王 超

(交通運(yùn)輸部救助打撈局，北京 100736 )

0 引言

渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為現(xiàn)代飛機(jī)的關(guān)鍵組件之一，其具有較為復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的非線性特性[1]，對(duì)飛機(jī)的性能和安全起著至關(guān)重要的作用。為了保障渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和航空安全，轉(zhuǎn)速控制至關(guān)重要[2]。渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制不僅直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和效率，還與燃油霧化、振動(dòng)、沖擊等因素密切相關(guān)[3]。因此，對(duì)于渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制需要一種適應(yīng)性強(qiáng)、能夠應(yīng)對(duì)非線性特性的控制方法。在轉(zhuǎn)速控制中，模糊控制是一種常用的非線性控制方法，其具有工作范圍寬、對(duì)參數(shù)變化和外部干擾具有較好的魯棒性等特點(diǎn)[4]，因此，它能夠較好地適應(yīng)渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜性和不確定性。通過(guò)模糊控制的調(diào)整，可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的精確控制，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性和運(yùn)行效率[5]。

目前在渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制中，主要有以下幾種研究，文獻(xiàn)[6]提出，將PID參數(shù)的實(shí)時(shí)值作為參數(shù)增量值的輸入值，得到反饋增益矩陣，在此基礎(chǔ)上，建立平衡點(diǎn)線性化模型，通過(guò)模型對(duì)渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的自適應(yīng)模糊進(jìn)行控制，該方法下工作量較大，必須采用插值的方式進(jìn)行參數(shù)的求解，使得系統(tǒng)不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)讀控制效果較差。文獻(xiàn)[7]提出，對(duì)環(huán)境的變化進(jìn)行研究，采用自適應(yīng)控制律，讓系統(tǒng)跟蹤參考模型，該方法具有較好的解耦效果，但約束條件較多，不能夠滿足復(fù)雜信息的交互，控制效果一般。文獻(xiàn)[8]提出，建立三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的非線性特點(diǎn)，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究，并通過(guò)模糊解耦控制器，對(duì)渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的自適應(yīng)模糊進(jìn)行控制，該方法下其控制器自學(xué)習(xí)能力較強(qiáng)，能夠及時(shí)修正模糊規(guī)則，控制效果較好，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

為了進(jìn)一步提升渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制的性能，本文以這些研究成果為基礎(chǔ)，引入自適應(yīng)模糊控制，提出一種渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的自適應(yīng)模糊控制技術(shù)。自適應(yīng)模糊控制結(jié)合了自適應(yīng)控制和模糊控制的優(yōu)勢(shì)，能夠根據(jù)實(shí)時(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)和外部干擾進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)[9]。通過(guò)自適應(yīng)模糊控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)整和優(yōu)化，從而提高轉(zhuǎn)速控制的精確性和穩(wěn)定性[10]。

本文以PID控制器為基礎(chǔ)，對(duì)模糊邏輯進(jìn)行模糊化處理得到隸屬度函數(shù)，推理模糊機(jī)制并去模糊化得到渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的模糊輸出值；將模糊子集的參數(shù)作為控制器的主要參數(shù)，設(shè)計(jì)渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的模糊控制器；根據(jù)三角形隸屬度函數(shù)的特性，設(shè)置兩個(gè)模態(tài)緩沖，使發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)能夠逐漸收斂到期望的狀態(tài)。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行論述，確保后續(xù)自適應(yīng)模糊控制的效果。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則，為了將轉(zhuǎn)速波動(dòng)控制在較小的范圍內(nèi)，基于模糊控制器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速扭矩參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的自適應(yīng)模糊控制。最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證本文方法的控制效果，以期為改善渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制性能提供一定參考，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提高飛機(jī)安全性和可靠性的目標(biāo)。

1 渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的自適應(yīng)模糊控制

在渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的自適應(yīng)模糊控制中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)模糊控制是一種重要的方法，它可以根據(jù)實(shí)時(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)和外部干擾進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)更精確和穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速控制[11]。

