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

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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): 327434-327434.

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): 327434-327434.

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

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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

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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

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