基于几何设计法的航空发动机有限频域稳态抗扰控制器设计

doi:10.7527/S1000-6893.2022.27434

电子电气工程与控制

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 | 后一篇

基于几何设计法的航空发动机有限频域稳态抗扰控制器设计

陈佳杰¹, 王继强²(), 张海波¹, 胡忠志³, 陈新民²

^1.南京航空航天大学能源与动力学院，南京 210016
^2.中国科学院宁波材料技术与工程研究所先进制造技术研究所，宁波 315201
^3.清华大学航空发动机研究院，北京 100084

收稿日期:2022-05-13 修回日期:2022-07-05 接受日期:2022-08-03 出版日期:2022-09-01 发布日期:2022-08-31
通讯作者: 王继强 E-mail:wangjiqiang@nimte.ac.cn
基金资助:
国家级项目

Design of steady-state disturbance rejection controller for aeroengine based on geometric design method in finite frequency range

Jiajie CHEN¹, Jiqiang WANG²(), Haibo ZHANG¹, Zhongzhi HU³, Xinmin CHEN²

^1.College of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China
^2.Institute of Advanced Manufacturing Technology，Ningbo Institute of Materials Technology & Engineering，CAS，Ningbo 315201，China
^3.Institute for Aero Engine，Tsinghua University，Beijing 100084，China

Received:2022-05-13 Revised:2022-07-05 Accepted:2022-08-03 Online:2022-09-01 Published:2022-08-31
Contact: Jiqiang WANG E-mail:wangjiqiang@nimte.ac.cn
Supported by:
National Level Project

摘要/Abstract

摘要：

传统发动机稳态抗扰控制器在设计时，控制性能指标未能充分考虑被控对象及干扰信号的典型特征，如可作为反馈用的传感器和执行机构数量有限、干扰能量只集中在有限频域等因素，往往抗扰控制器设计的较为保守，并不总能获得满意的抗扰性能。本文提出一种可以在有限频域内采用几何图解法进行性能改进的稳态抗扰控制器设计方法“几何设计法”，该方法可以直观地在复平面上定义闭环系统各输出量在有限频域内的控制性能指标以及控制量在受限情况下的系统抗扰性能极限，从而使用图解法的形式来解决有限频域抗扰控制器的求取问题。仿真结果表明，发动机在巡航稳态工况下，面对能量主要集中在2~16 rad/s有限频域的大气湍流马赫数干扰时，基于几何设计法设计的抗扰控制器相比传统混合灵敏度H_∞控制器，风扇折合转速抗扰百分比提升30%以上的同时，推力抗扰百分比提升了15%以上。

关键词: 巡航工况, 抗扰控制, 有限频域, 几何设计法, H_∞控制

Abstract:

In the design process of traditional engine steady-state disturbance rejection controller， the control performance index fails to fully consider the typical characteristics of the controlled object and disturbance signal. For example， the number of sensors and actuators that can be used as feedback is limited， and the disturbance energy is only concentrated in the finite frequency domain. Therefore， it is not always possible to obtain satisfactory control performance. In this study， a design method of steady-state disturbance rejection controller called “Geometric Design Method” is proposed， which can improve the performance by using the geometric analysis method in the finite frequency domain. This method can intuitively define the control performance index of closed-loop system output in finite frequency domain and the output disturbance rejection performance limit when the control signal is in the limited condition. Thus， the graphical method is used to solve the problem of obtaining the disturbance rejection controller in the finite frequency domain. The simulation shows that when the aeroengine encounters the Mach number disturbance of atmospheric turbulence whose energy is mainly concentrated in 2-16 rad/s finite frequency domain under cruise steady-state conditions， compared with the traditional mixed sensitivity H_∞controller， the disturbance rejection percentage of the corrected fan speed and the thrust is increased by more than 30% and 15%， respectively.

Key words: cruise condition, disturbance rejection control, finite frequency range, geometric design method, H-infinity control

中图分类号:

V235.1

陈佳杰, 王继强, 张海波, 胡忠志, 陈新民. 基于几何设计法的航空发动机有限频域稳态抗扰控制器设计[J]. 航空学报, 2023, 44(9): 327434.

Jiajie CHEN, Jiqiang WANG, Haibo ZHANG, Zhongzhi HU, Xinmin CHEN. Design of steady-state disturbance rejection controller for aeroengine based on geometric design method in finite frequency range[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(9): 327434.