1.1 模糊控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制中，模糊控制器是實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)的核心部分。為了有效達(dá)到對(duì)渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，設(shè)計(jì)一個(gè)有效的模糊控制器可以提高轉(zhuǎn)速控制的精度和響應(yīng)速度。

模糊控制器是一種基于模糊推理機(jī)制的控制器，用于處理模糊或不確定的輸入，并生成相應(yīng)的控制信號(hào)。它的結(jié)構(gòu)通常由模糊化、模糊推理和去模糊化這3個(gè)部分組成[12]。

模糊化是將清晰的輸入值轉(zhuǎn)換為模糊集合的過(guò)程。它通過(guò)隸屬度函數(shù)來(lái)量化輸入值的隸屬度，反映其與模糊集合之間的關(guān)系。在模糊化的過(guò)程中，常見的隸屬度函數(shù)包括三角形、梯形和高斯等函數(shù)。由于參數(shù)較少，操作和調(diào)整起來(lái)更加簡(jiǎn)單和方便[13]，且其在實(shí)際應(yīng)用中更加適用于對(duì)渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的自適應(yīng)模糊控制，故在本次研究中，采用三角形隸屬度函數(shù)F。其表達(dá)式如式(1)所示：

(1)

其中：a表示隸屬度函數(shù)的左頂點(diǎn)，是輸入變量在模糊集合中的起始值，b表示隸屬度函數(shù)的峰值或拐點(diǎn)，是輸入變量的峰值位置或轉(zhuǎn)折點(diǎn)，c表示隸屬度函數(shù)的右頂點(diǎn)，是輸入變量在模糊集合中的結(jié)束值。

對(duì)壓力環(huán)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)進(jìn)氣壓力時(shí)間常數(shù)，比發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的時(shí)間小，則按照參數(shù)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)速誤差，具體如式(2)所示：

(2)

其中：X表示連接權(quán)重參數(shù)，C表示輸出層的連接權(quán)參數(shù)，V表示激活函數(shù)，B表示輸入狀態(tài)參數(shù)，Z表示連接權(quán)重向量，則按照網(wǎng)絡(luò)反向傳播，對(duì)參數(shù)進(jìn)行更新，得到其效用函數(shù)，具體如式(3)所示：

(3)

其中：M表示網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，A表示網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)率，S表示學(xué)習(xí)率初始值，一般為0.001，按照效用函數(shù)，對(duì)參數(shù)進(jìn)行更新，得到參數(shù)更新規(guī)則，具體如式(4)所示：

(4)

其中：F表示收斂參數(shù)，G表示主燃油流量變化值，H表示參數(shù)控制精度，J表示主燃油流量變化值，按照更新參數(shù)，得到自適應(yīng)動(dòng)態(tài)參數(shù)，具體如式(5)所示：

(5)

其中：Q表示動(dòng)作的二次型參數(shù)，W表示網(wǎng)絡(luò)傳播誤差，E表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，在考慮網(wǎng)絡(luò)更新速度下，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理[14]。按照自適應(yīng)動(dòng)態(tài)參數(shù)，在以一維狀態(tài)為輸入?yún)?shù)下，對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其參數(shù)配置如表1所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

按照網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，采用高斯函數(shù)，對(duì)隸屬度函數(shù)進(jìn)行確定，具體如式(6)所示：

(6)

其中：T表示模糊子集的中心，Y表示分布寬度，I表示隸屬函數(shù)。

根據(jù)模糊化處理的結(jié)果對(duì)其進(jìn)行模糊推理，使用模糊推理中的模糊交運(yùn)算(fuzzy AND)和模糊或運(yùn)算(fuzzy OR)來(lái)處理輸入的隸屬度值，假設(shè)輸入變量為x和y，模糊交是計(jì)算多個(gè)輸入變量的隸屬度值之間的交集的過(guò)程，模糊或是用于計(jì)算多個(gè)輸入變量的隸屬度值之間的并集的過(guò)程，具體如式(7)所示：

(7)

