變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)完全分布式控制

謝振偉， 郭迎清,*， 姜彩虹， 田飛龍， 李睿超

1.西北工業(yè)大學(xué) 動(dòng)力與能源學(xué)院， 西安　710129 2.中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限公司 沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所， 沈陽(yáng)　110015

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變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)完全分布式控制

謝振偉1， 郭迎清1,*， 姜彩虹2， 田飛龍1， 李睿超1

1.西北工業(yè)大學(xué) 動(dòng)力與能源學(xué)院， 西安710129 2.中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限公司 沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所， 沈陽(yáng)110015

采用分布式控制架構(gòu)可以降低變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的重量并有利于系統(tǒng)的開發(fā)和擴(kuò)展。提出了一種完全分布式控制架構(gòu)，控制算法的計(jì)算完全分布到智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，計(jì)算所需的參數(shù)值由智能傳感器通過(guò)串行數(shù)據(jù)總線發(fā)送到智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)。變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)完全分布式控制系統(tǒng)研發(fā)的主要工作是設(shè)計(jì)分散控制算法和總線通信方案。將控制回路的耦合當(dāng)作總擾動(dòng)的一部分，使用線性自抗擾控制器(ADRC)觀測(cè)并在控制信號(hào)中消除總擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了分散控制。在CAN總線硬件的基礎(chǔ)上，使用CANaerospace高層協(xié)議設(shè)計(jì)了時(shí)間觸發(fā)的總線通信方案。從而實(shí)現(xiàn)了變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)完全分布式控制。在MATLAB/Simulink環(huán)境下使用TrueTime工具箱搭建了仿真系統(tǒng)。使用TrueTime Kernel模塊仿真智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)與智能傳感器的計(jì)算單元，使用TrueTime Network模塊仿真CAN總線，并且將線性ADRC和CANaerospace協(xié)議寫入到計(jì)算單元中。仿真結(jié)果表明：所建立的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)完全分布式控制系統(tǒng)能夠適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣狀況和健康狀況的大范圍變化，具有較好的魯棒性。

變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)； 完全分布式控制； 線性自抗擾控制； 分散控制； CANaerospace協(xié)議

分布式控制是航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制的發(fā)展方向[1-4]。與現(xiàn)有航空發(fā)動(dòng)機(jī)集中式控制系統(tǒng)相比，分布式控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上具有以下兩個(gè)特征：① 控制系統(tǒng)的計(jì)算任務(wù)分散到多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)；② 各節(jié)點(diǎn)之間使用串行數(shù)據(jù)總線進(jìn)行通信。

當(dāng)前，由于高溫電子學(xué)技術(shù)和分散控制理論研究的限制，航空發(fā)動(dòng)機(jī)分布式控制系統(tǒng)將先采用部分分布式架構(gòu)[5-6]。在部分分布式架構(gòu)中，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的適當(dāng)位置設(shè)置數(shù)據(jù)集中器，傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)保留其模擬連接方式，連接到鄰近的數(shù)據(jù)集中器；原集中式控制器中的信號(hào)的A/D、D/A轉(zhuǎn)換任務(wù)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的小閉環(huán)控制算法計(jì)算任務(wù)分散到數(shù)據(jù)集中器完成。數(shù)據(jù)集中器通過(guò)串行數(shù)據(jù)總線與主控制器連接。與集中式控制架構(gòu)相比，部分分布式控制架構(gòu)減少了線纜用量，降低了控制系統(tǒng)重量。由于主控制器不再直接連接眾多模擬線路，因而主控制器可以離開發(fā)動(dòng)機(jī)，放置在飛機(jī)上環(huán)境理想的位置，降低了計(jì)算負(fù)擔(dān)、熱負(fù)擔(dān)，并且不受發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的影響。

