(12.3.1)--3-航空发动机自校正控制-讲义.pdf

航空发动机自校正控制航空发动机自校正控制0.0.引言引言在目前自适应控制领域的理论研究和实际应用中，与模型参考自适应控制一样，自校正控制也是发展比较成熟的一种自适应控制方法。自校正控制的思想是卡尔曼于 1958 年以“最优化”的概念提出的，突出特点在于不需要知道系统的参数信息，就能够根据输入、输出数据来设计控制规律达到最优控制效果，目前已在航空发动机领域得到了一定的应用。一种航空发动机双变量自校正模糊 PI控制器设计方法，研究了控制器和控制系统的特性，为发动机控制探索了一种新方法。针对航空发动机这一具有耦合和强非线性被控对象，采用基于带遗忘因子的最小二乘参数估计算法的最小方差多变量自校正控制，通过分析保证了闭环系统的可辨识性，且控制器响应速度快，跟踪精度高，抗干扰和耦合能力强，估计参数能以较快的速度收敛。1.1.自校正控制原理自校正控制原理自校正系统又称自优化控制或模型辨识自适应控制，它源于随机调节问题。自适应控制系统由一个常规控制系统加一个自适应机构组成，一个典型的自校正控制系统框图如图 1 所示。基本思想是通过采集的过程输入、输出信息实现过程模型的在线辨识和参数估计，在获得的过程模型和估计参数的基础上，按照一定的优化准则，计算控制参数，使得闭环系统能够达到最优的控制品质。其中，参数估计器是一个在线辨识环节，将根据系统的输入输出数据在线辨识被控系统的结构或参数。而控制器参数设计计算环节是根据一定的性能优化准则，计算并调整控制回路中的可调控制器的参数。如果将图中的虚线框中的部分去掉，直按由估计的参数来获得控制器参数，这种自校正控制器称为直接获得控制器参数的自校正控制。图 1.自校正控制系统框图整个自校正控制是一个迭代优化的过程，通过边辨识、边综合，使得控制器参数能够逐步趋向于最优值得过程，可以认为在自校正调节过程中，被控对象的模型是不变的，具体控制过程可由如图 2 所示：（1）首先进行被控系统参数的在线估计，由 t 时刻根据 u（t）和 y（t）估计被控对象参数?th；（2）根据?th设计控制器参数?th；（3）由?th和 r（t+1），可计算出 r+1 时刻的控制量 u（t+1）；（4）根据 t+1 时刻的 u（t+1）和 y（t+1）再次估计被控对象参数?t h?h；（5）返回步骤 2 继续进行递推，构成边在线识系统模型、边控制的自校正控制系统，直至被控对象参数数据值?(t)收敛到其真值。图 2.自校正控制过程流程图2.2.自校正控制器的设计自校正控制器的设计从上述自校正控制系统的工作过程可以看出，其基本思想是将参数估计算法与不同类型算法结合起来，形成一个能自动校正控制器参数的实时计算机控制系统。在航空发动机控制研究领域中，最常用的最小方差自校正调节器就是将递推最小二乘法参数估计方法和最小方性能指标相结合构成的。对于估计器而言，要对对象或过程参数实施估计，满足实时和收敛要求。而对于控制器：需要选择控制准则，确定控制结构与参数。一般来说，控制器结构与准则相关，控制器参数是对象估计参数的函数。在自校正控制系统设计时，需要遵循分离性原则和确定性等价原则。所谓分离性原则是指：对一个参数未知对象或过程的控制问题，可以将过程的参数估计器和控制器的设计分开进行，并将过程参数估计的结果引入控制参数和控制量的计算，于是控制规律就是参数估计的函数，当然也是系统不确定性的函数。其次是确定性等价：对于一个参数未知的受控过程，按分离性原理设计控制系统，再设计控制器时，假定系统是定性的、过程参数是已知的。在此基础上，选择某种恰当的准则设计控制器，完成控制器设计任务后，将估计器给出的参数估计值引入控制器，替换原来假定的己知参数数值，这样获得的随机控制规律就能够等同于原确定性控制规律。当前，自校正控制方法主要分为间接自校正控制和直接自校正控制两类。间接自校正控制是按模型参数、控制器参数、控制量算法的过程获得控制量，由于控制器参数是通过模型参数估计间接得到的，可称其为间接自校正控制，又由于模型参数有明确的表达式，故也称作显式自校正控制。特点是直观清晰，便于模块化设计，但计算量大。而直接自校正控制是参数估计器和控制器参数计算合二为一。不用估计模型参数，而是通过输入输出信息直接估计控制器参数，并利用估计值计算控制量。该模型的参数隐含在控制器参数中，因此没有具体的表达形式，所以也称它为隐式自校正控制。它的特点是计算量较小，节省时间，但参数估计容易出问题，如参数个数的设立是否合理、闭环辨识是否可行、参数是否收敛到真实值等。因此，对于一个自校正控制系统而言，当我们采用不同的参数估计方法和优化控制算法组合时就可以组成各种不同形式的自适应控制系统。根据性能指标的不同，可以分为基于二次型性能指标的自校正调节系统和极点配置自校正控制器。其中，基于二次型性能指标的自校正调节系统有最小方差自校正调节器、广义最小方差调节器和自校正控制器。而对于极点配置自校正控制器而言，它采用期望传递函数的零极点位置来规定预期的闭环系统的动态特性，从而使系统的零极点收敛于期望的零极点。