其中：I′表示輸出的隸屬值，∧表示模糊交運(yùn)算符，∨表示模糊并運(yùn)算符。

去模糊化是將模糊輸出轉(zhuǎn)換為清晰的控制信號(hào)的過(guò)程，本文采用重心法來(lái)完成這一步操作。通過(guò)求解模糊輸出與其隸屬度函數(shù)之間的面積重心來(lái)確定控制信號(hào)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(8)所示：

(8)

其中：E表示渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的模糊輸出值。

將模糊子集的參數(shù)作為控制器的主要參數(shù)，形成渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速模糊控制器[15]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模糊控制器

再通過(guò)求解特征方程的根的方式，計(jì)算特征多項(xiàng)式的極點(diǎn)。將計(jì)算得到的極點(diǎn)進(jìn)行歸一化處理，將極點(diǎn)的數(shù)值范圍映射到[0，1]之間，以便更好地進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化。通過(guò)選擇合適的三角形隸屬度函數(shù)來(lái)表示參數(shù)，以此更準(zhǔn)確地描述參數(shù)的取值范圍和隸屬度[16]。輸入與輸出的三角形隸屬度函數(shù)如圖2所示。

圖2 三角形隸屬度函數(shù)

根據(jù)三角形隸屬度函數(shù)的特性，可以在發(fā)動(dòng)機(jī)切換時(shí)刻將飛行包線進(jìn)行區(qū)域劃分，并增加時(shí)間緩沖，這樣做的目的是確保相鄰模態(tài)控制器的凸組合成為主要模式，以實(shí)現(xiàn)平滑的過(guò)渡。對(duì)相等階次的導(dǎo)數(shù)進(jìn)行求解，通過(guò)對(duì)導(dǎo)數(shù)的計(jì)算，可以獲得發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的變化趨勢(shì)，并據(jù)此進(jìn)行相鄰模態(tài)之間的緩沖控制。通過(guò)設(shè)置兩個(gè)模態(tài)進(jìn)行緩沖，可以將發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)輸出狀態(tài)進(jìn)行一定程度的收斂，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行自適應(yīng)模糊控制。其緩沖控制如圖3所示。

圖3 模態(tài)緩沖控制示意圖

由圖3可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的自適應(yīng)模糊控制中，這種緩沖和收斂的機(jī)制起到了關(guān)鍵作用。它能夠平穩(wěn)地調(diào)整模態(tài)之間的切換，避免突變和不穩(wěn)定的情況出現(xiàn)。通過(guò)兩個(gè)模態(tài)的緩沖，在過(guò)渡期間，可以逐步調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)控制信號(hào)，使其逐漸收斂到期望的狀態(tài)[17]。

1.2 轉(zhuǎn)速模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由前述模糊控制器構(gòu)成轉(zhuǎn)速模糊控制系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)模糊控制的關(guān)鍵在于如何根據(jù)實(shí)時(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)和外部干擾來(lái)調(diào)整模糊控制器的參數(shù)和規(guī)則，以適應(yīng)不同的工作條件和環(huán)境變化[18]。本文根據(jù)模糊控制器結(jié)構(gòu)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其框架如圖4所示。

圖4 控制框架圖

在圖4中，Memory為具有存儲(chǔ)功能的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于存儲(chǔ)過(guò)去的狀態(tài)和經(jīng)驗(yàn)，以便在需要時(shí)進(jìn)行回顧和參考。Critic網(wǎng)絡(luò)用于評(píng)估當(dāng)前狀態(tài)和行動(dòng)的效用值，根據(jù)從Memory輸入的狀態(tài)信息和選擇的行動(dòng)來(lái)計(jì)算對(duì)應(yīng)的效用值，將符合效用值標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)輸入到控制器局域網(wǎng)通信協(xié)議CAN TJA 1040和航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，將不符合效用值標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)輸入到備用Memory模塊中，以待傳輸至Actor網(wǎng)絡(luò)。Actor網(wǎng)絡(luò)用于生成控制信號(hào)，即根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)選擇最佳的行動(dòng)，它的輸出作為控制器的指令匯總到新的Memory模塊中，并構(gòu)成效用函數(shù)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)和效用函數(shù)之間相互作用，再加上控制器局域網(wǎng)CAN和CAN TJA 1040之間進(jìn)行的通信和數(shù)據(jù)交換，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

