本發(fā)明屬于航空發(fā)動機(jī)控制領(lǐng)域，涉及一種航空發(fā)動機(jī)控制方法，尤其涉及一種基于自適應(yīng)指定干擾消除技術(shù)的控制系統(tǒng)及其方法。該航空發(fā)動機(jī)控制方法結(jié)合了反步法、動態(tài)逆方法、自適應(yīng)指定干擾消除技術(shù)的優(yōu)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(jì)、自適應(yīng)指定干擾消除、閉環(huán)穩(wěn)定、控制性能好等優(yōu)點(diǎn)。

背景技術(shù)：

1、航空發(fā)動機(jī)作為飛行器的核心動力裝置，其工作環(huán)境極其復(fù)雜性，包括高溫、高壓、快速變化的負(fù)載條件及多種氣象因素的影響。此外，隨著航空發(fā)動機(jī)服役時間的增加，其內(nèi)部組件的磨損、老化等現(xiàn)象不可避免，這種性能的退化進(jìn)一步加劇了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。因此，在航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)中廣泛存在未建模動態(tài)、不確定性和外部擾動等多種復(fù)雜因素，這些不確定因素可以統(tǒng)一歸結(jié)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(fā)動機(jī)的控制性能，使得系統(tǒng)難以同時滿足穩(wěn)定性、快速性、精確性、魯棒性、可靠性等控制指標(biāo)要求。

2、在傳統(tǒng)控制方法中，通常假設(shè)系統(tǒng)模型是精確已知的，并且干擾是可以忽略不計(jì)或可被簡單補(bǔ)償?shù)摹Ｈ欢鴮?shí)際上，由于集總干擾對系統(tǒng)動態(tài)具有顯著影響，如果在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時沒有充分考慮這些干擾，可能導(dǎo)致系統(tǒng)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(tǒng)的品質(zhì)發(fā)生下降，還可能危及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。雖然目前已開發(fā)出多種先進(jìn)控制方法，如自適應(yīng)或魯棒控制方法等，但這些方法仍存在局限性。例如，自適應(yīng)控制方法通?；谙到y(tǒng)參數(shù)慢變假設(shè)（即假設(shè)系統(tǒng)參數(shù)變化較為緩慢且有規(guī)律），而魯棒控制方法則依賴于擾動有界假設(shè)（即假設(shè)系統(tǒng)的不確定性在一個固定范圍內(nèi)變化），這些假設(shè)條件在航空發(fā)動機(jī)實(shí)際運(yùn)行中往往難以滿足。因此，基于這些方法設(shè)計(jì)的控制器往往具有很大的保守性，難以獲得理想控制效果。

3、此外，傳統(tǒng)的控制方法在應(yīng)對干擾時，往往采用無差別補(bǔ)償策略，即將所有干擾都視為有害因素進(jìn)行補(bǔ)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(fā)動機(jī)在不同工況下運(yùn)行時，某些外部擾動可能對系統(tǒng)的閉環(huán)性能有一定的積極作用，特別是在提升系統(tǒng)響應(yīng)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(tǒng)性能產(chǎn)生負(fù)面影響，導(dǎo)致系統(tǒng)的輸出偏離預(yù)期值，甚至影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。然而，傳統(tǒng)控制方法未能有效區(qū)分有益干擾和有害干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)的控制性能未能得到充分優(yōu)化，尤其是在航空發(fā)動機(jī)的快速性和燃油效率方面。

4、綜上所述，現(xiàn)有航空發(fā)動機(jī)控制技術(shù)在應(yīng)對復(fù)雜工作環(huán)境中的集總干擾時存在諸多不足，包括干擾補(bǔ)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(shè)條件苛刻、控制器設(shè)計(jì)復(fù)雜度高等問題。因此，如何有效應(yīng)對航空發(fā)動機(jī)系統(tǒng)中的復(fù)雜干擾，充分利用發(fā)動機(jī)模型信息，實(shí)現(xiàn)對集總干擾的實(shí)時估計(jì)和自適應(yīng)指定干擾消除，同時提高控制系統(tǒng)的動靜態(tài)性能和魯棒性，是當(dāng)前航空發(fā)動機(jī)控制領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、（一）發(fā)明目的

