倾转旋翼机/涡轴发动机的双通道复合串级综合抗扰控制方法及装置

本发明涉及一种倾转旋翼机/涡轴发动机的控制方法及装置，属于航空发动机控制。

背景技术：

1、涡轴发动机是倾转旋翼机的核心动力装置，倾转旋翼机兼具垂直起降与高速巡航能力，飞行过程中旋翼总距调节与模态切换动作频繁，带来的负载扰动幅度与动态变化速率均显著高于常规直升机，对动力涡轮转速的稳定性与动态响应品质提出了更高要求，转速波动将直接影响飞行稳定性与动力输出安全。常规涡轴发动机多采用燃油单通道串级pid 控制，通过动力涡轮转速外环 + 燃气涡轮转速内环的结构实现转速跟踪，但控制自由度有限，难以满足倾转旋翼机宽工况下的抗扰能力与动态性能要求。

2、压气机导叶作为可调几何机构，可通过改变通流面积快速调节发动机工况，是提升涡轴发动机控制性能的重要自由度。但现有倾转旋翼机发动机控制方案中，压气机导叶多按固定调度规律开环运行，未参与闭环反馈控制，未能充分发挥其快速调节作用；部分引入导叶闭环的方案，未考虑导叶的物理行程约束，当导叶达到极限位置时控制作用饱和，会导致系统控制性能下降、转速偏差增大，尤其在模态切换等大扰动工况下，易引发核心机工作不稳定。

3、另一方面，总距扰动与模态切换扰动是倾转旋翼机涡轴发动机最主要的负载扰动来源，常规总距前馈多为单通道燃油前馈，未结合导叶通道进行协同前馈补偿，扰动抑制效果有限，难以应对倾转旋翼机的大幅负载波动。同时，控制器参数多采用经验整定或增益调度，难以在全包线、多模式下同时保证稳定性、抗扰性能与控制能量约束，鲁棒性不足。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种倾转旋翼机/涡轴发动机的双通道复合串级综合抗扰控制方法，可全面提升涡轴发动机的抗扰性能与约束适应性。

2、本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

3、倾转旋翼机/涡轴发动机的双通道复合串级综合抗扰控制方法，包括以下步骤：

4、s1、以动力涡轮转速偏差作为控制输入，通过并行的燃油通道串级控制器、导叶通道串级控制器，分别生成燃油通道串级输出与导叶通道串级输出；所述燃油通道串级控制器、导叶通道串级控制器均为“动力涡轮转速外环 pi + 燃气涡轮转速内环 p”的控制结构；

5、s2、将旋翼总距扰动量按控制效能最优分配至燃油与导叶双通道，具体方法如下：

6、通过下式获得燃油前馈分量、导叶前馈分量，并分别叠加至燃油通道串级输出、导叶通道串级输出：

7、

8、式中，为总距前馈向量，为燃油前馈分量，为导叶前馈分量；

k为总距前馈系数；表示矩阵的摩尔-彭罗斯加号逆；为双控制输入组合矩阵，、分别为涡轴发动机小扰动线性化状态空间方程中燃油、导叶对应的 2×1 输入矩阵，为涡轴发动机小扰动线性化状态空间方程中的2×1 扰动输入矩阵；