在此基礎(chǔ)上，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速模型進(jìn)行識(shí)別，得到的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的模型識(shí)別結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的模型識(shí)別結(jié)構(gòu)

由圖5可知，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層、隱含層和輸出層共同構(gòu)成。根據(jù)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，確定需要考慮的輸入變量和輸出變量，例如轉(zhuǎn)速誤差和轉(zhuǎn)速變化率等。為每個(gè)輸入變量和輸出變量選擇合適的隸屬函數(shù)，如三角形、梯形或高斯函數(shù)等[19]。

1.3 控制規(guī)則及轉(zhuǎn)速扭矩參數(shù)的調(diào)整

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模糊規(guī)則，用以描述輸入變量和輸出變量之間的關(guān)系。為了將轉(zhuǎn)速波動(dòng)控制在較小的范圍內(nèi)，對(duì)變化率的調(diào)整規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，基于模糊控制器的參數(shù)，使用語(yǔ)言值來(lái)描述論域[20]。為了保證模糊子集能夠更好地覆蓋上述基本論域，同時(shí)減少所需的計(jì)算量，將模糊語(yǔ)言值設(shè)置為負(fù)較大(DF)、負(fù)較小(GH)、零(Z)、正較小(PS)、正較大(CD)5種，即{DF，GH，Z，PS，CD}，從而建立參數(shù)調(diào)整規(guī)則表，具體如表2所示。

表2 參數(shù)調(diào)整規(guī)則表

按照調(diào)整規(guī)則表，可以建立兩個(gè)規(guī)則，具體如下：當(dāng)隸屬函數(shù)中的參數(shù)取較大值時(shí)，系統(tǒng)的快速跟蹤性能將得到加強(qiáng)，此時(shí)應(yīng)選擇較小的模糊推理值；而當(dāng)隸屬函數(shù)中的參數(shù)取較小值時(shí)，系統(tǒng)的快速跟蹤性能將會(huì)降低，故此時(shí)應(yīng)選擇較大的模糊推理值。按照這兩個(gè)規(guī)則，得到其自整定數(shù)值的關(guān)系圖，具體如圖6所示。

圖6 模糊自整定數(shù)值關(guān)系圖

在渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的自適應(yīng)模糊控制中，調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速扭矩參數(shù)是一個(gè)重要的步驟，它可以對(duì)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速扭矩參數(shù)是用于描述發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系的參數(shù)，不同的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速扭矩參數(shù)可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的響應(yīng)速度、穩(wěn)定性和能耗等方面產(chǎn)生不同的影響。故在本小節(jié)中，首先通過(guò)1.1小節(jié)設(shè)計(jì)的模糊控制器，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速扭矩參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

按照模糊自整定數(shù)值關(guān)系，進(jìn)行模糊推理，得到其調(diào)整后的輸出量，具體如式(9)所示：

O=∑P·(z+x)

(9)

其中：P為調(diào)整規(guī)則下的轉(zhuǎn)變參數(shù)，z為反函數(shù)，x為偏差函數(shù)，從而得到調(diào)整后的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速扭矩參數(shù)g，具體如式(10)所示：

(10)

其中：v為模糊子集的中心元素，k為集合的分辨率，n為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的時(shí)間，m為網(wǎng)絡(luò)時(shí)間延時(shí)，從而得到調(diào)整后的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速扭矩參數(shù)。

通過(guò)以上步驟，可以設(shè)計(jì)出一個(gè)完整的模糊控制器，用于實(shí)現(xiàn)渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。在實(shí)際應(yīng)用中，還可以根據(jù)需要對(duì)模糊控制器進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和調(diào)整，以滿足具體的轉(zhuǎn)速控制要求。

2 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證和評(píng)估所提出的自適應(yīng)模糊控制方法的性能和有效性，進(jìn)一步了解渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性。在本節(jié)中，將介紹所進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)以及對(duì)仿真結(jié)果的分析，旨在驗(yàn)證和評(píng)估渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的自適應(yīng)模糊控制方法的性能。