2、為解決現(xiàn)有航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)及方法中所存在的上述缺陷和不足，本發(fā)明旨在提供一種基于自適應(yīng)指定干擾消除技術(shù)的航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)及其方法，這種控制系統(tǒng)及方法不需要提供精確的數(shù)學(xué)模型，通過引入基于固定時間的擴(kuò)充觀測器實(shí)時監(jiān)測和估計(jì)系統(tǒng)中的集總干擾，并結(jié)合動態(tài)逆方法、反步法和自適應(yīng)指定干擾消除技術(shù)，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)指定干擾消除復(fù)合控制器，實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)干擾的合理利用和有效補(bǔ)償。這種思路利用了航空發(fā)動機(jī)系統(tǒng)中的集總干擾對于跟蹤控制的有利作用，提升了閉環(huán)系統(tǒng)的收斂速度，并兼顧了靜態(tài)特性，降低了靜態(tài)誤差和控制紋波，實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)優(yōu)越的轉(zhuǎn)速跟蹤控制性能，具有條件擾動估計(jì)與補(bǔ)償、閉環(huán)穩(wěn)定、控制精度高、不依賴于精確模型等優(yōu)點(diǎn)。由這種方法得到的閉環(huán)系統(tǒng)在理論上是一致有界穩(wěn)定的，合理選擇控制器參數(shù)可以有效提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)。

3、（二）技術(shù)方案

4、為實(shí)現(xiàn)該發(fā)明目的，解決其技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

5、本發(fā)明的第1個發(fā)明目的在于提供一種基于自適應(yīng)指定干擾消除的航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)對航空發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，提高其在不同工作條件下的轉(zhuǎn)速跟蹤控制精度及系統(tǒng)魯棒性，并在邏輯上至少包括一指令產(chǎn)生器、一自適應(yīng)指定干擾消除復(fù)合控制器和一固定時間擾動觀測器，其中：

6、所述指令產(chǎn)生器，其輸出端與自適應(yīng)指定干擾消除復(fù)合控制器輸入端相連，用于根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的控制目標(biāo)生成符合指標(biāo)要求的動態(tài)指令信號，所述動態(tài)指令信號具有預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速跟蹤軌跡特性，以指導(dǎo)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；

7、所述固定時間擾動觀測器，其輸入端分別與自適應(yīng)指定干擾消除復(fù)合控制器的輸出端以及下游的航空發(fā)動機(jī)的狀態(tài)反饋端和系統(tǒng)輸出端相連接，用于輸入自適應(yīng)指定干擾消除復(fù)合控制器的輸出控制量、表征航空發(fā)動機(jī)軸轉(zhuǎn)速的狀態(tài)反饋值及系統(tǒng)輸出量，其輸出端與自適應(yīng)指定干擾消除復(fù)合控制器的輸入端相連接，用于根據(jù)航空發(fā)動機(jī)的狀態(tài)反饋信息以及控制器的輸出控制指令，在固定時間內(nèi)實(shí)時估算集總干擾，并將集總干擾估計(jì)值輸出至自適應(yīng)指定干擾消除復(fù)合控制器；

8、所述自適應(yīng)指定干擾消除復(fù)合控制器，其輸入端分別與指令產(chǎn)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(fā)動機(jī)的狀態(tài)反饋端相連接，其輸出端分別與下游的航空發(fā)動機(jī)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(yīng)指定干擾消除復(fù)合控制器，結(jié)合來自所述指令產(chǎn)生器的動態(tài)指令、固定時間擾動觀測器的集總干擾估計(jì)值以及航空發(fā)動機(jī)的狀態(tài)反饋信息，基于反步法和動態(tài)逆方法實(shí)時調(diào)整控制量，并結(jié)合自適應(yīng)指定干擾消除方法，通過集總干擾的實(shí)時估算與反饋補(bǔ)償，生成自適應(yīng)控制指令并輸出至航空發(fā)動機(jī)及固定時間擾動觀測器，實(shí)現(xiàn)對航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時跟蹤控制以及指定干擾的自適應(yīng)消除。

10、本發(fā)明的第2個發(fā)明目的在于提供一種基于自適應(yīng)指定干擾消除的航空發(fā)動機(jī)控制方法，基于上述第1個發(fā)明目提供的基于自適應(yīng)指定干擾消除的航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)，用于提高發(fā)動機(jī)在不同工作條件下的轉(zhuǎn)速跟蹤控制精度及系統(tǒng)魯棒性，所述控制方法在實(shí)施時至少包括如下步驟：

