例控制器，没有抗干扰的能力。[5]中使用了H_2/H_∞跟踪控制器，保证了系统运行中对干扰的抑制能力，但是由于只使用了单个控制器只能优化系统的某个性能指标，无法满足系统对多个性能指标的要求。相对于[5]的单个控制器，本文使用的切换控制器能够同时满足系统对跟踪快速性和小超调的要求，这正是切换控制器的优点所在。由于本文使用H_∞跟踪控制器，因此相对于[4]中的比例跟踪控制器，本文的方法能够抑制干扰对系统的影响。

5结论

本文通过切换方法主要研究了航空发动机转速调节及安全保护问题。首先，根据航空发动机控制系统模型利用区域极点配置方法设计多个H_∞跟踪控制器，并且设计滞后切换规则，使发动机高压转子转速既能快速跟踪参考加速曲线又能保证较小超调，同时由于滞后切换规则的存在避免频繁切换造成的执行机构不必要的损耗；然后设计安全保护控制器，在高压转子转速过高时保护转速使其不超过最高转速边界，保证飞行安全；最后通过数例仿真验证了本文方法的有效性。

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