一种基于滑模控制的发动机闭环控制系统和方法与流程

本发明涉及发动机控制领域，具体涉及一种基于滑模控制的发动机闭环控制系统和方法。

背景技术：

1、随着航空发动机的全权限数字技术时代的到来，发动机的经济性(油耗)、环保性(排放、噪音)等各项需求不断提升。为了保证发动机整机各项增量指标需求，提升发动机运行过程的动态控制性能成为主要途径，因此全球各大飞机发动机生成商均投入大量的前期研发资源用于高动态性能发动机产品落地

2、现有技术中，发动机运行过程的动态性能提升有两条主流技术路线：第一种是直接获取保证动态特性的开环供油规律，动态过程按照既定的规律运行。这种方法的特点是动态过程控制性能优越，但缺点是工作运行范围的保障试验成本极高。第二种是制定闭环的参数变化率调节计划，通过参数变化率偏差获取闭环燃油控制规律。这种方式的特点是动态特性较好，闭环调节的控制系统集成难度较大。目前工程上主要采用第一种技术路线实现过渡态过程的参数超限保护，虽然有关闭环调节的方式文献较多，但具体的工程应用情况的较少。

技术实现思路

1、以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

2、本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种基于滑模控制的发动机闭环控制系统和方法，根据滑模控制理论进行发动机过渡态的闭环控制，解决了稳态和过渡态过程中风扇转速轨迹跟踪的动态控制性能的问题，同时保证了发动机在动态控制过程的各种限制和保护。

3、本发明的技术方案为：

4、本发明提供一种基于滑模控制的发动机闭环控制系统，包括信号处理模块，

5、配置为接收并处理机载传感器的发动机状态参数；

6、参数保护设定模块，配置为提供发动机运行参数限制量；

7、滑模控制器模块，配置为根据信号处理模块输出的发动机状态参数以及参数保护设定模块输出的发动机运行参数限制量计算滑模控制燃油量；

8、线性控制器选择模块，配置为计算线性控制燃油量；以及

9、全权限燃油控制量选择器模块，配置为参考滑模控制器模块输出的滑模控制燃油量以及线性控制器选择模块输出的线性控制燃油量来选择燃油控制量，并输出燃油控制量指令信号至执行机构闭环控制器。

10、根据本发明的基于滑模控制的发动机闭环控制系统的一实施例，所述基于滑模控制的发动机闭环控制系统还包括：

11、滑模控制器系数计算模块，配置为根据信号处理模块输出的发动机状态参数计算当前时刻所需的滑模控制系数和状态反馈增益系数；

12、其中，所述滑模控制器模块配置为根据接收到的各发动机运行参数对应的滑模控制系数、状态反馈增益系数以及发动机运行参数限制量计算各发动机运行参数的滑模燃油量，然后基于各发动机运行参数的滑模燃油量来计算滑模控制燃油量。

13、根据本发明的基于滑模控制的发动机闭环控制系统的一实施例，所述滑模控制器模块通过以下步骤计算各发动机运行参数的滑模燃油量：

14、根据发动机状态参数和发动机运行参数限制量计算对应的滑模量；

15、根据计算得到的滑模量、滑模控制系数和状态反馈增益系数计算对应的滑模控制量；以及

16、根据计算得到的滑模控制量计算对应的滑模燃油量。

17、根据本发明的基于滑模控制的发动机闭环控制系统的一实施例，所述滑模控制器模块计算得到各发动机运行参数的滑模燃油量后，选择部分发动机运行参数的滑模燃油量进行低选，然后将低选结果与剩下的发动机运行参数的滑模燃油量进行高选，并将所得高选结果作为滑模控制燃油量。

18、根据本发明的基于滑模控制的发动机闭环控制系统的一实施例，所述基于滑模控制的发动机闭环控制系统还包括：

19、过渡线性控制器模块，配置为计算过渡态加减速开环燃油；

20、推力设定模块，配置为提供控制目标参数；

21、稳态线性控制器模块，配置为根据控制目标参数计算对应控制目标所需的稳态控制燃油；以及

22、pi参数限制控制器模块，配置为计算pi参数限制燃油量；

23、其中，所述线性控制器选择模块根据过渡线性控制器模块提供的过渡态加减速开环燃油、稳态线性控制器模块提供的稳态控制燃油以及pi参数限制控制器提供的pi参数限制燃油量计算线性控制燃油量。

24、根据本发明的基于滑模控制的发动机闭环控制系统的一实施例，所述基于滑模控制的发动机闭环控制系统还包括：

25、故障诊断模块，配置为线性控制器选择模块提供故障信息，以及为全权限燃油控制量选择器模块提供滑模控制策略；其中，

26、所述线性控制器选择模块根据故障诊断模块输出的故障信息对过渡态加减速开环燃油、稳态控制燃油以及pi参数限制燃油量的分量进行选择计算，得到线性控制燃油量，然后通过所述全权限燃油控制量选择器模块根据故障诊断模块提供的滑模控制策略选择滑模控制器模块输出的滑模控制燃油量或线性控制器选择模块输出的线性控制燃油量作为燃油控制量。

