飛發(fā)一體化架構(gòu)下航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制裕度定義及評(píng)估準(zhǔn)則研究

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)的裕度評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)難以直觀地體現(xiàn)飛機(jī)端干擾量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制耦合性問題，在飛發(fā)一體化架構(gòu)下開展了航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制裕度及相應(yīng)的評(píng)估準(zhǔn)則研究?；谝环N可以在有限頻域內(nèi)采用幾何圖解法進(jìn)行控制性能改進(jìn)的控制理論“幾何設(shè)計(jì)法”，本文提出一種新的發(fā)動(dòng)機(jī)控制裕度定義方法及評(píng)估準(zhǔn)則，包括構(gòu)造滿足需求控制裕度的控制器求解方法、評(píng)估對(duì)比不同控制器的控制裕度和評(píng)估固定結(jié)構(gòu)控制器的控制裕度。以某型寬速域組合動(dòng)力（TBCC）航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為研究對(duì)象，在亞聲速巡航典型工況下，基于幾何設(shè)計(jì)理論所設(shè)計(jì)的控制器，控制性能可以達(dá)到控制裕度理論極限的99.61%。部件級(jí)模型仿真結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)比例積分（PI）控制器，基于幾何設(shè)計(jì)理論所設(shè)計(jì)的控制器的推力控制裕度和綜合控制裕度分別提升了7.3%和5.9%，驗(yàn)證了所定義的控制裕度及其評(píng)估準(zhǔn)則在解決飛發(fā)一體控制耦合性問題的有效性。

關(guān)鍵詞：飛發(fā)一體化； 渦輪基組合動(dòng)力； 控制裕度； 幾何設(shè)計(jì)法； 評(píng)估準(zhǔn)則

中圖分類號(hào)：V233.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.12.010

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)對(duì)機(jī)動(dòng)性能要求的大幅度提高， 飛機(jī)子系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)之間的耦合顯著增強(qiáng)，在不同飛行工況下，飛機(jī)通過高度H、馬赫數(shù)Ma和迎角α 來(lái)影響推進(jìn)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，而推進(jìn)系統(tǒng)則通過發(fā)動(dòng)機(jī)矢量噴管來(lái)影響飛機(jī)的飛行姿態(tài)。這在客觀上給飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)提出了一體化控制的要求[1]。鑒于單個(gè)控制回路所受的耦合影響，可認(rèn)為是對(duì)該回路或強(qiáng)或弱的干擾， 因此，識(shí)別飛機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制回路的干擾特性，并采取適當(dāng)?shù)目刂撇呗蕴岣吆娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)控制子系統(tǒng)的抗擾性和魯棒性，就是從另外一個(gè)角度消除飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)間的耦合，該方法突出的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)對(duì)象階次低， 且其物理概念明晰，易于為工程界所接受。

傳統(tǒng)的裕度評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)通常為幅值裕度和相角裕度，這類頻域指標(biāo)很難直觀體現(xiàn)出飛機(jī)端干擾量（本文主要研究迎角）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的耦合性以及指導(dǎo)設(shè)計(jì)符合抗擾需求的控制器。理想的控制裕度定義不僅需要能定量表征飛機(jī)迎角對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)性能量的影響情況，而且需要具備可以根據(jù)需求的控制裕度來(lái)設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的控制器的能力，其應(yīng)具有如下特征：（1）可以在任何特定頻率及有限頻帶下，定量地表征飛機(jī)耦合量作用下，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的控制裕度性能指標(biāo)；（2）可以在不增加控制系統(tǒng)所需反饋信號(hào)傳感器數(shù)目的情況下，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)不同輸出性能進(jìn)行全局控制裕度的定量?jī)?yōu)化；（3）可以直觀地在控制器設(shè)計(jì)階段，基于理論進(jìn)行面向全局控制裕度的控制器設(shè)計(jì)。

在這種飛發(fā)一體化架構(gòu)下，形成一種滿足以上需求控制特征的發(fā)動(dòng)機(jī)通用抗擾控制方法，是有效提升控制系統(tǒng)控制品質(zhì)的核心問題。傳統(tǒng)的抗擾控制方法主要分為被動(dòng)抗擾控制和主動(dòng)抗擾控制。針對(duì)頻域整形的被動(dòng)抗擾控制以Zames 等[2]提出的H∞控制理論為主，對(duì)于有界干擾籠統(tǒng)地定義范數(shù)有界來(lái)解決抗擾問題，但會(huì)犧牲在有限頻帶下的控制性能。基于混合靈敏度的H2/H∞控制理論[3-4]雖然引入了頻率加權(quán)函數(shù)，在窄帶寬頻率下定義了最小方差類型的平方誤差作為優(yōu)化性能指標(biāo)，但同樣無(wú)法直接在指定有限頻率帶進(jìn)行控制性能指標(biāo)定義，導(dǎo)致所設(shè)計(jì)的抗擾控制器仍具有較大保守性。主動(dòng)抗擾控制理論主要包括基于干擾觀測(cè)器的控制（DOBC）[5]和自抗擾控制（ADRC）[6-8]，這類主動(dòng)抗擾控制理論雖然能通過狀態(tài)觀測(cè)器（ESO）來(lái)實(shí)時(shí)估計(jì)干擾特性在反饋回路中進(jìn)行干擾補(bǔ)償，但無(wú)法直觀定義有限頻域內(nèi)控制性能指標(biāo)，且存在缺少通用的控制器參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)范等問題。