11、ss1.?控制模型建立

12、對航空發(fā)動機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)建模，利用其輸入輸出數(shù)據(jù)，面向控制設(shè)計(jì)的需要，通過系統(tǒng)辨識的方法，構(gòu)建帶擾動的仿射形式非線性數(shù)學(xué)模型：

13、

14、式中， x表示航空發(fā)動機(jī)的軸轉(zhuǎn)速狀態(tài)向量且 x=[ x1 x2]t， x1表示航空發(fā)動機(jī)軸轉(zhuǎn)速的增量， x2表示航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)加速度，分別為 x1、 x2關(guān)于時間的微分且， d為系統(tǒng)中的集總干擾， f( x)、 g( x)均為關(guān)于狀態(tài)向量 x的非線性函數(shù)， y表示航空發(fā)動機(jī)的系統(tǒng)輸出值，此處即為航空發(fā)動機(jī)軸轉(zhuǎn)速的增量 x1， u為航空發(fā)動機(jī)的系統(tǒng)輸入值，此處即為自適應(yīng)指定干擾消除復(fù)合控制器的輸出控制量；

15、ss2.?跟蹤指令生成

16、基于已知給定的參考指令 rd，通過一個傳遞函數(shù) g( s)的調(diào)節(jié)與安排過程環(huán)節(jié)，產(chǎn)生符合預(yù)設(shè)控制指標(biāo)要求的動態(tài)指令 x1d，并求出該指令對時間的微分，以確保系統(tǒng)在不同工作條件下的動態(tài)響應(yīng)能夠保持良好的跟蹤性能；

17、ss3.?固定時間干擾觀測

18、基于固定時間擴(kuò)充狀態(tài)干擾觀測方法，通過擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測的方式，實(shí)現(xiàn)固定時間內(nèi)對集總干擾的觀測和實(shí)時估計(jì)，得到集總干擾的估計(jì)值，固定時間擾動觀測器設(shè)計(jì)具體如下：

19、

20、其中分別對應(yīng)于的觀測值，表示觀測誤差，表示非線性項(xiàng)的系數(shù)， l表示觀測器的階數(shù)，表示觀測器收斂速度的系數(shù)，構(gòu)成的特定矩陣滿足hurwitz條件，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

21、ss4.?自適應(yīng)指定干擾消除復(fù)合控制計(jì)算

22、首先，采用非線性反步法并基于系統(tǒng)的誤差反饋與動態(tài)指令信號的微分設(shè)計(jì)虛擬控制量 x2的期望值 x2d，其表達(dá)式為：

23、

24、其中 k1， k2， k3為正數(shù)增益參數(shù)，用于控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性； u1和 u2為權(quán)重參數(shù)且滿足0< u1<1， u2>1，用以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的收斂特性； e1= x1 -x 1d，表示當(dāng)前狀態(tài)與目標(biāo)狀態(tài)之間的跟蹤誤差；同時，為提高控制器在實(shí)際應(yīng)用中的動態(tài)性能和抗干擾能力，設(shè)計(jì)如下一非光滑指令濾波器，用于平滑控制量的輸出：

25、

26、其中，為時間常數(shù)并用以控制指令濾波器的響應(yīng)速度， κ1、 κ2、 κ3為濾波器參數(shù)且均為正數(shù)， x2c為指令濾波器輸出，通過調(diào)節(jié)參數(shù) κ1、 κ2、 κ3以保障控制量的平滑性，確保濾波后輸出量的穩(wěn)定性和光滑性，并且上述兩式中，， α為冪次指數(shù)；

27、其次，基于動態(tài)逆方法并結(jié)合固定時間干擾器的觀測輸出，設(shè)計(jì)自適應(yīng)指定干擾消除復(fù)合控制律以實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的閉環(huán)控制：

28、

29、其中 e2= x2 -x 2c，表示當(dāng)前狀態(tài)與期望狀態(tài)之間的誤差； k4、 k5、 k6為適當(dāng)正數(shù)，表示控制律增益參數(shù)，分別用以調(diào)節(jié)對誤差及其非線性項(xiàng)的反饋強(qiáng)度，以確保系統(tǒng)在不同工作條件下的穩(wěn)定性與快速響應(yīng)能力；exp(?)表示以歐拉數(shù)為底的冪函數(shù)，為指令濾波器輸出對時間的微分，為事先給定的自適應(yīng)參數(shù)，調(diào)節(jié)不同跟蹤階段干擾補(bǔ)償分量的組成權(quán)重；