2.1 仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

首先，建立一個(gè)渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。該模型包括發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制器以及與之相關(guān)的傳感器和執(zhí)行器。為了模擬真實(shí)的工作環(huán)境，考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的非線性特性、外部干擾以及參數(shù)變化等因素，采集了渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，并結(jié)合其他關(guān)鍵參數(shù)，如油門開度、環(huán)境溫度等，以獲得全面的仿真數(shù)據(jù)。使用Matlab/Simulink平臺(tái)，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)模糊規(guī)則表，選用Simulink構(gòu)建發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)本文所述方法調(diào)整參數(shù)，設(shè)計(jì)模糊控制器仿真模型，如圖7所示。

圖7 模糊控制器仿真模型

設(shè)置其發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速模型參數(shù)，其參數(shù)如表3所示。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速模型參數(shù)

以所建立的模型為基礎(chǔ)，調(diào)整參數(shù)，進(jìn)而展開仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析。

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)

設(shè)置仿真實(shí)驗(yàn)的控制器參數(shù)，并按照公式計(jì)算其參數(shù)，如表4所示。

表4 仿真實(shí)驗(yàn)的控制器參數(shù)

對(duì)模型的輸入、輸出參數(shù)，進(jìn)行歸一化處理，對(duì)變量采用三角形隸屬度函數(shù)，在此基礎(chǔ)上，使用3種控制方法設(shè)置對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并對(duì)以上控制參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。使用本文設(shè)計(jì)方法為實(shí)驗(yàn)組，以基于模糊誤差判斷算法的渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的自適應(yīng)模糊控制方法為對(duì)比方法一，以基于平滑切換策略的渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的自適應(yīng)模糊控制方法為對(duì)比方法2，對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，具體如下所示。

2.3 仿真結(jié)果與分析

基于前述仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛥?shù)，應(yīng)用本文方法、文獻(xiàn)[6]中的基于平滑切換策略的航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制方法、文獻(xiàn)[8]中的基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償?shù)暮娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)自適應(yīng)控制方法3種方法對(duì)渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制效果進(jìn)行驗(yàn)證，仿真實(shí)驗(yàn)每次進(jìn)行26 s，其中，前20 s為未應(yīng)用任何方法進(jìn)行控制的狀態(tài)，在20 s后分別應(yīng)用3種方法進(jìn)行控制。

首先，應(yīng)用本文設(shè)計(jì)方法，驗(yàn)證其對(duì)渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制效果，具體控制結(jié)果如圖8所示。

圖8 本文設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)速控制效果

從圖8中可以看出，在未施加任何方法對(duì)渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的前20 s內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化幅度較大，通常在2 000～5 500 rpm之間振蕩變化。在應(yīng)用本文設(shè)計(jì)方法后，能夠較好地將渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制在3 000 rpm附近小波動(dòng)振蕩，說(shuō)明在使用本文設(shè)計(jì)的方法對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制后，其轉(zhuǎn)速的波動(dòng)得到了有效的控制，由此初步證明本文方法對(duì)渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制效果較好。

接著，應(yīng)用文獻(xiàn)[6]方法，驗(yàn)證其對(duì)渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制效果，得到其對(duì)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制情況，具體如圖9所示。

圖9 文獻(xiàn)[6]方法轉(zhuǎn)速控制效果

從圖9中可以看出，在應(yīng)用了文獻(xiàn)[6]方法之后，渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速得到了一定的控制，相對(duì)比控制之前波動(dòng)明顯減小，能夠保證在3 000 rpm附近波動(dòng)，但相比于本文方法的應(yīng)用效果而言，其波動(dòng)幅度稍大，說(shuō)明發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在一定程度上得到了控制，但控制效果總體一般。

最后，應(yīng)用文獻(xiàn)[8]方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證其對(duì)渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制效果，得到其對(duì)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制情況，具體如圖10所示。

圖10 文獻(xiàn)[8]方法轉(zhuǎn)速控制效果

從圖10中可以看出，在應(yīng)用文獻(xiàn)[8]方法之后，渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速得到了一定的控制，相對(duì)比控制之前波動(dòng)明顯減小，總體維持在2 000～3 500 rpm之間波動(dòng)，但相比于本文方法和文獻(xiàn)[6]方法的應(yīng)用效果而言，其波動(dòng)幅度更大，說(shuō)明其雖然對(duì)渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行了控制，但控制效果較差。

