本發(fā)明涉及航空飛行器，具體的是一種適用于航空增程器的高安全性控制方法。

背景技術(shù)：

1、航空增程器是航空混合動(dòng)力系統(tǒng)中的發(fā)電子系統(tǒng)，主要由航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)或渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和減速器組成。通過航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，為航空混合動(dòng)力系統(tǒng)提供電能源，從而增加串聯(lián)式混合動(dòng)力飛機(jī)的航程、航時(shí)。航空增程器直接并聯(lián)在母線中，因此其動(dòng)態(tài)響應(yīng)嚴(yán)重影響直流母線上所有用電器的性能以及安全。具體來說，不同于汽車增程器，航空混動(dòng)系統(tǒng)要求功率響應(yīng)更快，這將導(dǎo)致執(zhí)行器調(diào)節(jié)幅度更大、速度更快，因此執(zhí)行器容易陷入飽和，造成閉環(huán)控制靜差甚至系統(tǒng)不穩(wěn)定；不同于汽車增程器，航空增程器的安裝環(huán)境更緊湊、運(yùn)行環(huán)境更復(fù)雜，系統(tǒng)受到的擾動(dòng)多。

2、本專利建立了一種具有抗執(zhí)行器飽和、抗擾動(dòng)2種功能的航空增程器高安全性控制方法。通過基于執(zhí)行器裕量和系統(tǒng)效率設(shè)計(jì)的控制計(jì)劃和抗飽和控制器，保證系統(tǒng)在執(zhí)行器飽和的狀態(tài)下，系統(tǒng)依然穩(wěn)定；通過基于擾動(dòng)模型的抗擾動(dòng)控制器，保證系統(tǒng)不受特定類型擾動(dòng)的影響。上述的控制方法能夠在保證航空增程器系統(tǒng)效率的基礎(chǔ)上，提升航空增程器系統(tǒng)的安全性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明公開一種適用于航空增程器的高安全性控制方法，其特征在于：

2、1.基于執(zhí)行器裕量和系統(tǒng)效率的控制計(jì)劃和抗飽和控制器的設(shè)計(jì)過程包括如下步驟：

3、步驟1：基于小擾動(dòng)線性化方法，獲取航空增程器的1階2輸入2輸出線性模型，并具有如式(1)的形式：

4、

5、其中，ωe表示發(fā)動(dòng)機(jī)角速度，thr表示節(jié)氣門開度，iq表示q軸電流指令，ne表示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，pgen表示發(fā)電系統(tǒng)輸出的發(fā)電功率，a、b、c、d為狀態(tài)空間方程中的矩陣；

6、步驟2：將節(jié)氣門開度thr和q軸電流指令iq帶入式(2)，求解出執(zhí)行器實(shí)際輸出的控制量satthr和satiq：

7、

8、其中，thrmax為thr的上界，thrmin為thr的下界；同理，iqmax為iq的上界，iqmin為iq的下界；并將執(zhí)行器實(shí)際輸出的控制量可將合并為向量us；

9、

10、步驟3：通過求解式(5)的極大值，求解兼顧系統(tǒng)效率和執(zhí)行器裕度的控制計(jì)劃：

11、

12、其中，ηeng表示發(fā)動(dòng)機(jī)效率，ηgen表示發(fā)電機(jī)效率，它們都是關(guān)于pgen和ne的函數(shù)；q和r為半正定的權(quán)重矩陣；

13、步驟4：通過極點(diǎn)配置法設(shè)計(jì)k矩陣，使得特征多項(xiàng)式det(si-a+bk)極點(diǎn)具有負(fù)實(shí)部；

14、步驟5：建立具有式(6)形式的抗飽和控制器：

15、

16、其中，λ是抗飽和控制器的狀態(tài)量；a、b矩陣的定義同式(1)；δ是執(zhí)行器實(shí)際輸出的控制量us與前饋增益矩陣輸出的控制量u之差；ksafe是合理選取的狀態(tài)反饋矩陣；γ是抗飽和控制器的輸出，直接作用于控制量u。

17、2.基于擾動(dòng)模型的抗擾動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)過程包括如下步驟：

18、步驟1：為了使得航空增程器系統(tǒng)閉環(huán)靜差為0，基于式(7)求解的前饋增益矩陣m：

19、m＝[d+(c-dk)(-a+bk)-1b]-1?(19)

20、步驟2：基于形式如式(8)所示的sylvester方程，求解線性變換矩陣x：

21、sx-x(a-bk)＝bε(dk-c)?(20)

22、其中，bε為已知為：

23、

24、且bε一般為[0?0?1]t；s矩陣為擾動(dòng)模型的狀態(tài)矩陣；

25、步驟3:根據(jù)步驟2中解得的x，基于式(10)計(jì)算bσ：

26、bσ＝-xbε?(22)

27、步驟4：通過極點(diǎn)配置法設(shè)計(jì)kv矩陣，使得特征多項(xiàng)式det(si-s+bσkv)極點(diǎn)具有負(fù)實(shí)部；

28、步驟5：可以通過式(11)求得kx矩陣：

29、kx＝k-kvx?(23)

30、步驟6：將步驟3得到的bσ、步驟4得到的kv、步驟5得到的kx、抗擾動(dòng)控制器的形式為：

31、

32、其中，ν為擾動(dòng)模型的狀態(tài)量，uk為擾動(dòng)控制器輸出的控制量。

技術(shù)特征：

1.一種適用于航空增程器的高安全性控制方法，其特征在于：航空增程器的抗飽和功能是基于執(zhí)行器裕量和系統(tǒng)效率的控制計(jì)劃和抗飽和控制器實(shí)現(xiàn)的；航空增程器的抗擾動(dòng)功能是基于擾動(dòng)模型的抗擾動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)的。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于航空增程器的高安全性控制方法，其特征在于：基于執(zhí)行器裕量和系統(tǒng)效率的控制計(jì)劃和抗飽和控制器的設(shè)計(jì)過程包括如下步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于航空增程器的高安全性控制方法，其特征在于：基于擾動(dòng)模型的抗擾動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)過程包括如下步驟：

技術(shù)總結(jié)
一種適用于航空增程器的高安全性控制方法，其特征在于具有兩個(gè)特征：1.針對(duì)航空增程器抗執(zhí)行器易飽和的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于執(zhí)行器裕量和系統(tǒng)效率的控制計(jì)劃和抗飽和控制器，能夠使航空增程器在保證一定效率的情況下，提升系統(tǒng)的執(zhí)行器裕度；同時(shí)，即使在執(zhí)行器飽和的情況下，還能保證系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定；2.針對(duì)航空增程器安裝環(huán)境復(fù)雜、受到擾動(dòng)多的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于擾動(dòng)模型的抗擾動(dòng)控制器，能夠保證系統(tǒng)不受正弦擾動(dòng)和階躍擾動(dòng)的影響。上述的控制方法能夠在保證航空增程器系統(tǒng)的效率的基礎(chǔ)上，提升航空增程器系統(tǒng)的安全性。

技術(shù)研發(fā)人員：楊驍,王向陽(yáng),鈕蕙叢,王勇,胡忠志
受保護(hù)的技術(shù)使用者：清華大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15