未來(lái)隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)分散控制理論的工程化和高溫電子技術(shù)、嵌入式技術(shù)的進(jìn)步，航空發(fā)動(dòng)機(jī)分布式控制系統(tǒng)將過(guò)渡到完全分布式架構(gòu)。完全分布式架構(gòu)包括智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)、智能傳感器和數(shù)據(jù)通信總線三部分?？刂葡到y(tǒng)的開環(huán)和閉環(huán)控制功能完全分散并嵌入到各控制量對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，每個(gè)傳感器也嵌入計(jì)算單元負(fù)責(zé)A/D、濾波等計(jì)算，所有的通信都使用總線。

完全分布式架構(gòu)取消了模擬線纜，數(shù)據(jù)通信完全使用總線，進(jìn)一步降低了控制系統(tǒng)重量；并且是一個(gè)開放式的架構(gòu)，便于系統(tǒng)軟件的開發(fā)、擴(kuò)展與升級(jí)，減少了這些過(guò)程中的考核驗(yàn)證工作量，有利于系統(tǒng)的移植、發(fā)展與通用化。

與常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)[7-10]增加了可變面積涵道引射器(Variable Area Bypass Injector， VABI)，有更多的可調(diào)幾何裝置，采用多變量閉環(huán)控制。智能傳感器的A/D、濾波等計(jì)算的實(shí)現(xiàn)可以參考集中式控制中的相關(guān)方案。則設(shè)計(jì)其完全分布式控制系統(tǒng)的工作主要包括研究分散控制算法和設(shè)計(jì)總線通信方案兩部分。

韓京清結(jié)合反饋控制與抗擾概念[11]，提出了將系統(tǒng)外部干擾和內(nèi)部未建模部分視為總擾動(dòng)，并將總擾動(dòng)作為系統(tǒng)的一個(gè)狀態(tài)，使用擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器實(shí)時(shí)觀測(cè)總擾動(dòng)并在控制信號(hào)中將其消去的自抗擾控制(Active Disturbance Rejection Control， ADRC)理論[12]。ADRC已經(jīng)成功地應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外大量的工程實(shí)踐中。為了解決非線性ADRC需要整定的參數(shù)多和參數(shù)整定復(fù)雜的問(wèn)題。Cleveland州立大學(xué)的Gao教授將線性化和帶寬的概念引入ADRC，提出了線性ADRC[13]。線性ADRC只有一個(gè)控制器帶寬參數(shù)需要整定。線性ADRC通過(guò)了工業(yè)控制評(píng)估[14]，先后被Ti、Siemens和Freescale用在控制芯片中。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，文獻(xiàn)[15]將ADRC應(yīng)用于加力控制；文獻(xiàn)[16]設(shè)計(jì)了基于非線性ADRC的限制保護(hù)控制器；文獻(xiàn)[17]將渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型中不包括輸入的 “動(dòng)態(tài)耦合”部分看作回路總擾動(dòng)的一部分，使用ADRC實(shí)現(xiàn)了解耦控制。

CANaerospace協(xié)議[18-19]是Stock Flight Systems公司提出的專用于航空航天領(lǐng)域的一個(gè)為機(jī)載微機(jī)系統(tǒng)使用CAN總線進(jìn)行高可靠性通信而設(shè)計(jì)的非常輕量級(jí)的協(xié)議，對(duì)于它的執(zhí)行只需用少量的資源即可。從1997年的最初定義起，CANaerospace就被設(shè)計(jì)成一種開放的標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)協(xié)議得到來(lái)自不同組織的使用者的補(bǔ)充，CANaerospace1.6版本標(biāo)準(zhǔn)被美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)在2001年作為“先進(jìn)的通用航空運(yùn)輸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總線(AGATE DATA BUS)”來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化。文獻(xiàn)[20-21]探索了CANaerospace在無(wú)人飛行器系統(tǒng)中的應(yīng)用。