對(duì)以上結(jié)果進(jìn)行綜合分析，可以得到當(dāng)階躍干擾為10 N·m時(shí)，隨著時(shí)間的增加，其轉(zhuǎn)速的波動(dòng)情況如表5所示。

表5 階躍干擾為10 N·m轉(zhuǎn)速波動(dòng)情況

當(dāng)階躍干擾為15 N·m時(shí)，其轉(zhuǎn)速的波動(dòng)情況如表6所示。

表6 階躍干擾為15 N·m轉(zhuǎn)速波動(dòng)情況

根據(jù)表5和表6中的數(shù)據(jù)，首先，當(dāng)階躍干擾為10 N·m時(shí)，在本文設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用下，隨著時(shí)間的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)相對(duì)較小。平均而言，轉(zhuǎn)速波動(dòng)在11.38～17.77 rpm之間。而文獻(xiàn)[6]和[8]的方法在同樣的階躍干擾下，轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，分別在33.13～39.43 rpm和73.52～79.55 rpm之間。這表明本文設(shè)計(jì)的自適應(yīng)模糊控制方法，在階躍干擾為10 N·m時(shí)，能夠?qū)⑥D(zhuǎn)速波動(dòng)保持在較小的范圍內(nèi)，更有效地控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。接下來(lái)，當(dāng)階躍干擾為15 N·m時(shí)，本文設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用在這種情況下仍然能夠有效地控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速波動(dòng)的平均值在11.69～17.81 rpm之間，相對(duì)較小。而文獻(xiàn)[6]方法和文獻(xiàn)[8]方法的轉(zhuǎn)速波動(dòng)分別在33.13～39.43 rpm和75.39～79.55 rpm之間。由此說(shuō)明，在階躍干擾為15 N·m時(shí)，本文設(shè)計(jì)的自適應(yīng)模糊控制方法仍能夠保持轉(zhuǎn)速波動(dòng)在較小的范圍內(nèi)。

綜合以上仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：本文設(shè)計(jì)的自適應(yīng)模糊控制方法在不同階躍干擾下，相對(duì)于文獻(xiàn)[6]方法和文獻(xiàn)[8]方法，能夠更好地控制渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，并將轉(zhuǎn)速波動(dòng)情況維持在較小的范圍內(nèi)。這表明本文設(shè)計(jì)的自適應(yīng)模糊控制方法具有較好的性能和穩(wěn)定性，可應(yīng)用于實(shí)際的渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制問(wèn)題，進(jìn)行了自適應(yīng)模糊控制的研究。通過(guò)設(shè)計(jì)模糊控制器、調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速扭矩參數(shù)以及引入自適應(yīng)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的自適應(yīng)模糊控制，并對(duì)其性能進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)與分析。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)與分析，驗(yàn)證了所提出的自適應(yīng)模糊控制方法的性能和有效性。仿真結(jié)果表明，相比于對(duì)比方法，本文設(shè)計(jì)的自適應(yīng)模糊控制方法在不同階躍干擾下能夠更好地控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，并將轉(zhuǎn)速波動(dòng)情況維持在較小的范圍內(nèi)。這證明了該方法在渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制中具有較好的適應(yīng)能力和穩(wěn)定性。然而，本研究還存在一些局限性。首先，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的自適應(yīng)模糊控制，未來(lái)仍可以進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化模糊控制器的設(shè)計(jì)和參數(shù)調(diào)整方法；其次，在本次研究的仿真實(shí)驗(yàn)中，目前只考慮了特定的工況和干擾情況，未來(lái)的研究可以進(jìn)一步擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)范圍并開展實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，考慮更多的實(shí)際工況和環(huán)境因素。希望本研究的成果能夠?qū)ο嚓P(guān)領(lǐng)域的學(xué)者和工程師提供有益的指導(dǎo)和啟發(fā)，推動(dòng)渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用。