航空发动机约束控制综述

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30533

综述

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航空发动机约束控制综述

潘慕绚¹(), 陆思蓉¹, 程珂¹, 李小涛²

^1.南京航空航天大学能源与动力学院，南京 210016
^2.南京航空航天大学图书馆，南京 210016

收稿日期:2024-04-16 修回日期:2024-05-17 接受日期:2024-06-24 出版日期:2024-12-15 发布日期:2024-07-01
通讯作者: 潘慕绚 E-mail:muxuan.pan@nuaa.edu.cn
基金资助:
国家科技重大专项(P2022-DC-V-001-001)

Review on constraint control in aircraft engines

Muxuan PAN¹(), Sirong LU¹, Ke CHENG¹, Xiaotao LI²

^1.College of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China
^2.Library，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China

Received:2024-04-16 Revised:2024-05-17 Accepted:2024-06-24 Online:2024-12-15 Published:2024-07-01
Contact: Muxuan PAN E-mail:muxuan.pan@nuaa.edu.cn
Supported by:
National Science and Technology Major Project(P2022-DC-V-001-001)

摘要/Abstract

摘要：

约束是航空发动机及其控制系统的固有非线性特性，约束控制是保证发动机安全稳定工作的必要手段之一。本文结合非线性系统约束控制发展现状，综述发动机约束控制现状并预测其未来趋势。针对航空发动机工作过程中的客观物理条件，从状态/输出约束和输入约束分析发动机面临的约束控制挑战；然后，详细阐述航空发动机约束控制现状，并与现有非线性系统约束控制发展现状进行比较；最后，结合发动机特性和理论研究，提出航空发动机约束控制发展可行方案并提炼发展趋势。

关键词: 航空发动机, 非线性系统, 状态/输出约束, 饱和输入约束控制, 死区输入约束控制, 扇区输入约束控制

Abstract:

Constraint is an inherent nonlinear character of aircraft engines and their associated control systems， wherein constraint control is a critical approach to ensure the security and steady operation of engines. This paper provides a comprehensive review of the state-of-the-art constraint control designs of aircraft engines and prospects for its future development trends as well as the recent advancement of nonlinear system constraint control. Initially， the paper addresses the challenges of constraint control in response to the physical conditions during the aircraft engine’s operation， especially the control design with the state/output constraints and input constraints. Subsequently， the current research on constraint control in aircraft engines is surveyed in detail， and the comparisons of the constraint control approaches between engines and nonlinear systems are performed. Finally， the paper presents the feasible solutions for aircraft engine constraint control by integrating the engine-specific characteristics with the relevant theoretical research， and also outlines the anticipated development trends for the discussed field.

Key words: aircraft engines, nonlinear systems, state/output constraint, saturation input constraint control, dead-zone input constraint control, sector input constraint control

中图分类号:

V233.7

潘慕绚, 陆思蓉, 程珂, 李小涛. 航空发动机约束控制综述[J]. 航空学报, 2024, 45(23): 30533.

Muxuan PAN, Sirong LU, Ke CHENG, Xiaotao LI. Review on constraint control in aircraft engines[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(23): 30533.

图/表 31

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

图 16

表 1

常见障碍李雅普诺夫函数

BLF形式	表达式
积分型	$V = ∑ i ∈ n ∫ 0 z i (t) σ i K i 2 K i 2 - σ i + x i d (t) 2 d σ i$
对数型	$V = ∑ i ∈ n 12 l n K i 2 K i 2 - z i (t) 2$
正切型	$V = ∑ i ∈ n t a n π z i (t) 2 K i$

表 1

图 17

图 18

图 19

图 20

表 2

饱和输入约束控制方法总结

方法	解决方法	数学表达式（简化）	特点
限幅函数变换法	光滑饱和函数	$u s a t (v) = u m a x t a n h v u m a x$ （双曲正切函数）	① 有滤波作用 ② 调节时间短 ③ 充分利用执行机构输出能力 ④ 函数较复杂，降低了未饱和时控制效率
		$u s a t (v) = u m a x 2 S i g v u m a x - 1$ （Sigmoid函数）
		$u s a t (v) = u m a x e r f π 2 u m a x v$ （高斯误差函数）
		$u s a t v = u a c t (v) = 2 u m a x π a r c t a n v$ （反正切函数）
	改进饱和函数	$u s a t (v) = h i m p (v)$
	导数限幅函数	$u ˙ s a t (t) = h d e r v (t)$
抗饱和补偿法	静态饱和补偿器	$η c (v) = E u s a t (v) - v$	① 工作效率较高 ② 无滤波作用，只能改善控制饱和输入引起的性能变化 ③ 增加抗饱和模块，形式复杂
抗饱和补偿法	动态饱和补偿器	$x ˙ c (t) = A c x c (t) + B c u s a t v (t) - v (t) η c (t) = C c x c (t) + D c u s a t v (t) - v (t)$	① 工作效率较高 ② 无滤波作用，只能改善控制饱和输入引起的性能变化 ③ 增加抗饱和模块，形式复杂
辅助系统法

表 2

图 21

图 22

图 23

图 24

图 25

图 26

图 27

图 28

图 29

参考文献 124

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航空发动机约束控制综述

Review on constraint control in aircraft engines

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