本文首次研究了變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的完全分布式控制。首先進(jìn)一步擴(kuò)大了總擾動(dòng)的范圍，將變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)某一閉環(huán)控制回路中輸入、輸出標(biāo)準(zhǔn)型之外的部分都看作總擾動(dòng)，使用線性ADRC來(lái)實(shí)時(shí)觀測(cè)和補(bǔ)償總擾動(dòng)，設(shè)計(jì)該組合的控制器，使得變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制的3組實(shí)際輸入、輸出之間解耦，以此作為分散控制算法；然后針對(duì)安全關(guān)鍵系統(tǒng)總線通信時(shí)間觸發(fā)的要求，以CAN總線為基礎(chǔ)在應(yīng)用層參考CANaerospace協(xié)議設(shè)計(jì)了時(shí)間觸發(fā)的通信方案，搭建了變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)完全分布式控制系統(tǒng)；最后使用TrueTime工具箱[22]在Simulink環(huán)境下建立變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)完全分布式控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)在不同進(jìn)氣條件和發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀況下的工作情況進(jìn)行了仿真，說(shuō)明了系統(tǒng)的可用性。

1　完全分布式控制架構(gòu)

變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的完全分布式控制架構(gòu)如圖1所示，包括智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)(Smart Actuator， SA)模塊、智能傳感器(Smart Sensor， SS)模塊和數(shù)據(jù)通信總線(Data Bus)三部分。

圖1　變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)(VCE)完全分布式控制架構(gòu)Fig.1　Variable cycle engine (VCE) fully distributed control structure

圖1中：α表示發(fā)動(dòng)機(jī)可調(diào)靜子；VABI表示可變面積涵道引射器；Wf和Wfa表示主燃油流量和加力燃油流量；PLA表示油門桿角度；A8表示尾噴管截面面積；pt、ps和Tt分別表示氣流的總壓、靜壓和總溫。

控制系統(tǒng)的開環(huán)和閉環(huán)控制的計(jì)算完全分散并嵌入到各控制量對(duì)應(yīng)的SA模塊中，SS模塊負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)的A/D、濾波等計(jì)算，然后通過(guò)數(shù)據(jù)通信總線將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到實(shí)現(xiàn)控制計(jì)算需要該數(shù)據(jù)的SA模塊中。

2　分散控制算法

變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制是用主燃油流量Wf、尾噴管截面面積A8和混合室外涵道入口的可變面積涵道引射器的面積AVABI 3來(lái)控制低壓轉(zhuǎn)子相對(duì)換算轉(zhuǎn)速n1,cor,rel、發(fā)動(dòng)機(jī)壓比πeprs和混合室入口處外涵與內(nèi)涵氣流的壓比πl(wèi)epr。

(1)

πeprs=ps63/pt2

(2)

πl(wèi)epr=pt163/pt63

(3)

式中：n1為低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；Tt2、pt2為風(fēng)扇進(jìn)口總溫、總壓；ps63、pt63為混合室入口內(nèi)涵氣流靜壓、總壓；pt163為混合室入口外涵氣流總壓；下標(biāo)dp表示設(shè)計(jì)點(diǎn)的數(shù)值；下標(biāo)rel表示與設(shè)計(jì)點(diǎn)數(shù)據(jù)的比值。

將控制計(jì)算分散到各智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)中需要將變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制解耦為3個(gè)相互獨(dú)立的回路。令x1=n1,cor,rel，x2=πeprs,rel，x3=πl(wèi)epr,rel；u1=Wf,rel，u2=A8,rel，u3=AVABI 3,rel。變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)可表示為如下狀態(tài)方程組：

(4)

式中：bij為第i個(gè)狀態(tài)變量xi的狀態(tài)方程中第j個(gè)控制量uj的放大系數(shù)；hi,outer(i=1,2,3)為影響狀態(tài)變化的外部擾動(dòng)。

