一种航空发动机模型预测控制方法及系统

本发明属于航空发动机控制，尤其涉及一种航空发动机模型预测控制方法及系统。

背景技术：

1、航空发动机是一个气动热力学极其复杂的强非线性系统，长期工作在高温、高压等恶劣环境下，因此一种能够在全飞行包线范围内保持发动机安全、稳定可靠运行且快速、平稳过渡的控制系统至关重要。随着新一代飞机对发动机的要求不断提高，各种先进的算法和技术逐渐被应用于发动机控制器的设计中，旨在保证飞行安全可靠的前提下最大限度发挥其性能潜力。为实现关键参数控制和满足各种限制保护功能，传统发动机控制结构通常都需要设计主控制回路和多个限制保护控制回路，这无疑将使发动机整体控制结构复杂化。而模型预测控制(model predictive control，mpc)是一种基于预测模型的在线求解被控对象控制量的控制方法，特别适用于航空发动机的控制系统设计。mpc无需再设计多个复杂的限制保护控制回路，并且能够根据预测模型通过在线优化求解给出最优控制信号，从而避免了传统控制回路中参数调度、控制器调参难的问题。

2、然而预测模型是mpc的基础，若预测模型与发动机模型不匹配，即发生模型失配问题，不采取反馈校正的情况下被控对象输出无法跟踪控制指令。现有反馈校正一般采用如下两种形式：一种是对预测模型进行在线修正，另一种是对控制指令进行在线修正。在线修改预测模型虽然能够充分保证预测模型与发动机模型的匹配精度，但难度较大且会对mpc的求解实时性造成影响，总体计算工作量较大。对控制指令进行修正的方法得到了大部分学者的关注，但其主要功能是消除稳态控制误差，对动态性能的影响不大。对于航空发动机而言，传统的离线建立预测模型，在非设计点，存在预测模型与发动机动态特性不一致现象，采用修正控制指令的反馈校正方式很难保证在发动机全包线范围内的动态特性。

3、综上所述，亟待设计一种新型的模型预测控制结构，以在保证基于预测模型的最优性能的同时，对预测模型的建模误差也具有较强的鲁棒性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种航空发动机模型预测控制方法，在预测控制回路基础上，增加建模误差补偿控制回路，可解决发动机在全飞行包线内的预测模型失配问题，大大降低了对预测模型的精度要求，提高了模型预测控制的鲁棒性能。

2、本发明具体采用以下技术方案：

3、一种航空发动机模型预测控制方法，利用预测模型对航空发动机的状态量和输出量进行预测，并以参考轨迹和预测模型输出的误差最小为优化目标，结合航空发动机的各种约束条件，对航空发动机的控制变量进行局部在线滚动优化，得到滚动优化控制量；利用辅助调节器对预测模型的输出量与航空发动机的实际输出量间的偏差进行调节，得到控制量的修正量，所述辅助调节器的调节参数可在飞行包线内使得航空发动机与预测模型输出量间的稳态偏差为0；最后利用所述修正量对滚动优化控制量进行修正，得到航空发动机的最终控制量。

4、优选地，所述辅助调节器为比例积分控制器或增广线性二次型调节器型控制器。

5、优选地，使用交替方向乘子法进行所述局部在线滚动优化。

6、基于同一发明构思还可得到以下技术方案：

7、一种航空发动机模型预测控制系统，包括：

8、模型预测控制器，用于利用预测模型对航空发动机的状态量和输出量进行预测，并以参考轨迹和预测模型输出的误差最小为优化目标，结合航空发动机的各种约束条件，对航空发动机的控制变量进行局部在线滚动优化，得到滚动优化控制量；反馈校正模块，用于利用辅助调节器对预测模型的输出量与航空发动机的实际输出量间的偏差进行调节，得到控制量的修正量，所述辅助调节器的调节参数可在飞行包线内使得航空发动机与预测模型输出量间的稳态偏差为0；并利用所述修正量对滚动优化控制量进行修正，得到航空发动机的最终控制量。

9、优选地，所述辅助调节器为比例积分控制器或增广线性二次型调节器型控制器。

10、优选地，使用交替方向乘子法进行所述局部在线滚动优化。

11、相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

12、1)控制系统鲁棒性更强：对于航空发动机这样的强非线性变参数系统，仅需在地面工作点建立一个预测模型，依据辅助控制回路的建模误差补偿能力，即可实现全飞行包线范围内的稳定、快速控制；

13、2)对预测模型的建模精度要求低：传统的航空发动机模型预测控制，通过在包线范围内建立大量的平衡流形展开模型，来构建与发动机工作特性相匹配的预测模型，建模工作量大，且需要反馈校正来保证稳态控制性能，采用辅助控制回路后，能够充分利用辅助控制回路的鲁棒控制性能，在预测模型存在大的建模误差时也能保证控制系统的性能；

14、3)结合了模型预测控制与鲁棒控制的优点，控制器设计要求降低，控制系统性能得到提高：模型预测控制仅需保证构造的二次型问题获得最优解，而无需考虑指令跟踪问题，辅助控制回路仅是对模型预测控制建模误差的补偿，起辅助作用，采用同一组控制器参数即可应用于全包线。

技术特征：

1.一种航空发动机模型预测控制方法，其特征在于，利用预测模型对航空发动机的状态量和输出量进行预测，并以参考轨迹和预测模型输出的误差最小为优化目标，结合航空发动机的各种约束条件，对航空发动机的控制变量进行局部在线滚动优化，得到滚动优化控制量；利用辅助调节器对预测模型的输出量与航空发动机的实际输出量间的偏差进行调节，得到控制量的修正量，所述辅助调节器的调节参数可在飞行包线内使得航空发动机与预测模型输出量间的稳态偏差为0；最后利用所述修正量对滚动优化控制量进行修正，得到航空发动机的最终控制量。

2.如权利要求1所述航空发动机模型预测控制方法，其特征在于，所述辅助调节器为比例积分控制器或增广线性二次型调节器型控制器。

3.如权利要求1所述航空发动机模型预测控制方法，其特征在于，使用交替方向乘子法进行所述局部在线滚动优化。

4.一种航空发动机模型预测控制系统，其特征在于，包括：

5.如权利要求4所述航空发动机模型预测控制系统，其特征在于，所述辅助调节器为比例积分控制器或增广线性二次型调节器型控制器。

6.如权利要求4所述航空发动机模型预测控制系统，其特征在于，使用交替方向乘子法进行所述局部在线滚动优化。

技术总结
本发明公开了一种航空发动机模型预测控制方法。该方法利用预测模型对航空发动机的状态量和输出量进行预测，并以参考轨迹和预测模型输出的误差最小为优化目标，结合约束条件，对航空发动机的控制变量进行局部在线滚动优化；利用辅助调节器对预测模型与航空发动机的输出量间的偏差进行调节，得到修正量，该辅助调节器的调节参数可在飞行包线内使得航空发动机与预测模型输出量间的稳态偏差为0；最后利用所述修正量对滚动优化控制量进行修正，得到最终控制量。本发明还公开了一种航空发动机模型预测控制系统。本发明可解决发动机在全飞行包线内的预测模型失配问题，大大降低了对预测模型的精度要求，提高了模型预测控制的鲁棒性能。

技术研发人员：王涛,李秋红,陈弘毅,庞淑伟,周文祥,邓达明,傅雪婷
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/7