30、ss5.?閉環(huán)控制判斷

31、對系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制的判斷，判斷是否收到結(jié)束控制的指令，若是，則結(jié)束控制，若否，則跳轉(zhuǎn)到步驟ss2循環(huán)執(zhí)行，繼續(xù)進(jìn)行跟蹤控制和干擾估算，以確保發(fā)動機(jī)在復(fù)雜工況下持續(xù)保持穩(wěn)定的控制性能。

32、（三）技術(shù)效果

33、同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的基于自適應(yīng)指定干擾消除的航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)及其方法具有下列顯著的技術(shù)效果：

34、（1）閉環(huán)穩(wěn)定：與傳統(tǒng)的無模型控制方法諸如pid相比，本發(fā)明能從理論上說明系統(tǒng)的有界穩(wěn)定性。本發(fā)明通過固定時間擾動觀測器，能夠快速準(zhǔn)確地描述和補(bǔ)償航空發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部和外部干擾因素，相比傳統(tǒng)漸近收斂的觀測器具有確定的收斂時間和更優(yōu)的動態(tài)性能，從而確保系統(tǒng)在面對復(fù)雜干擾時依然能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行，通過固定時間內(nèi)的擾動觀測和補(bǔ)償機(jī)制，保證了系統(tǒng)在理論上的一致有界穩(wěn)定性，提高了控制系統(tǒng)的魯棒性和可靠性。

35、（2）控制性能好：本發(fā)明對模型不確定性的自適應(yīng)指定干擾消除，兼顧動靜態(tài)性能和魯棒性，因而本發(fā)明提出的方法具有較好的控制性能。系統(tǒng)在動態(tài)變化過程中，能夠快速調(diào)整并適應(yīng)干擾，從而減少穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制的穩(wěn)定性與精度。這種設(shè)計(jì)在不同工作條件下均表現(xiàn)出良好的動靜態(tài)性能，特別是在面對復(fù)雜、非線性擾動時表現(xiàn)突出，保證了高效且精準(zhǔn)的控制性能。

36、（3）不依賴于精確模型：本發(fā)明的另一個顯著優(yōu)勢在于對精確數(shù)學(xué)模型的依賴性低，只需要利用航空發(fā)動機(jī)的輸入輸出數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)辨識的方法，構(gòu)建其帶擾動的非線性仿射數(shù)學(xué)模型。對于建模誤差和系統(tǒng)中未建模的動態(tài)特性采用集總干擾來描述，并通過固定時間干擾觀測器對集總干擾實(shí)時觀測和補(bǔ)償。這種方法避免了對精確模型的高要求，能夠有效處理復(fù)雜的實(shí)際工況，極大簡化了控制器設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。

37、（4）本發(fā)明增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力。航空發(fā)動機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常受到未建模動態(tài)、不確定性和外部擾動的影響，本發(fā)明通過設(shè)計(jì)固定時間擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)干擾觀測器，能夠在有限的時間內(nèi)實(shí)時觀測并估算集總干擾。通過對集總干擾進(jìn)行精確估算，系統(tǒng)能夠自適應(yīng)調(diào)整控制策略，實(shí)現(xiàn)對干擾的有效消除，從而顯著提高了航空發(fā)動機(jī)在干擾環(huán)境下的穩(wěn)定性和魯棒性。此外，本發(fā)明通過設(shè)計(jì)非線性反步法和自適應(yīng)濾波器，能夠快速響應(yīng)航空發(fā)動機(jī)的動態(tài)需求，確?？刂浦噶钅軌?qū)崟r生效。尤其是通過動態(tài)逆方法，結(jié)合濾波器的非光滑設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)時誤差動態(tài)調(diào)整輸出控制量，減少響應(yīng)滯后，提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。

38、（5）尤為重要的是，本方法的重要創(chuàng)新在于：提出了一種基于自適應(yīng)指定干擾消除技術(shù)的控制方法，突破了傳統(tǒng)控制方法對干擾的無差別處理，通過對干擾的動態(tài)觀測，充分利用了航空發(fā)動機(jī)系統(tǒng)中的集總干擾對于跟蹤控制的有利作用，提升了閉環(huán)系統(tǒng)的收斂速度。這種設(shè)計(jì)不僅提高了系統(tǒng)對目標(biāo)指令的跟蹤精度，并兼顧了靜態(tài)特性，包括靜態(tài)誤差和控制紋波。