ADRC以串聯(lián)積分器為標(biāo)準(zhǔn)型[23]。把輸入輸出標(biāo)準(zhǔn)型之外的部分看作總擾動(dòng)，包括內(nèi)擾和外擾。內(nèi)擾是指標(biāo)準(zhǔn)型之外的系統(tǒng)內(nèi)部未建模部分，外擾是指影響輸出的外部擾動(dòng)。由于這兩者都對(duì)輸出有影響，所以可以把總擾動(dòng)當(dāng)作系統(tǒng)的一個(gè)狀態(tài)，使用系統(tǒng)的輸入輸出來(lái)觀測(cè)總擾動(dòng)。在這里把第i個(gè)狀態(tài)方程等號(hào)右邊biiui和hi,outer之外的部分看作第i個(gè)輸入輸出通道的內(nèi)擾hi,inner，以第1個(gè)方程為例：

(5)

再考慮對(duì)第1個(gè)輸出有影響的外部擾動(dòng)h1,outer，則該通道的總擾動(dòng)為

h1,all=h1,inner+h1,outer

(6)

于是

(7)

將總擾動(dòng)h1,all看作這個(gè)輸入輸出通道的一個(gè)狀態(tài)。令z1=y1，z2=h1,all，則有

(8)

圖2　單個(gè)輸入輸出通道的線性自抗擾控制(ADRC)Fig.2　Linear active disturbance rejection controller (ADRC) of one input and one output channel

(9)

式中：l1、l2為觀測(cè)器增益，將z1=y1代入并整理，可得

(10)

于是可得觀測(cè)器系數(shù)矩陣為

將矩陣A的特征值都取為-wo，并稱wo為觀測(cè)器的帶寬[13]。則有

(11)

(12)

在輸入量中消去總擾動(dòng)的影響，稱u1,virtual為消去總擾動(dòng)之前的虛擬控制量，構(gòu)造

(13)

代入式(7)，可得

(14)

可見，虛擬控制量u1,virtual與輸出y1之間的關(guān)系化為ADRC的標(biāo)準(zhǔn)型。對(duì)于這個(gè)簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)型，使用一個(gè)簡(jiǎn)單的比例控制即可：

(15)

則對(duì)于第1個(gè)輸入輸出通道，有

(16)

將控制器帶寬和觀測(cè)器帶寬的關(guān)系選擇為wo=2wc，則該回路控制器的設(shè)計(jì)僅需要知道b11，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)b11的精度在50%以上即可，故可以使用數(shù)據(jù)擬合的方法來(lái)獲得。而需要整定的參數(shù)只有wc。

對(duì)于式(4)所示系統(tǒng)的3個(gè)輸入輸出通道，都按照上述示例對(duì)第1個(gè)通道的處理方法，把輸入輸出標(biāo)準(zhǔn)型之外的部分看作總擾動(dòng)，使用LESO根據(jù)回路輸入輸出來(lái)觀測(cè)總擾動(dòng)，并在輸入量中消去總擾動(dòng)的影響，如圖3所示，3個(gè)線性ADRC將系統(tǒng)解耦為3個(gè)控制回路。解耦后的系統(tǒng)為

(17)

可見，3個(gè)閉環(huán)控制回路之間已經(jīng)解耦了。

圖3　三輸入三輸出系統(tǒng)解耦控制Fig.3　Decoupling control of system with three inputs and three outputs

將3個(gè)線性ADRC分別嵌入到3個(gè)用于閉環(huán)控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)中：用Wf控制n1,cor,rel按期望值變化；用A8控制πeprs按期望值變化；用AVABI 3控制πl(wèi)epr，保持πl(wèi)epr=1.05。再將相應(yīng)的開環(huán)控制算法分別嵌入到其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)中。即實(shí)現(xiàn)了完全分布式控制系統(tǒng)智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