图/表 24

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

表 1

不同频率下控制器设计点所对应的性能指标ηyd和ηzd

$ω$ /（rad·s^-1）	$O β$	$r β$	$r γ$	$η y d$	$η z d$
3	（-1.179 7，-0.323 5）	1.223 2	1.533 1	0.151 3（-16.4 dB）	0.249 3（-12.1 dB）
8	（-1.367 9，-0.548 1）	1.473 6	2.506 8		0.387 7（-8.2 dB）
15	（-1.743 6，-0.761 6）	1.902 7	2.747 7		0.499 3（-6 dB）

表 1

图 11

表 2

不同频率下GDM控制器传递函数实现形式及所对应的实际抗扰性能

$ω$ /（rad·s^-1）	GDM单频控制器传递函数	$α j ω$	$η y d$	$η z d$
3	$K 1 = 21.401 s + 5.45 s 2 + 3.753 s + 4.303 s + 0.016 11 s + 0.001 2$	（-1.13， -0.04）	0.135（-17.4 dB）	0.237（-12.5 dB）
8	$K 2 = 57.959 s + 16.21 s + 4.683 s + 2.155 s + 0.002 12 s + 0.001 2$	（-1.13， -0.04）	0.143（-16.9 dB）	0.378（-8.4 dB）
15	$K 3 = 108.39 s + 38.28 s + 7.348 s + 2.051 s + 0.016 98 s + 0.001 2$	（-1.13， -0.03）	0.137（-17.3 dB）	0.5（-6 dB）

表 2

图 12

图 13

图 14

图 15

表 3

不同GDM单频控制器在时域下稳态抗扰性能对比

GDM单频控制器	$q N f c_m a x$ /（r·min^-1）	J_N_fc/%	q_F_{_max}/N	J_F /%
开环	17.2		300
$ω = 3 r a d / s$	6.81	60.5	189	37
$ω = 8 r a d / s$	2.18	87.3	111	63
$ω = 15 r a d / s$	0.4	97.7	100	66.7

表 3

图 16

图 17

图 18

图 19

图 20

表 4

参考文献 20

1	刘云霄，胡忠志，王继强. 基于线性自抗扰的齿轮传动涡扇发动机控制［J］. 航空发动机， 2021， 47（5）： 78-85.
	LIU Y X， HU Z Z， WANG J Q. Control of geared turbofan engine based on linear active disturbance rejection［J］. Aeroengine， 2021， 47（5）： 78-85 （in Chinese）.
2	王曦，杨舒柏，朱美印. 航空发动机控制原理［M］. 北京：科学出版社， 2021.
	WANG X， YANG S B， ZHU M Y. Aeroengine control principles［M］. Beijing： Science Press， 2021 （in Chinese）.
3	张慧凤. 基于干扰观测器的几类非线性系统抗干扰控制［D］. 沈阳：东北大学， 2016.
	ZHANG H F. Anti-disturbance control for several classes of nonlinear systems based on disturbance observers［D］. Shenyang： Northeastern University， 2016 （in Chinese）.
4	张海波，孙健国，孙立国. 一种涡轴发动机转速抗扰控制器设计及应用［J］. 航空动力学报， 2010， 25（4）： 943-950.
	ZHANG H B， SUN J G， SUN L G. Design and application of a disturbance rejection rotor speed control method for turbo-shaft engines［J］. Journal of Aerospace Power， 2010， 25（4）： 943-950 （in Chinese）.
5	CHEN J J， WANG J Q， LIU Y X， et al. Design and verification of aeroengine rotor speed controller based on U-LADRC［J］. Mathematical Problems in Engineering， 2020， 2020： 1-12.
6	刘云霄. 齿轮传动涡扇发动机建模与抗扰控制研究和验证［D］. 南京：南京航空航天大学， 2020.
	LIU Y X. Research and verification of geared turbofan engine modelling and disturbance rejection control［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2020 （in Chinese）.
7	陶涛，阎文博. 航空发动机H_∞混合灵敏度控制中权阵的选取［J］. 推进技术， 1999， 20（4）： 66-70.
	TAO T， YAN W B. Construction of weighting matrixes in mixed sensitivities H_∞ controller design for aeroengine［J］. Journal of Propulsion Technology， 1999， 20（4）： 66-70 （in Chinese）.
8	GAWRONSKI W， JUANG J N. Model reduction in limited time and frequency intervals［J］. International Journal of Systems Science， 1990， 21（2）： 349-376.
9	IWASAKI T， HARA S. Generalized KYP lemma： Unified frequency domain inequalities with design applications［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2005， 50（1）： 41-59.
10	李贤伟. 基于广义KYP引理的有限频域分析与综合［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2015.
	LI X W. Finite frequency analysis and synthesis based on generalized KYP lemma［D］. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2015 （in Chinese）.
11	DALEY S， WANG J G. A geometric approach to the design of remotely located vibration control systems［J］. Journal of Sound and Vibration， 2008， 318（4-5）： 702-714.
12	WANG J Q. A single sensor and single actuator approach to performance tailoring over a prescribed frequency band［J］. ISA Transactions， 2016， 61： 329-336.
13	WANG J Q. Simultaneous vibration suppression and energy harvesting： Damping optimization for performance limit［J］. Mechanical Systems and Signal Processing， 2019， 132： 609-621.
14	WANG J Q. Optimal design for energy harvesting vibration absorbers［J］. Journal of Dynamic Systems， Measurement， and Control， 2021， 143（5）： 051008.
15	CHAPMAN J W， LITT J S. Control design for an advanced geared turbofan engine［C］∥53rd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. Reston： AIAA， 2017.
16	CHAPMAN J W， LAVELLE T， MAY R， et al. Toolbox for the modeling and analysis of thermodynamic systems （T-MATS） user’s guide： NASA/TM-2014-216638［R］.Washington， D.C.： NASA， 2014.
17	朱上翔. 大气扰动及其对飞行的影响［J］. 航空学报， 1985， 6（2）： 148-156.
	ZHU S X. A review of progress in the study of atmospheric disturbance and its effect on flight［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 1985， 6（2）： 148-156 （in Chinese）.
18	WANG J Q. Active restricted control for harmonic vibration suppression［J］. International Journal of Structural Stability and Dynamics， 2019， 19（12）： 1971007.
19	KOPASAKIS G. Modeling of atmospheric turbulence as disturbances for control design and evaluation of high speed propulsion systems［C］∥Proceedings of ASME Turbo Expo 2010： Power for Land， Sea， and Air， 2010： 201-213.
20	KOPASAKIS G. Atmospheric turbulence modeling for aero vehicles： Fractional order fits： NASA/TM-2010-216961［R］. Washington， D.C.： NASA， 2010.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