d为旋翼总距扰动量；

9、s3、根据压气机导叶限幅前后的控制量偏差生成导叶约束对应的燃油通道补偿量，叠加至燃油通道；燃油通道补偿量根据下式得到：

10、

11、其中，、分别为矩阵、的第一个元素；为符号函数；、分别为矩阵、的 2 范数；，，

u2un为导叶通道串级输出叠加导叶前馈分量后的控制量，、分别为压气机导叶物理行程约束上、下限，为饱和限幅函数；

12、s4、合成最终燃油总控制量与导叶总控制量，并将其输入被控涡轴发动机，形成闭环控制。

13、进一步地，燃油通道串级控制器、导叶通道串级控制器的pi参数通过以下方法得到：

14、（1）构建积分增广状态满足，其中为动力涡轮转速；增广状态向量，在涡轴发动机小扰动线性化状态空间方程基础上建立积分增广系统：

15、

16、为状态变量，其中为动力涡轮转速状态，为燃气涡轮转速状态；

r为动力涡轮转速指令；各增广系数矩阵为：

17、

18、（2）使用多目标h∞lmi方法对所述积分增广系统求解，得到燃油通道串级控制器、导叶通道串级控制器的pi参数，具体如下：

19、定义包含状态评价与双通道控制能量惩罚的增广评价输出，结合控制输入矩阵的符号关系与范数比构造伴随系统等效输入矩阵；

20、对给定性能指标，若存在对称正定矩阵及矩阵、满足以下两组线性矩阵不等式：

21、

22、

23、则双通道状态反馈增益为、；

24、最终通过代数等价变换拆解得到复合串级 pi 参数：

25、

26、、分别为燃油通道外环比例增益、积分增益；为燃油通道内环比例增益；、分别为导叶通道外环比例增益、积分增益；为导叶通道内环比例增益；

k1(1)、

k1(2)、

k1(3)分别为状态反馈增益

k1的第 1、2、3 个元素，

k2(1)、

k2(2)、

k2(3)分别为状态反馈增益

k2的第 1、2、3 个元素。

27、基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：

28、倾转旋翼机/涡轴发动机的双通道复合串级综合抗扰控制装置，包括：

29、复合串级控制器模块，用于以动力涡轮转速偏差作为控制输入，通过并行的燃油通道串级控制器、导叶通道串级控制器，分别生成燃油通道串级输出与导叶通道串级输出；所述燃油通道串级控制器、导叶通道串级控制器均为“动力涡轮转速外环 pi + 燃气涡轮转速内环 p”的控制结构；

30、总距前馈分配模块，用于将旋翼总距扰动量按控制效能最优分配至燃油与导叶双通道，具体方法如下：

31、通过下式获得燃油前馈分量、导叶前馈分量，并分别叠加至燃油通道串级输出、导叶通道串级输出：

32、

33、式中，为总距前馈向量，为燃油前馈分量，为导叶前馈分量；

k为总距前馈系数；表示矩阵的摩尔-彭罗斯加号逆；为双控制输入组合矩阵，、分别为涡轴发动机小扰动线性化状态空间方程中燃油、导叶对应的 2×1 输入矩阵，为涡轴发动机小扰动线性化状态空间方程中的2×1 扰动输入矩阵；

d为旋翼总距扰动量；

34、导叶约束补偿模块，用于根据压气机导叶限幅前后的控制量偏差生成导叶约束对应的燃油通道补偿量，叠加至燃油通道；燃油通道补偿量根据下式得到：

35、

36、其中，、分别为矩阵、的第一个元素；为符号函数；、分别为矩阵、的 2 范数；，，

u2un为导叶通道串级输出叠加导叶前馈分量后的控制量，、分别为压气机导叶物理行程约束上、下限，为饱和限幅函数；

37、控制量合成模块，用于合成最终燃油总控制量与导叶总控制量，并将其输入被控涡轴发动机，形成闭环控制。

38、进一步地，燃油通道串级控制器、导叶通道串级控制器的pi参数通过以下方法得到：

39、（1）构建积分增广状态满足，其中为动力涡轮转速；增广状态向量，在涡轴发动机小扰动线性化状态空间方程基础上建立积分增广系统：

40、

41、为状态变量，其中为动力涡轮转速状态，为燃气涡轮转速状态；

r为动力涡轮转速指令；各增广系数矩阵为：

42、

43、（2）使用多目标h∞lmi方法对所述积分增广系统求解，得到燃油通道串级控制器、导叶通道串级控制器的pi参数，具体如下：

44、定义包含状态评价与双通道控制能量惩罚的增广评价输出，结合控制输入矩阵的符号关系与范数比构造伴随系统等效输入矩阵；

45、对给定性能指标，若存在对称正定矩阵及矩阵、满足以下两组线性矩阵不等式：

46、

47、

48、则双通道状态反馈增益为、；

49、最终通过代数等价变换拆解得到复合串级 pi 参数：

50、

51、、分别为燃油通道外环比例增益、积分增益；为燃油通道内环比例增益；、分别为导叶通道外环比例增益、积分增益；为导叶通道内环比例增益；

k1(1)、

k1(2)、

k1(3)分别为状态反馈增益

k1的第 1、2、3 个元素，

k2(1)、

k2(2)、

k2(3)分别为状态反馈增益

k2的第 1、2、3 个元素。

52、相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

53、本发明采用燃油+压气机导叶双通道复合串级控制结构，共用燃气涡轮转速内环指令，充分利用可调几何机构的调节自由度，相比单燃油通道控制，显著提升了系统的动态响应速度与抗扰能力。

54、本发明设计双通道总距协同前馈，通过矩阵伪逆实现扰动补偿量的最优分配，相比单通道前馈，更有效地抑制总距扰动导致的转速跌落。

55、本发明引入全程偏差式导叶约束饱和补偿机制，实时计算导叶约束偏差并生成燃油补偿，导叶未饱和时补偿量自然为零，无需额外开关逻辑；当导叶达到物理行程极限时，通过燃油通道按控制效能比例补偿损失的控制作用，避免导叶饱和导致的系统性能退化，提升了约束工况下的控制稳定性。