3　總線通信方案

CAN總線的高性能與低成本得到了廣泛的認(rèn)可，在國(guó)內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)分布式控制系統(tǒng)研究中也廣為應(yīng)用[24-29]，本文在變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)完全分布式控制系統(tǒng)中也選用CAN總線。CAN的底層協(xié)議采用事件觸發(fā)機(jī)制，有可能會(huì)導(dǎo)致報(bào)文碰撞，從而導(dǎo)致報(bào)文的接收有可能存在不可預(yù)知的延遲，尤其是當(dāng)總線受到干擾使得報(bào)文發(fā)送或接收失敗頻繁出現(xiàn)時(shí)，某些低優(yōu)先級(jí)的報(bào)文會(huì)由于高優(yōu)先級(jí)報(bào)文長(zhǎng)時(shí)間占用總線而被阻塞，使得整個(gè)系統(tǒng)性能遭到破壞，不滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)這樣的安全關(guān)鍵系統(tǒng)的要求。CANaerospace協(xié)議將總線上的時(shí)間劃分為一個(gè)個(gè)最小時(shí)間幀(MinorTimeFrame)。在最小時(shí)幀上設(shè)置參數(shù)的“傳輸插槽(TransmissionSlot)”。有些傳輸插槽用來(lái)在每一個(gè)最小時(shí)幀傳輸固定的周期性參數(shù)的報(bào)文；有些傳輸插槽用來(lái)在不同最小時(shí)幀輪流傳輸某些不同的周期性參數(shù)的報(bào)文；剩余的傳輸插槽用于傳輸非周期參數(shù)的報(bào)文。這樣，每一個(gè)周期性傳輸參數(shù)的報(bào)文在總線上的傳輸情況都是確定的。

如圖1所示，共計(jì)12個(gè)SS模塊和10個(gè)SA模塊需要使用總線通信。由于控制計(jì)算分散到智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，所以實(shí)現(xiàn)控制功能所需的參數(shù)值由SS模塊通過(guò)總線發(fā)送到SA模塊，如表1所示。

表1　通過(guò)總線傳輸?shù)膮?shù)值

其中，Δn2等3個(gè)非周期傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為傳感器數(shù)值超出其限制的值，當(dāng)傳感器數(shù)值超限時(shí)，根據(jù)這個(gè)值的大小和超限持續(xù)時(shí)間，將這個(gè)超限量發(fā)送到PLA或所有執(zhí)行結(jié)構(gòu)，以拉低PLA值或直接調(diào)整控制量。

一個(gè)CANaerospace報(bào)文采用擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符并使用數(shù)據(jù)段全部的8個(gè)字節(jié)，再加入幀間部分(3位)和一定數(shù)量的填充位(取最大18位)，這樣一個(gè)報(bào)文長(zhǎng)度為：108+3+18=129位。使用CAN總線的最大傳輸速率1 Mbit/s，則一個(gè)CANaerospace報(bào)文需要129 μs的傳送時(shí)間。以20 ms為最小時(shí)幀，則每個(gè)最小時(shí)間幀可以傳輸155個(gè)報(bào)文，即每個(gè)最小時(shí)間幀可提供155個(gè)數(shù)據(jù)傳輸插槽。將這些數(shù)據(jù)傳輸插槽按圖4進(jìn)行設(shè)計(jì)。由圖4可見周期性數(shù)據(jù)傳輸占有了155個(gè)傳輸插槽中的13個(gè)，考慮系統(tǒng)使用雙余度熱備份，總線負(fù)載約為16.77%，可見總線還有充足的剩余帶寬(大于80%)可以用來(lái)傳輸非周期性的超限數(shù)據(jù)和其他診斷、管理數(shù)據(jù)。這說(shuō)明在上述通信方案下，將采用CANaerospace高層協(xié)議的CAN總線作為變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)完全分布式控制系統(tǒng)的通信總線是可行的。