巡航稳态工况	控制器类型	J_N_fc/%	J_F /%
H=28 000 ft，Ma=0.73	H_∞	29.8	17.6
H=28 000 ft，Ma=0.73	GDM	97.7	66.7
H=31 500 ft，Ma=0.7	H_∞	68.4	32.3
H=31 500 ft，Ma=0.7	GDM	98	49.3
H=35 000 ft，Ma=0.8	H_∞	44.3	34.5
H=35 000 ft，Ma=0.8	GDM	79.6	69

[1]	闫明, 王家兴, 李贺琦, 刘凯. 基于离线网络/在线辨识的舰载机自抗扰控制[J]. 航空学报, 2025, 46(13): 531317-531317.
[2]	刘子博, 张冉, 薛文超, 李惠峰. 考虑弹性影响的运载火箭自抗扰减载控制方法[J]. 航空学报, 2025, 46(1): 330319-330319.
[3]	赵旭, 齐国元, 蔚昕晨, 胡建兵, 李霞. 补偿函数观测器及其在飞行器姿态控制中的应用[J]. 航空学报, 2023, 44(9): 327224-327224.
[4]	付一方, 胡欣悦, 黄与陆, 王斑, 黄江涛. 基于双目视觉的无人机自主空中对接系统设计[J]. 航空学报, 2023, 44(20): 628884-628884.
[5]	邵嘉琪, 张晓辉, 席涵宇, 刘子荣. 太阳能无人机线性自抗扰多环路能源控制[J]. 航空学报, 2023, 44(10): 327812-327812.
[6]	李霞, 齐国元, 郭曦彤, 赵旭. 高阶微分反馈控制及在四旋翼飞行器中的应用[J]. 航空学报, 2022, 43(12): 326047-326047.
[7]	吴正平, 邓聪, 文海. 模糊线性/非线性自抗扰切换控制及其应用[J]. 航空学报, 2021, 42(9): 324710-324710.
[8]	朴敏楠, 陈志刚, 孙明玮, 陈增强. 高超声速飞行器气动伺服弹性的自适应抑制[J]. 航空学报, 2020, 41(11): 623698-623698.
[9]	费伦, 段海滨, 徐小斌, 鲍瑞, 孙永斌. 基于变权重变异鸽群优化的无人机空中加油自抗扰控制器设计[J]. 航空学报, 2020, 41(1): 323490-323490.
[10]	韦常柱, 琚啸哲, 徐大富, 吴荣, 崔乃刚. 垂直起降重复使用运载器返回制导与控制[J]. 航空学报, 2019, 40(7): 322782-322782.
[11]	吴文海, 高阳, 王子健, 周思羽. 基于LADRC的舰载V/STOL飞机短距起飞性能优化[J]. 航空学报, 2019, 40(6): 122772-122772.
[12]	刘为杰, 何帆, 凌忠伟. 2.4 m跨声速风洞流场预测自抗扰控制[J]. 航空学报, 2019, 40(11): 123154-123154.
[13]	董方酉, 孙青林, 张晓雷, 蒋玉新, 孙明玮, 陈增强. 基于死区补偿的氧调器平稳切换自抗扰控制[J]. 航空学报, 2018, 39(5): 321875-321875.
[14]	马振宇, 祝小平, 周洲. 一种方向舵-螺旋桨联用的全翼式太阳能无人机横航向控制方法[J]. 航空学报, 2018, 39(3): 321633-321633.
[15]	陶金, 孙青林, 檀盼龙, 邬婉楠, 陈增强, 贺应平. 翼伞系统在未知风场中的归航控制[J]. 航空学报, 2017, 38(5): 320523-320523.

基于几何设计法的航空发动机有限频域稳态抗扰控制器设计

Design of steady-state disturbance rejection controller for aeroengine based on geometric design method in finite frequency range

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 24

参考文献 20

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价