基于多智能体的航空发动机分布式协调控制与故障检测

It is an important issue faced by the aircraft engine since they born that improving performance while reducing cost. Control system plays an extremely important role in the realization of these purposes. The development of control system, however, is limited by the traditional structure and fault’s diversity. Compared to the centralized control method, a distributed control system based on multi-agents has essential difference in control structure, control strategy and system realization, etc., hence some new issues are worth studying..From the perspective of the network topology, this project examines how engine components critical safety parameters affects characteristic parameters of multi-agents network structure, obtains the expression of the parameters, and then builds the engine multi-components’ agents control model. Coupling index based on the coupling strengths of components is proposed. Combined with the network topology characteristic parameters, the impact of this coupling index to synchronization capabilities is found and coordinated control strategy is designed. Meanwhile, eigenvectors based on the data of components degradations/faults are modeled, the project studies the adaptive thresholds of components degradations/faults, which can be compared with real-time output estimation errors to detect faults. After the hardware-in-loop simulation, the project provide a scientific basis for advanced aircraft engine control and safety.

提高整机性能的同时降低成本是自航空发动机问世以来一直面临的重要问题。控制系统在实现这些指标中占有极其重要地位。但传统的控制结构和系统故障多发及不易检测限制了控制系统的发展。相比于集中式控制，本项目所提出的基于多智能体的分布式控制无论从控制结构、控制策略和系统实现等方面有本质区别，一些新问题值得研究。.本项目从网络拓扑结构的角度，研究基于发动机部件安全参数对于发动机部件多智能体网络结构特征参数的影响规律，以期给出特征参数的表达形式，进而建立发动机多部件智能体的控制模型；提出基于部件边界耦合强度的指标，将该指标与拓扑结构特征参数相结合分析耦合强度指标对同步能力的影响机理，设计基于多智能体的协调控制策略。同时，研究部件蜕化/故障数据的特征向量建立，探索部件蜕化/故障自适应阈值求取，通过与实时观测的部件智能体输出误差估计对比进行故障检测。经半物理仿真验证后为航空发动机的先进控制与安全提供科学依据。

提高整机性能的同时降低成本是自航空发动机问世以来一直面临的重要问题。控制系统在实现这些指标中占有极其重要地位。但传统的控制结构和系统故障的多发及不易检测限制了控制系统的发展。本项目从网络拓扑结构的角度，研究基于发动机部件安全参数对于发动机部件多智能体网络结构特征参数的影响规律，以期给出特征参数的表达形式，进而建立发动机多部件智能体的控制模型，设计基于多智能体的协调控制策略。.课题研究的平衡流形展开模型的模型理论与方法的科学意义在于发现了平衡流形展开模型作为非线性控制模型的重要性质，分析研究了动/静两步法的平衡流形展开模型的建模方法，提出了航空发动机非线性控制模型。为设计基于此非线性模型的航空发动机分布式控制及在线诊断建立了全新的模型基础。航空发动机分布式控制理论与方法研究的科学意义在于从研究航空发动机调节/保护多目标控制的问题入手，阐述了航空发动机在实际工作过程中的快速响应与安全性的矛盾，分析了航空发动机多模型多回路切换控制问题。基于切换控制理论的航空发动机调节/保护多目标控制问题是一个全新的研究领域。同时，将航空发动机控制与网络控制、计算机技术、通信技术相结合。通过系统深入地研究网络化串级控制系统的建模、稳定性和性能分析、控制器设计等问题，建立了一套完整的基于网络化控制的航空发动机分布式控制系统分析与综合理论体系，可作为航空发动机分布式控制实际应用奠定坚实的理论基础。航空发动机性能蜕化与部件故障在线估计/诊断分析与综合方法研究的科学意义在于解决可用输出少而需要估计的故障参数多的问题。通过分析航空发动机的特点，引入机载模型，不仅使在诊断过程中考虑了蜕化因素，而且机载模型可以充当混合卡尔曼滤波器和混合故障观测器的连接桥梁，使两者能够共享诊断结果信息，提升了各自的诊断精度。