圖4　傳輸插槽的使用Fig.4　Use of transmission slots

4　仿真驗(yàn)證

圖5為變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)完全分布式控制仿真系統(tǒng)。如圖5所示，使用TrueTime工具箱中的TrueTime Kernel模塊仿真12個(gè)智能傳感器和10個(gè)智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的計(jì)算單元，使用TrueTime Network模塊仿真通信總線。在總線類型中選擇CAN總線，在計(jì)算單元的代碼中實(shí)現(xiàn)線性ADRC和CANaerospace高層協(xié)議，在Simulink環(huán)境中建立了變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)完全分布式控制系統(tǒng)。使用變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)部件級(jí)模型[30]對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

在高度H=0 km，馬赫數(shù)Ma=0，油門桿角度PLA=55°，對(duì)應(yīng)n1,cor,rel=0.9，πeprs,rel=0.9。通過(guò)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)部件級(jí)模型的仿真數(shù)據(jù)擬合[31]得到b11=0.62，b22=-15.39，b33=-1.39。將觀測(cè)器帶寬均取為控制器帶寬的2倍，通過(guò)觀察仿真效果整定了3個(gè)線性ADRC的控制器帶寬：wc1=5，wc2=10，wc3=10。

對(duì)3種情況下變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的工作情況進(jìn)行仿真。油門桿角度由55°上升到65°，對(duì)應(yīng)n1,cor,rel與πeprs,rel的期望值由0.9上升到1.0，πl(wèi)epr,rel的期望值保持不變。第1種情況為高度H=0 km，馬赫數(shù)Ma=0，控制對(duì)象為新發(fā)動(dòng)機(jī)；第2種情況為H=12 km，Ma=0.5，控制對(duì)象為新發(fā)動(dòng)機(jī)；第3種情況為H=12 km，Ma=0.5，控制對(duì)象為工作較長(zhǎng)時(shí)間后性能嚴(yán)重退化的發(fā)動(dòng)機(jī)。性能退化情況如表2 所示。表2中：FAN表示風(fēng)扇，CDFS表示核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇級(jí)，HPC表示高壓壓氣機(jī)，HPT表示高壓渦輪，LPT表示低壓渦輪。風(fēng)扇、高壓壓氣機(jī)、高壓渦輪、低壓渦輪的流量因子和效率因子的變化情況來(lái)自于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)嚴(yán)重退化數(shù)據(jù)，在這里將核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇級(jí)的退化情況取為與風(fēng)扇相同。

圖5　變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)完全分布式控制仿真系統(tǒng)Fig.5　Simulation of variable cycle engine fully distributed control system

表2　發(fā)動(dòng)機(jī)部件的退化情況

圖6給出了3種情況下的仿真輸出曲線?？梢?，控制器工作正常，控制效果良好。這說(shuō)明所設(shè)計(jì)的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)完全分布式控制系統(tǒng)可以在飛行狀態(tài)較大變化以及發(fā)動(dòng)機(jī)退化較為嚴(yán)重時(shí)，仍然能夠正常工作。

圖6　3種情況下n1,cor,rel,πeprs,rel和πl(wèi)epr,rel的變化曲線Fig.6　Variation curves of n1,cor,rel,πeprs,reland πl(wèi)epr,rel in three situations

圖7為新發(fā)動(dòng)機(jī)和性能退化發(fā)動(dòng)機(jī)在仿真過(guò)程中的燃燒室出口總溫變化曲線。可見，性能退化發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室出口總溫高于新發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室出口總溫，發(fā)動(dòng)機(jī)性能退化后性能保證的代價(jià)是以犧牲其他氣動(dòng)熱力參數(shù)而獲得的。

圖7　新發(fā)動(dòng)機(jī)和性能退化發(fā)動(dòng)機(jī)的Tt4變化曲線Fig.7　Tt4 variation curves of new engine and aging engine

5　結(jié)　論

1) 基于線性自抗擾控制器(ADRC)解耦的分散控制算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，需要的已知信息和待整定參數(shù)少，便于工程實(shí)現(xiàn)，適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)完全分布式控制。

2) 采用CANareospace高層協(xié)議的CAN總線可以滿足變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)完全分布式控制的通信需求，并且有較多余量可以用于系統(tǒng)未來(lái)擴(kuò)展。