27、根据本发明的基于滑模控制的发动机闭环控制系统的一实施例，所述基于滑模控制的发动机闭环控制系统还包括：

28、伺服执行机构闭环控制器模块，配置为接收全权限燃油控制量选择器模块传送的燃油控制量指令信号和信号处理模块传输的实际位置反馈信号；其中，

29、所述伺服执行机构闭环控制器模块获取到全权限燃油控制量选择器模块传送的燃油控制量指令信号后，将接收到的燃油控制量指令信号转换为期望位置信号，然后根据实际位置反馈信号与期望位置信号之间的偏差来计算伺服控制电流量。

30、本发明还提供一种基于滑模控制的发动机闭环控制方法，包括以下步骤：

31、接收并处理机载传感器的发动机状态参数；

32、提供发动机运行参数限制量；

33、根据信号处理模块输出的发动机状态参数以及参数保护设定模块输出的发动机运行参数限制量计算滑模控制燃油量；

34、计算线性控制燃油量；以及

35、参考滑模控制器模块输出的滑模控制燃油量以及线性控制器选择模块输出的线性控制燃油量来选择燃油控制量，并输出燃油控制量指令信号至执行机构闭环控制器。

36、根据本发明的基于滑模控制的发动机闭环控制方法的一实施例，所述基于滑模控制的发动机闭环控制方法还包括：

37、根据发动机状态参数计算当前时刻所需的滑模控制系数和状态反馈增益系数；

38、其中，所述基于滑模控制的发动机闭环控制方法根据接收到的各发动机运行参数对应的滑模控制系数、状态反馈增益系数以及发动机运行参数限制量计算各发动机运行参数的滑模燃油量，然后基于各发动机运行参数的滑模燃油量来计算滑模控制燃油量。

39、根据本发明的基于滑模控制的发动机闭环控制方法的一实施例，所述基于滑模控制的发动机闭环控制方法通过以下步骤计算各发动机运行参数的滑模燃油量：

40、根据发动机状态参数和发动机运行参数限制量计算对应的滑模量；

41、根据计算得到的滑模量、滑模控制系数和状态反馈增益系数计算对应的滑模控制量；以及

42、根据计算得到的滑模控制量计算对应的滑模燃油量。

43、根据本发明的基于滑模控制的发动机闭环控制方法的一实施例，所述基于滑模控制的发动机闭环控制方法计算得到各发动机运行参数的滑模燃油量后，选择部分发动机运行参数的滑模燃油量进行低选，然后将低选结果与剩下的发动机运行参数的滑模燃油量进行高选，并将所得高选结果作为滑模控制燃油量。

44、根据本发明的基于滑模控制的发动机闭环控制方法的一实施例，所述基于滑模控制的发动机闭环控制方法还包括：

45、计算过渡态加减速开环燃油；

46、提供控制目标参数；以及

47、根据控制目标参数计算对应控制目标所需的稳态控制燃油；以及

48、计算pi参数限制燃油量；

49、其中，所述基于滑模控制的发动机闭环控制方法根据计算到的过渡态加减速开环燃油、稳态控制燃油有以及pi参数限制燃油量计算线性控制燃油量。

50、根据本发明的基于滑模控制的发动机闭环控制方法的一实施例，所述基于滑模控制的发动机闭环控制方法还包括：

51、提供故障信息以及滑模控制策略；其中，

52、所述基于滑模控制的发动机闭环控制方法根据故障信息对过渡态加减速开环燃油、稳态控制燃油以及pi参数限制燃油量的分量进行选择计算，得到线性控制燃油量，然后根据滑模控制策略选择滑模控制燃油量或线性控制燃油量作为燃油控制量。

53、根据本发明的基于滑模控制的发动机闭环控制方法的一实施例，所述基于滑模控制的发动机闭环控制方法还包括：

54、接收信号处理模块传输的实际位置反馈信号；其中，

55、所述基于滑模控制的发动机闭环控制方法获取到燃油控制量指令信号后，将接收到的燃油控制量指令信号转换为期望位置信号，然后根据实际位置反馈信号与期望位置信号之间的偏差来计算伺服控制电流量。

56、本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明为了实现对发动机的过渡态控制和稳态控制，通过滑模控制器来计算滑模控制燃油量，通过线性控制器选择模块来计算线性控制燃油量，然后通过全权限燃油控制量选择器来选择滑模控制燃油量或线性控制燃油量作为燃油控制量，并输出燃油控制量指令信号至伺服执行机构闭环控制器中来控制发动机的状态。由此实现了对进行发动机过渡态的闭环控制，通过参数变化率偏差获取闭环燃油控制规律，解决了发动机的过渡态控制和稳态控制，避免了稳态闭环控制和过渡态闭环控制的切换选择问题，同时保证了发动机在动态控制过程的各种限制和保护。此外，本发明采用双控制模式，可以在传统的线性控制模式和高性能的滑模控制模式中进行手动和自动切换，从而提升了系统的鲁棒性。