飞发一体化架构下航空发动机控制裕度定义及评估准则研究

摘 要：针对传统的裕度评估标准难以直观地体现飞机端干扰量对发动机的控制耦合性问题，在飞发一体化架构下开展了航空发动机控制裕度及相应的评估准则研究。基于一种可以在有限频域内采用几何图解法进行控制性能改进的控制理论“几何设计法”，本文提出一种新的发动机控制裕度定义方法及评估准则，包括构造满足需求控制裕度的控制器求解方法、评估对比不同控制器的控制裕度和评估固定结构控制器的控制裕度。以某型宽速域组合动力（TBCC）航空发动机作为研究对象，在亚声速巡航典型工况下，基于几何设计理论所设计的控制器，控制性能可以达到控制裕度理论极限的99.61%。部件级模型仿真结果表明，相比于传统比例积分（PI）控制器，基于几何设计理论所设计的控制器的推力控制裕度和综合控制裕度分别提升了7.3%和5.9%，验证了所定义的控制裕度及其评估准则在解决飞发一体控制耦合性问题的有效性。

关键词：飞发一体化； 涡轮基组合动力； 控制裕度； 几何设计法； 评估准则

中图分类号：V233.7 文献标识码：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.12.010

随着现代战机对机动性能要求的大幅度提高， 飞机子系统和发动机子系统之间的耦合显著增强，在不同飞行工况下，飞机通过高度H、马赫数Ma和迎角α 来影响推进系统的工作状态，而推进系统则通过发动机矢量喷管来影响飞机的飞行姿态。这在客观上给飞机和发动机提出了一体化控制的要求[1]。鉴于单个控制回路所受的耦合影响，可认为是对该回路或强或弱的干扰， 因此，识别飞机对发动机控制回路的干扰特性，并采取适当的控制策略提高航空发动机控制子系统的抗扰性和鲁棒性，就是从另外一个角度消除飞机和发动机子系统间的耦合，该方法突出的优点是设计对象阶次低， 且其物理概念明晰，易于为工程界所接受。

传统的裕度评估标准通常为幅值裕度和相角裕度，这类频域指标很难直观体现出飞机端干扰量（本文主要研究迎角）对发动机的耦合性以及指导设计符合抗扰需求的控制器。理想的控制裕度定义不仅需要能定量表征飞机迎角对于发动机性能量的影响情况，而且需要具备可以根据需求的控制裕度来设计相对应的控制器的能力，其应具有如下特征：（1）可以在任何特定频率及有限频带下，定量地表征飞机耦合量作用下，航空发动机的控制裕度性能指标；（2）可以在不增加控制系统所需反馈信号传感器数目的情况下，对航空发动机不同输出性能进行全局控制裕度的定量优化；（3）可以直观地在控制器设计阶段，基于理论进行面向全局控制裕度的控制器设计。

在这种飞发一体化架构下，形成一种满足以上需求控制特征的发动机通用抗扰控制方法，是有效提升控制系统控制品质的核心问题。传统的抗扰控制方法主要分为被动抗扰控制和主动抗扰控制。针对频域整形的被动抗扰控制以Zames 等[2]提出的H∞控制理论为主，对于有界干扰笼统地定义范数有界来解决抗扰问题，但会牺牲在有限频带下的控制性能。基于混合灵敏度的H2/H∞控制理论[3-4]虽然引入了频率加权函数，在窄带宽频率下定义了最小方差类型的平方误差作为优化性能指标，但同样无法直接在指定有限频率带进行控制性能指标定义，导致所设计的抗扰控制器仍具有较大保守性。主动抗扰控制理论主要包括基于干扰观测器的控制（DOBC）[5]和自抗扰控制（ADRC）[6-8]，这类主动抗扰控制理论虽然能通过状态观测器（ESO）来实时估计干扰特性在反馈回路中进行干扰补偿，但无法直观定义有限频域内控制性能指标，且存在缺少通用的控制器参数调节规范等问题。