【摘要】：航空發(fā)動機(jī)是一個非線性、強(qiáng)耦合且具有極大不確定性的復(fù)雜系統(tǒng),所以必須要有先進(jìn)的控制技術(shù)來保證發(fā)動機(jī)安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行。又因?yàn)榘l(fā)動機(jī)經(jīng)常處于高速、高溫、高壓以及強(qiáng)振動的惡劣工作環(huán)境之中,發(fā)生故障的頻率很高,所以設(shè)計(jì)具有容錯功能的控制系統(tǒng)對于提高發(fā)動機(jī)工作的可靠性與安全性具有很大的意義。本文主要針對滑模理論應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)的故障診斷與容錯控制技術(shù)進(jìn)行了初步的研究。首先,以某型雙軸混排加力式渦扇發(fā)動機(jī)為研究對象,利用GasTurb 10提供的設(shè)計(jì)點(diǎn)數(shù)據(jù)及各截面性能參數(shù),依據(jù)發(fā)動機(jī)的各個部件在工作過程中所遵循的氣動、熱力學(xué)定律,采用解析法建立了渦扇發(fā)動機(jī)的動靜態(tài)數(shù)學(xué)模型。并且利用最小二乘擬合法建立了適維的狀態(tài)空間模型,為下文滑�？刂破髋c滑模觀測器的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。接著根據(jù)經(jīng)典滑�？刂评碚�,針對基于符號函數(shù)的趨近律法會導(dǎo)致抖振現(xiàn)象的問題,改進(jìn)了原有的趨近律,分別用飽和函數(shù)以及連續(xù)函數(shù)做替換優(yōu)化,利用極點(diǎn)配置法設(shè)計(jì)了滑模控制器并進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果顯示,優(yōu)化后的趨近律法能減小超調(diào)并且減小穩(wěn)態(tài)誤差,且能有效的削弱抖振。然后針對滑模觀測器理論應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)的氣路部件故障診斷進(jìn)行了研究,先通過設(shè)計(jì)Utkin滑模觀測器來達(dá)到準(zhǔn)確估計(jì)系統(tǒng)狀態(tài)的效果,并且研究了滑模觀測器的穩(wěn)定性,以及滿足匹配條件時系統(tǒng)的抗干擾性能。在此基礎(chǔ)之上,針對氣路部件故障設(shè)計(jì)了增廣的滑模觀測器,利用線性矩陣不等式的方法,實(shí)現(xiàn)了對發(fā)動機(jī)氣路部件健康參數(shù)蛻化的估計(jì)。并且利用滑模觀測器組的方法可以將發(fā)動機(jī)氣路部件故障與傳感器故障進(jìn)行有效的隔離與區(qū)分,實(shí)現(xiàn)了發(fā)動機(jī)多重故障的聯(lián)合診斷。通過將滑模觀測器的估計(jì)效果與卡爾曼濾波器進(jìn)行對比可知,滑模觀測器診斷估計(jì)效果更好,魯棒性更好。最后綜合了滑�？刂破骼碚摵突Ｓ^測器理論,實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動機(jī)傳感器故障的容錯控制與仿真,仿真結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的容錯控制系統(tǒng)可以及時診斷并隔離傳感器故障,并能準(zhǔn)確地重構(gòu)故障信號并反饋給滑模控制器,達(dá)到了容錯控制的目的。
[Abstract]:Aero-engine is a complex system with nonlinear, strong coupling and great uncertainty, so it is necessary to have advanced control technology to ensure the safe, stable and efficient operation of the engine. And because the engine is often in the harsh working environment of high speed, high temperature, high pressure and strong vibration, the frequency of failure is very high. Therefore, the design of fault-tolerant control system is of great significance to improve the reliability and safety of engine work. In this paper, the application of sliding mode theory in fault diagnosis and fault-tolerant control of aeroengine is studied. First of all, based on the design point data provided by GasTurb 10 and the performance parameters of each section of the turbofan engine, the aerodynamic and thermodynamic laws followed by the various components of the engine during the working process are taken as the research object. The dynamic and static mathematical model of turbofan engine is established by analytical method. The state space model with proper dimension is established by using the least square fitting method, which lays a foundation for the design of sliding mode controller and sliding mode observer. Then, according to the classical sliding mode control theory, aiming at the problem that the law of approach based on sign function will lead to buffeting, the original approach law is improved, and the saturation function and continuous function are used to replace and optimize, respectively. The sliding mode controller is designed by pole assignment method and simulated. Simulation results show that the optimized approach law can reduce overshoot and steady-state error, and can effectively weaken buffeting. Then, the application of sliding mode observer theory to aero-engine gas path fault diagnosis is studied. Firstly, the Utkin sliding mode observer is designed to accurately estimate the system state, and the stability of the sliding mode observer is studied. And the anti-interference performance of the system when the matching condition is satisfied. On the basis of this, an augmented sliding mode observer is designed for the fault of gas path components, and the method of linear matrix inequality (LMI) is used to estimate the degradation of the health parameters of the gas path components of the engine. And the sliding mode observer group can effectively isolate and distinguish the fault of engine gas path and sensor, and realize the joint diagnosis of multiple faults of engine. By comparing the estimation effect of sliding mode observer with Kalman filter, it can be seen that the estimation effect of sliding mode observer is better and the robustness is better. Finally, the theory of sliding mode controller and the theory of sliding mode observer are integrated to realize the fault tolerant control and simulation of aero-engine sensor fault. The simulation results show that the designed fault tolerant control system can diagnose and isolate sensor faults in time. The fault signal can be reconstructed accurately and fed back to the sliding mode controller to achieve the purpose of fault-tolerant control.
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：V233.7

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2169539