航空发动机加力燃烧燃油控制系统主动容错控制

doi:10.7527/S1000-6893.2022.28063

电子电气工程与控制

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航空发动机加力燃烧燃油控制系统主动容错控制

杭杰, 李运华(), 杨丽曼

北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京 100191

收稿日期:2022-09-28 修回日期:2022-11-25 接受日期:2023-01-29 出版日期:2023-07-25 发布日期:2023-02-06
通讯作者: 李运华 E-mail:yhli@buaa.edu.cn
基金资助:
国家“973”计划(2014CB046403);国家科技重大专项(2017-V-7210015-0067)

Active fault tolerant control of fuel control system of aeroengine afterburner

Jie HANG, Yunhua LI(), Liman YANG

School of Automation Science and Electrical Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China

Received:2022-09-28 Revised:2022-11-25 Accepted:2023-01-29 Online:2023-07-25 Published:2023-02-06
Contact: Yunhua LI E-mail:yhli@buaa.edu.cn
About author:First author contact:HANG J， LI Y H， YANG L M. Active fault tolerant control of fuel control system of aeroengine afterburner［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2023， 44（14）： 328063 （in Chinese）.
Supported by:
National Key Basic Research Program of China(2014CB046403);National Science and Technology MajorProject(2017-V-7210015-0067)

摘要/Abstract

摘要：

为提高航空发动机加力燃烧燃油控制系统的容错性和可靠性，针对同时存在非匹配扰动、传感器故障和内泄漏故障的燃油计量装置，提出一种新型自适应积分鲁棒主动容错控制策略。其中，基于自适应参数估计的非线性未知输入状态观测器可有效估计系统状态和传感器故障，且不受内泄漏故障和非匹配扰动影响。通过引入滤波误差函数，将积分鲁棒控制和自适应控制相结合，以同时处理传感器噪声、非匹配扰动下的内泄漏故障。基于Lyapunov理论，严格证明了计量活门阀芯位移可渐近跟踪到参考信号。仿真结果表明，在非匹配扰动、传感器故障和内泄漏故障并存的模式下，所提出的主动容错控制在最大跟踪误差、平均跟踪误差、跟踪误差标准值、ITAE和ITSE等性能指标均有改善，分别降至0.035 6、0.001 8、0.013 6、25.197 3、4×10^-4 mm。该技术可为航空发动机健康管理提供新的途径和思路。

关键词: 航空发动机, 传感器故障, 内泄漏故障, 非线性未知输入状态观测器, 主动容错控制

Abstract:

To improve the fault tolerance and reliability of the fuel control system of the aeroengine afterburner， a novel Adaptive Integral Robust Fault Tolerant Control （AIRFTC） strategy is proposed for the Fuel Metering Unit （FMU） with unmatched disturbances， sensor faults and internal leakage faults. The proposed Nonlinear Unknown Input Observer （NUIO） based on adaptive parameter estimation can effectively estimate the system state and sensor fault， while not moderated by unmatched disturbances and internal leakage faults. The introduced filter error function combines the integral robust control with adaptive control to address internal leakage faults with sensor noise and unmatched disturbances. By Lyapunov method， we can prove that the displacement of FMU can track reference signal asymptotically. The simulation results show that the control performances of AIRFTC are as low as 0.035 6， 0.001 8， 0.013 6， 25.197 3， 4×10^-4 mm in terms of maximum tracking error， the average tracking error， the standard value of tracking error， ITAE， and ITSE， respectively. This paper can provide a novel method and glimpse for aeroengine health management.

Key words: aeroengine, sensor fault, internal leakage fault, nonlinear unknown input observer, active fault tolerant control

中图分类号:

V233.91

杭杰, 李运华, 杨丽曼. 航空发动机加力燃烧燃油控制系统主动容错控制[J]. 航空学报, 2023, 44(14): 328063.

Jie HANG, Yunhua LI, Liman YANG. Active fault tolerant control of fuel control system of aeroengine afterburner[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(14): 328063.

图/表 16

图 1

图 2

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表 1

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表 3

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图 10

图 11

图 12

图 13

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

参数	数值	参数	数值
P_s/MPa	8	β_e/MPa	200
P_t/MPa	0.02	F_mp1/（N∙m∙s）	100
m_p/kg	0.761 67	F_mp2/（N∙m∙s）	200
A_p/m²	1.1×10^-4	F_mc1	900
f_v/（N∙m∙s）	45	F_mc2	35
C_t0/（m⁵·N^-1∙s^-1）	1.8×10^-12	F_mc3	1.5

控制策略	M_e/mm	μ_e/mm	σ_e/mm	ITAE/mm	ITSE/mm
无NUIO	11.505	-9.997	1.069	1.97×10⁴	196.982
有NUIO	0.025	0.002	0.012	20.618 0	3.4×10^-4

故障模式	控制策略	M_e/mm	μ_e/mm	σ_e/mm	ITAE/mm	ITSE/mm
严重内泄漏故障	AIRFTC	0.054	0.002	0.014	23.140	3×10^-4
	ARFTC	0.081	0.003	0.020	37.423	8×10^-4
	AFTC	0.292	0.048	0.306	588.959	0.206
	VFPI	0.580	0.010	0.412	664.125	0.284
早期内泄漏故障	AIRFTC	0.036	0.009	0.017	25.120	4×10^-4
	ARFTC	0.051	0.003	0.020	37.423	7×10^-4
	AFTC	0.192	0.038	0.186	405.855	0.121
	VFPI	0.420	0.005	0.269	429.728	0.123
轻微内泄漏故障	AIRFTC	0.024	0.001	0.008	13.185	2×10^-4
	ARFTC	0.042	0.002	0.017	28.785	7×10^-4
	AFTC	0.102	0.014	0.174	385.854	0.102 6
	VFPI	0.384	0.003	0.241	391.173	0.104 5
2种故障并存	AIRFTC	0.035 6	0.001 8	0.013 6	25.197 3	4×10^-4
	ARFTC	0.050 9	0.002 7	0.020 1	37.424 1	9×10^-4
	AFTC	0.492 1	0.047 8	0.306 0	588.961 0	0.205 9
	VFPI	0.580 3	0.010 3	0.412 1	644.125 8	0.285 3

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