面向航空发动机受限问题的切换系统自适应控制

Considering the input saturation and state constraint problem in aero-engine control, we will propose methods to design saturation and constrained adaptive controllers for switched systems. Firstly, considering the fuel supply limit, the Lyapunov-like function will be employed in designing saturation adaptive controller and deciding the switching law. Secondly, in consideration of the temperature limit and surge limit, we will combine the barrier Lyapunov function with the Lyapunov-like function to design the state constrained adaptive controller. Thirdly, in order to avoid large oscillation caused by over-adaptation, a reset law will be presented for estimation variables based on a supervisory mechanism. Finally, the proposed methods will be tested on the component level simulation platform of aero-engine.. The results of this project will enrich and consummate the theories of adaptive control and switched system. Furthermore, the proposed method will be helpful and inspiring in the control design of real aero engines..

本项目考虑航空发动机控制中输入和状态受限的问题， 基于切换模型， 提出饱和、受约自适应控制器和监督重置自适应控制器的设计方法。 首先，考虑航空发动机的贫富油限制，结合类Lyapunov函数分析法给出切换系统的饱和自适应控制器和切换律的设计方法 ； 其次，考虑航空发动机的超温和喘振问题，借助障碍Lyapunov函数思想给出切换系统的受约自适应控制器设计方法； 再次， 为避免自适应参数过调节造成的系统大幅震荡， 设计监督机制，提出自适应估计参数的重置方案，以保证发动机的动态性能。最后， 将基于切换模型设计的自适应控制器应用于发动机部件级仿真平台验证效果。. 研究结果将丰富和完善自适应控制和切换系统理论， 并为真实发动机的控制器设计提供借鉴和启示。

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。考虑航空发动机本身参数的切变性和不确定性，需要研究切换系统的自适应控制问题，难以保证暂态性是自适应控制应用于实际系统的主要障碍，特别是对航空发动机而言，糟糕的暂态会造成安全隐患。航空发动机调速控制需要考虑温度、压力等多种保护边界，多重控制目标需要通过多控制器的切换来达成。控制系统一方面要确保飞行安全，另一方面又希望充分发挥发动机性能，只有合理设计多控制器的切换规则才能最大限度兼顾两个方面的要求。在航空发动机传感器失效的情况下，系统切换信号未知，为了确保调速性能，需要单独为控制器设计自治切换律。项目以这些问题为出发点，研究受限切换系统的自适应控制相关问题，主要结果如下：.1. 针对非线性切换系统，设计了适应于切换系统的分段适应律，并通过有限时间参数辨识和适应参数重置的方法确保了自适应控制的暂态收敛速度，结果丰富了切换系统理论和自适应控制理论，减少了自适应控制应用过程中的障碍。.2. 建立了航空发动机系统能量与调速之间的关系，基于航空发动机机理模型，利用历史稳态数据和在线实时数据设计了无超调快速调速控制器，解决了系统安全性与暂态性能之间的矛盾，尽可能地发挥了航空发动机的自身潜能，所得结果在部件级仿真模型上验证了效果；并进一步将系统能量的观点推广至了其他无源多容系统，得到了快速无超调控制器设计的通用性方法；.3. 在系统切换信号不可用的情况下，通过构造了监督变量，为子控制器另外构造了基于判别逻辑的自治切换信号，确保了系统的稳定性，并实验验证了方法的有效性。