1998某型涡扇发动机的模型跟踪滑模控制

第20卷　第6期航　空　学　报Vol.20No.6

1999年　11月ACTAAERONAUTICAETASTRONAUTICASINICANov.1999

　　文章编号:1000-6893(1999)06-0533-04

某型涡扇发动机的模型跟踪滑模控制

冯正平,孙健国,刘　冬

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(1.南京航空航天大学动力工程系,江苏南京　210016)(2.贵州平坝300信箱设计部,贵州平坝　561102)

MODELFOLLOWINGSLIDINGMODECONTROLFORATURBOFANENGINE

FENGZheng-ping,SUNJian-guo,LIUDong

(1.Dept.ofPowerEngin.,NanjingUniv.ofAero.andAstro.,Nanjing　210016,China)

(2.DesignDept.,P.O.Box300,Pingba,Guizhou　561102,China)

摘　要:研究了模型跟踪滑模控制在涡扇发动机控制中的应用。首先提出了一种参考模型的状态反馈设计方法,该方法可保证所设计的参考模型在满足匹配条件的同时满足系统性能指标要求;而且若被控对象可解耦,还可保证参考模型动态解耦。其次提出了一种比例积分型切换超平面的极点配置设计方法。最后应用上述两种方法设计了某型涡扇发动机的模型跟踪滑模控制器,并进行了数字仿真,仿真结果表明,所设计的模型跟踪滑模控制系统无抖振现象,且具有很强的鲁棒性。

关键词:滑模控制;参考模型;切换超平面;状态反馈;涡扇发动机中图分类号:V233.7　　　文献标识码:A

Abstract:Thispaperstudiestheapplicationofmodelfollowingslidingmodecontrol(MFSMC)toaturbofanengine.Firstly,amethodofstatefeedbackisproposedfordesigningareferencemodel;sothereferencemodelnotonlysatisfiesthematchingconditionsbutalsomeetstheperformancespecificationsaswellandmoreoveriftheplantisdecouplable,thereferencemodelcanbedesignedtobedecoupled.Secondly,amethodofpoleassignmentisputforwardfordesigningswitchingsurfacesofPItype.Finally,theMFSMCcontrollerforaturbofanengineisdesignedusingtheabove-mentionedmethods;dynamicsimulationresultsshowthatthedesignedMFSMCsystemhasnochatteringphenomenaandhasstrongrobustness.Keywords:slidingmodecontrol;referencemodel;switchingsurfaces;statefeedback;turbofanengine

　　航空发动机是非常复杂的非线性对象,其参数变化范围很大,精确的数学模型很难建立,不论采用什么控制方法,都必须确保所设计的发动机控制系统具有很强的鲁棒稳定性。滑模控制(SMC)是一种特殊的非线性控制,其突出优点是在满足一定条件下,滑模运动对参数变化及外界扰动具有不变性(完全鲁棒性)。而且其结构简单,物理意义明确,易于工程实现。因而到目前为止已经得到了广泛应用,如机器人控制[1～3]、电机控制[4]、飞行控制[5]等等。然而,由于SMC系统中存在的抖振现象会破坏发动机的安全工作,因而SMC在航空发动机控制中的应用研究开展得极少。但是只要消除了抖振现象,完全可以将SMC用于航空发动机控制。

本文研究模型跟踪滑模控制(MFSMC)在涡扇发动机控制中的应用,首先解决两个问题: 在MFSMC系统中,只有参考模型与被控对象模型严格满足匹配条件,才能保证滑模运动对参数变

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化及扰动的不变性。同时参考模型应该是一个理想的模型,必须满足系统的性能指标要求(对多变量控制系统而言,通常包括解耦)。基于这两个原因,设计参考模型必须兼顾匹配条件和性能指标要求。而目前参考模型的设计还主要是依赖于设计者的经验; 为了消除稳态误差,在切换超平面中引进误差积分项,从而具有比例积分的形式,但文献[6]并未给出具体的设计方法。在解决上述两个问题的基础上,针对某型涡扇发动机设计了MFSMC控制器并进行了数字仿真。1　问题的提出

设被控对象的动态方程为

=Ax+Bu,y=Cxx(1)

其中:x∈Rn为状态;u∈Rm为控制输入;y∈Rm为输出;A,B,C为适维矩阵,且(A,B)能控,(A,C)能观。

设参考模型为同阶系统

xm=Amxm+Bmr;ym=Cmxm

(2)

[6]

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