3) 在地面、高空和發(fā)動(dòng)機(jī)健康嚴(yán)重退化的情況下的仿真結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)完全分布式控制系統(tǒng)具有較好的魯棒性，有一定的工程應(yīng)用前景。

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謝振偉男， 博士研究生。主要研究方向： 變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)建模與分布式控制。

Tel: 029-88431121

E-mail: xzw2008200916@mail.nwpu.edu.cn

郭迎清男， 博士， 教授， 博士生導(dǎo)師。主要研究方向： 航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制與健康管理。

Tel: 029-88431121

E-mail: yqguo@nwpu.edu.cn

姜彩虹女， 博士， 研究員。主要研究方向： 航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制與健康管理。

E-mail: henry.lucent@163.com

田飛龍男， 碩士研究生。主要研究方向： 航空發(fā)動(dòng)機(jī)分布式控制。

E-mail: tianfeilong0@mail.nwpu.edu.cn

李睿超男， 博士研究生。主要研究方向： 航空發(fā)動(dòng)機(jī)分布式控制。

E-mail: herohere@mail.nwpu.edu.cn

Fully distributed control of variable cycle engine

XIE Zhenwei1, GUO Yingqing1,*, JIANG Caihong2, TIAN Feilong1, LI Ruichao1

1. School of Power and Energy, Northwestern Polytechnical University, Xi’an710129, China 2. Shenyang Aeroengine Design and Research Institute, Aero-Engine Corporation of China, Shenyang110015, China

Adopting distributed control architecture can reduce the weight of the variable cycle engine control and conducive to the development and expansion of the system. A fully distributed control architecture is proposed. The calculations of control algorithm are completely distributed to the smart actuators. And the parameter values required for the calculation are sent to the smart actuator by smart sensors through a serial data bus. The main work of developing fully distributed control for variable cycle engine is to design decentralized control algorithm and the bus communication program. The coupling of control loops is considered part of the total disturbance. Through estimating the total disturbance and cancelling it in the control signal by linear active disturbance rejection controller (ADRC), decentralized control is realized. Based on the CAN bus hardware, a time triggered bus communication program is designed using the CANaerospace higher layer protocol. Thus the fully distributed control system of variable cycle engine is realized. A simulation system is built in the MATLAB/Simulink environment with TrueTime toolbox. TrueTime Kernel modules are used to simulate computing units of smart actuators and smart sensors. TrueTime Network module is used to simulate CAN bus. The linear ADRC and CANaerospace protocol are written to the computing unit. The simulation results show that the established variable cycle engine fully distributed control system could adapt to a wide range of intake status and changes in health status of the engine and has strong robustness.

variable cycle engine; fully distributed control; linear active disturbance rejection control; decentralized control; CANaerospace protocol

2015-04-17； Revised： 2015-05-12； Accepted： 2015-12-29； Published online： 2016-01-2611:49

s： Advanced Aeroengine Technology Research Program; Project Funded by Science and Technology on Scramjet Laboratory

. Tel.： 029-88431121E-mail: yqguo@nwpu.edu.cn

2015-04-17； 退修日期： 2015-05-12； 錄用日期： 2015-12-29；

時(shí)間： 2016-01-2611:49

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20160126.1149.002.html

國(guó)家先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究計(jì)劃； 高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)資助項(xiàng)目

.Tel.： 029-88431121E-mail: yqguo@nwpu.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2015.0361

V231

A

1000-6893(2016)06-1809-10

引用格式： 謝振偉, 郭迎清, 姜彩虹, 等. 變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)完全分布式控制[J]． 航空學(xué)報(bào), 2016, 37(6): 1809-1818. XIE Z W, GUO Y Q, JIANG C H, et al. Fully distributed control of variable cycle engine[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(6): 1809-1818.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

URL： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20160126.1149.002.html