航空发动机约束控制综述

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30533

Abstract

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

CLC Number:

V233.7

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.

Figures/Tables 31

Fig.1

Fig.2

Fig.3

Fig.4

Fig.5

Fig.6

Fig.7

Fig.8

Fig.9

Fig.10

Fig. 11

Fig.12

Fig.13

Fig.14

Fig.15

Fig.16

Table 1

Popular barrier Lyapunov functions

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	$V = ∑ i ∈ n t a n π z i (t) 2 K i$

Table 1

Fig.17

Fig.18

Fig.19

Fig.20

Table 2

Summary of saturation input constraint control methods

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

Table 2

Fig.21

Fig.22

Fig.23

Fig.24

Fig.25

Fig.26

Fig.27

Fig.28

Fig.29

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Review on constraint control in aircraft engines

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