具有网络调度的航空发动机分布式控制系统协同容错控制

推进技术 ›› 2018, Vol. 39 ›› Issue (5): 1164-1170.

具有网络调度的航空发动机分布式控制系统协同容错控制

王磊¹,谢寿生¹,苗卓广²,彭靖波¹,任立通¹

空军工程大学航空航天工程学院，陕西西安 710038,空军工程大学航空航天工程学院，陕西西安 710038,北京航空工程技术研究中心，北京 100076,空军工程大学航空航天工程学院，陕西西安 710038,空军工程大学航空航天工程学院，陕西西安 710038

发布日期:2021-08-15
作者简介:王磊，男，博士，研究领域为航空发动机综合控制。
基金资助:
国家自然科学基金(51606219)。

Collaborative Fault Tolerant Control for Aero-Engine Distributed Control System with Network Scheduling

Aeronautics and Astronautics Engineering Institute，Air Force Engineering University，Xi’an 710038，China,Aeronautics and Astronautics Engineering Institute，Air Force Engineering University，Xi’an 710038，China,Beijing Aeronautical Engineering Technical Research Center，Beijing 100076，China,Aeronautics and Astronautics Engineering Institute，Air Force Engineering University，Xi’an 710038，China and Aeronautics and Astronautics Engineering Institute，Air Force Engineering University，Xi’an 710038，China

Published:2021-08-15

摘要/Abstract

摘要： 为解决航空发动机分布式控制系统中网络参数与控制性能之间的冲突问题，提出了一种基于线性矩阵不等式理论的网络参数与保成本容错控制器协同设计方法。建立MEF-TOD调度协议作用下状态变量和控制变量的传输特性；将采样周期和数据包容量作为未知量引入航空发动机分布式控制系统的建模过程，得到调度协议约束下的网络参数与控制系统参数联合模型；给出联合闭环系统渐进稳定且存在成本函数上界的充分条件，并给出了网络参数与控制器增益的具体求解步骤。仿真结果显示，控制器与网络参数的协同设计方法能够求解出最优采样周期和数据包容量，据此得到容错控制器能够使航空发动机分布式控制系统在发生主动丢包故障的情况下，联合闭环系统渐进稳定，且低压转子转速超调量降低了80%，参数摆动降低了66.7%，保证控制器动态性能最优。

关键词: 航空发动机；分布式控制系统；网络调度；网络参数，协同容错控制

Abstract: A co-design approach of network parameters and guaranteed cost fault tolerant controller based on the theory of linear matrix inequalities was put forward to solve the contradiction between network parameters and control performance. First of all， the transmission characteristics of state and control variables under the MET-TOD protocol were given. Secondly， Sampling period and packet size were introduced into the modeling process of aero-engine distributed control system as the unknown quantity， and the joint model of network parameters and controlling parameters was established under the scheduling agreement. Finally， the sufficient condition was given， through which the joint closed-loop system was asymptotically stable and had the upper bound of cost function. Furthermore， a heuristic optimization method was proposed to get the network and controller gain. The simulation results show that the optimal sampling period and packet size can be obtained by using the co-design method concerning controller and network parameters. Thus the conclusion is drawn that the fault tolerant controller can provide the asymptotical stability of joint closed-loop system for the aero-engine distributed control system and guarantee the optimal performance of the controller at the same time. There were 80% reduction in the overshoot of low-pressure?rotor?speed and 66.7% reduction in parameter fluctuation.

Key words: Aero-engine；Distributed control system；Network scheduling；Network parameter；Collaborative fault tolerant control

王磊,谢寿生,苗卓广,彭靖波,任立通. 具有网络调度的航空发动机分布式控制系统协同容错控制[J]. 推进技术, 2018, 39(5): 1164-1170.

WANG Lei¹,XIE Shou-sheng¹,MIAO Zhuo-guang²,PENG Jing-bo¹,REN Li-tong¹. Collaborative Fault Tolerant Control for Aero-Engine Distributed Control System with Network Scheduling[J]. Journal of Propulsion Technology, 2018, 39(5): 1164-1170.

参考文献

[1] 赵维佺, 李迪. 网络控制系统中调度与控制的协同设计[J]. 工业控制计算机, 2007, 20(12): 1-5.
[2] 宣慧明, 文利燕, 彭晨. 资源受限网络控制系统的信息调度[J]. 南京师范大学学报(工程技术版), 2012, 12(2): 11-17.
[3] Yuan G E, LIU Zhen-an, CHEN Qi-gong, et al. Stability of Networked Control Systems with Communication Constraints[J]. Journal of University of Science and Technology of China, 2008, 38(3): 266-271.
[4] 王俊波, 胥布工. 资源受限的网络控制系统调度[J]. 控制与决策, 2008, 23(5): 551-559.
[5] 杜明莉, 周川, 陈庆伟, 等. 具有通信约束的网络控制系统动态调度与[H∞]控制协同设计[J]. 控制理论与应用, 2012, 29(9): 1132-1138.
[6] 李祖欣, 王万良, 成新民. 资源约束系统的信息调度及其渐进稳定性[J]. 信息与控制, 2008, 37(5): 593-598.
[7] 谢林柏, 纪志成, 潘庭龙, 等. 基于信息调度的网络化控制系统[J]. 系统工程与电子技术, 2005, 27(3): 449-452.
[8] 陈惠英. 资源受限网络控制系统控制与调度方法研究[D]. 杭州:浙江工业大学, 2008.
[9] 王磊, 谢寿生, 彭靖波, 等. 航空发动机分布式控制系统不确定性鲁棒[H∞]容错控制[J]. 推进技术, 2013, 34(6): 836-842. (WANG Lei, XIE Shou-sheng, PENG Jing-bo, et al. Uncertain Robust [H∞]Fault-Tolerant Control for Aero-Engine Distributed Control System[J]. Journal of Propulsion Technology, 2013, 34(6): 836-842.)
[10] 李睿超, 郭迎清, 李岩, 等. 基于数据集中器的超燃冲压发动机分布式控制系统通信方案设计[J]. 推进技术, 2016, 37(9): 1766-1773. (LI Rui-chao, GUO Ying-qing, LI Yan, et al. Communication Scheme Design of Distributed Control System for Scramjet Engine Based on Data Concentrators[J]. Journal of Propulsion Technology, 2016, 37(9): 1766-1773.)
[11] Walsh G C, Ye H, Bushnell L G. Stability Analysis of Network Control Systems[J]. IEEE Transaction on Control Systems Technology, 2002, 10(3): 438-446.
[12] 邵奇可, 俞立, 欧林林, 等. 基于网络QoS的控制系统协同设计方法研究[J]. 自动化学报, 2010, 36(9): 1356-1360.
[13] 郭一楠, 张芹英, 巩敦卫, 等. 一类时变时延网络控制系统的鲁棒容错控制[J]. 控制与决策, 2008, 23(6): 689-692.
[14] 彭靖波. 基于分布式控制的航空发动机先进控制算法研究[D]. 西安:空军工程大学, 2009.(编辑:朱立影)　　　　　　　　　　　　　*　收稿日期:2017-04-20；修订日期:2017-06-02。基金项目:国家自然科学基金(51606219)。作者简介:王磊,男,博士,研究领域为航空发动机综合控制。E-mail: zhongwei510@hotmail.com