具有多平衡点的模型参考自适应控制在航空涡扇发动机中应用

This project intends to investigate the tracking control problem of model reference adaptive control with multiple equilibrium points and its applications to aero-engines. The research content includes the followings: Study the interaction between the dynamic performance of the system and the running time of subsystems; Propose a new design method for multiple equilibrium points and equential switching law such that the switched system possesses both the steady-state performance and the dynamic performance; Build an aero-engine control model based on the multiple equilibrium points, and apply the theory to the tracking problem; Give the design scheme of the adaptive controller and the limited switching law to ensure the high quality and the dynamic performance of aero-engines. The researches of the proposed project will reveal the relationship of the multiple equilibrium point, the adaptive controller and the switching law, and investigate influences of the switching opportunity and the dynamic performance of subsystems on dynamical tracking properties of the entire system. The successful implementation will enrich and develop the design theory of switched systems. Applying this method to the aero-engine control system will provide a design project such that the aero-engine has high performances.

本项目以航空发动机为背景，研究具有多平衡点的模型参考自适应跟踪控制问题。主要内容包括：研究系统动态性能与子系统运行时间的内在作用规律，寻求多平衡点与顺序切换下的新的设计方法，使得整个切换系统在满足所需稳态性能的同时，保证每个子系统也具备要求的动态性能；建立具有多平衡点的航空发动机控制系统模型，将所得的理论研究结果应用于发动机跟踪控制问题中，给出自适应控制器和受限切换信号的设计方案，确保发动机工作过程中具有高精度和良好的动态性能。对于该课题的研究将探讨多平衡点与自适应控制器和切换规则之间的作用关系，研究子系统切换时机和子系统动态性能对系统整体动态性能的影响，进一步完善切换自适应控制理论和设计方法，此设计方法应用于发动机控制系统中，为满足发动机具有所要求的控制计划提供具有理论支撑且可操作的设计方案。

航空发动机在不同的工作条件下表现出不同的系统特性，可以建模为切换系统。考虑在建模的过程中不可避免的存在不确定性等情况，建立起能够较真实的反应航空发动机的工作情况和重要性能的模型，研究系统动态性能与子系统运行时间的内在作用规律，提出了具有多平衡点的模型参考自适应控制系统在顺序切换下的新的设计方法。设计自适应控制器和受限切换信号，提高系统性能，解决发动机带有动态性能的跟踪控制问题。本项目的研究成果丰富了切换控制理论和设计方法，并为航空发动机控制设计提供借鉴。主要研究内容如下：.（1）利用系统当前记录数据以及历史记录数据，提出了新的自适应控制器设计方案，设计了基于共同学习策略的切换自适应控制器。揭示了航空发动机工作状态、多个平衡点及系统受约束条件之间的关系，增加了系统控制器及切换信号设计的自由度，为系统暂态性能提高提高了设计方案；.（2）针对外部干扰信号影响的情况，提出了将有限时间稳定的概念推广到切换线性参数变化系统研究方案，使得切换系统的指数稳定及L2增益问题可解，并且保证发动机系统拥有良好的暂态性能，所的结果在数值仿真平台上得到了验证;.（3）针对系统输入存在时滞引起系统模型不稳定的情况下，允许在所有切换时刻的多李雅普诺夫函数上升，提出依赖模型的平均驻留时间设计方案，解决了切换系统的指数稳定及L2增益问题；.（4）研究系统状态时滞情况，提出将激活子系统的李雅普诺夫函数的下降率进行约束的设计方案，通过设计不依赖时滞大小的控制器及切换信号，在保证最小驻留时间切换时间间隔下，得到了切换系统总体能量的下降性，为航空发动机控制器设计提供了新的设计思路；.（5）针对闭环系统发生异步切换的情况、系统具有状态与速率约束的情况、系统具有马可夫跳变等情况进行了研究，通过不同方法设计控制器及切换信号，研究系统的问题性和镇定问题，从而为航空发动机转速跟踪控制提供了理论设计方案。