考虑高稳定性和高安全性的航空发动机模型基主动喘振裕度控制方法研究

Aeroengine model-based active surge margin control is one of the most promising control technologies to improve engine performance today. Aiming at the stability and safety problems of model-based control in engineering application: 1) The estimation of surge margin is not accurate enough, which makes it instable to control engine directly by a close-loop control method; 2) Verifying the advanced algorithms used in model-based active surge margin control through existing technologies is prohibitively costly, which makes the system unsafe and vulnerable. This project proposes a hybrid control strategy combining the model-based control method (primary system) and the traditional control method (backup system). By establishing an on-board adaptive hybrid model considering uncertainties such as flow field distortion, the error between the model and the engine will be reduced and the accuracy of the model will be improved. By developing a surge margin estimation method with a wide range of high confidence, the stability of the model based active surge margin control can be greatly improved. By exploring the prediction method of non-similar redundancy instability, monitoring the estimated performance parameters and instability warning signals in real time, system will switch to traditional control method when model-based control fails or the engine approaches instability, then the safety and stability of the engine will be guaranteed. Finally, a high stability and high safety model-based active surge margin control method with prospects of engineering application will be obtained, which promotes independent research and innovation development of advanced aeroengines in China.

航空发动机模型基主动喘振裕度控制是当今最有希望提升发动机性能的控制技术之一。针对模型基控制在工程应用中面临的稳定性和安全性不足难题：1)对喘振裕度的估计不够精确，直接闭环控制可能会导致发动机失稳；2)由于成本高昂，无法利用现有技术验证模型基控制中先进算法的安全性，本项目拟提出一种以模型基控制方法为主系统、传统控制方法为备份系统的混合控制策略：通过建立考虑流场畸变等不确定性因素的机载自适应混合模型，降低模型和发动机之间的误差提高模型精度；通过发展宽范围高置信度喘振裕度估计方法，提高模型基主动喘振裕度控制的稳定性；探索非相似余度失稳预测方法，实时监视估计的性能参数和失稳预警信号，在模型基控制失效或发动机接近失稳时切换为传统控制方法以保证发动机安全稳定工作，提高模型基控制的安全性。最终获得一种具有工程应用前景的高稳定高安全性模型基主动喘振裕度控制方法，促进我国先进航空发动机的自主研制和创新发展。

航空发动机模型基主动喘振裕度控制技术是当今最有希望提升发动机性能的控制技术之一。本项目针对模型基控制在工程应用中面临的稳定性和安全性难题：1)对喘振裕度的估计不够精确，直接闭环控制可能会导致发动机失稳；2)由于成本高昂，无法利用现有技术验证模型基控制中所用先进算法的安全性，提出了一种以模型基控制方法为主系统、传统控制方法为备份系统的混合控制策略。首先，通过建立考虑流场畸变等不确定性因素的机载自适应混合模型，降低模型和发动机之间的误差提高模型精度；其次，通过发展宽范围高置信度喘振裕度估计方法，提高模型基主动喘振裕度控制的稳定性；然后，探索非相似余度失稳预测方法，实时监视估计的性能参数和失稳预警信号，在模型基控制失效或发动机接近失稳时切换为传统控制方法以保证发动机安全稳定工作，提高模型基控制的安全性。试验结果表明，所建立的机载自适应混合模型提高了建模精度和性能参数估计精度。设计的宽范围高置信度喘振裕度估计方法可以有效保证控制系统的稳定性。提出的非相似余度失稳预测方法可实现失稳预警超前0.05~0.3s。最终获得的航空发动机主动喘振裕度控制方法保证了发动机的稳定性和安全性，达到了预期目标。综上获得的一种具有工程应用前景的高稳定高安全性模型基主动喘振裕度控制方法，对促进我国先进航空发动机的自主研制和创新具有重要指导意义。