基于LMI的开式循环涡轮机系统鲁棒控制器设计
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摘要
鱼雷的战术性能主要取决于其采用的动力装置，而鱼雷动力装置的综合性能在很大程度上又取决于其采用的控制系统。随着科技的迅猛发展，现代海战对鱼雷的航程、航速、航深及机动性要求越来越高，在鱼雷动力装置中应用先进的控制系统，提高动力装置的综合性能，就显得尤为迫切。
本论文以开式循环涡轮机系统为研究对象，建立了描述其运动学和动力学特性的非线性数学模型，并对该模型进行了仿真，分析了涡轮机系统的稳态特性和过渡过程。通过对已建立的数学模型进行线性化处理，得到了涡轮机系统的结构参数摄动的状态空间模型。之后基于线性矩阵不等式(LMI)方法，求解得到了涡轮机系统的鲁棒状态反馈控制器。对加入反馈控制之后的系统进行仿真，仿真结果表明设计的控制器较好的实现了鱼雷的定深变速，定速变深以及变深变速等机动要求。
The tactical qualities of torpedo depend on the torpedo propulsion system. When a propulsion system is selected, the qualities of the propulsion were mostly decided by the control system applied on it. Higher and higher qualities were required to adapt to the modern warfare. Modern torpedoes need to be faster, cruise father and submerge deeper. It is urgent to apply advanced control theory to the design of the control system.
In this thesis, open-loop turbine engine is studied. The exact kinematic and dynamic formulas of open-loop turbine engine have been built. The stationary state and the transition process have been analyzed. The structural parameters perturbed state-space model has been built through the linearization of the kinematic and the dynamic formulas. And the state feedback controller was designed based on the LMI (Linear Matrix Inequality) theory. The simulation result with the state feedback indicates that the controller can promote the performance of the whole system. In the speed- changing process of the same depth, the respond time was decreased. And there is hardly any error in the depth-changing process of the same speed.
本论文以开式循环涡轮机系统为研究对象，建立了描述其运动学和动力学特性的非线性数学模型，并对该模型进行了仿真，分析了涡轮机系统的稳态特性和过渡过程。通过对已建立的数学模型进行线性化处理，得到了涡轮机系统的结构参数摄动的状态空间模型。之后基于线性矩阵不等式(LMI)方法，求解得到了涡轮机系统的鲁棒状态反馈控制器。对加入反馈控制之后的系统进行仿真，仿真结果表明设计的控制器较好的实现了鱼雷的定深变速，定速变深以及变深变速等机动要求。
The tactical qualities of torpedo depend on the torpedo propulsion system. When a propulsion system is selected, the qualities of the propulsion were mostly decided by the control system applied on it. Higher and higher qualities were required to adapt to the modern warfare. Modern torpedoes need to be faster, cruise father and submerge deeper. It is urgent to apply advanced control theory to the design of the control system.
In this thesis, open-loop turbine engine is studied. The exact kinematic and dynamic formulas of open-loop turbine engine have been built. The stationary state and the transition process have been analyzed. The structural parameters perturbed state-space model has been built through the linearization of the kinematic and the dynamic formulas. And the state feedback controller was designed based on the LMI (Linear Matrix Inequality) theory. The simulation result with the state feedback indicates that the controller can promote the performance of the whole system. In the speed- changing process of the same depth, the respond time was decreased. And there is hardly any error in the depth-changing process of the same speed.
引文
[1] 石秀华，水中兵器概论(鱼雷部分)，西安：西北工业大学出版社，1995
[2] 赵寅生，鱼雷涡轮机原理，西安：西北工业大学出版社，2002
[3] 刘训谦，鱼雷推进剂及供应系统，西安：西北工业大学出版社，1987
[4] 马世杰，鱼雷动力装置设计原理，北京：兵器工业出版社，1992
[5] 徐德民，鱼雷自动控制系统，西安：西北工业大学出版社，1991
[6] 罗凯，党建军，王育才，水下热动力系统自动控制，西安：西北工业大学出版社，2005
[7] 罗凯，党建军，王育才，水下涡轮发动机动力推进系统数学模型，交通运输工程学报，2006，Vol6，No 3：35-38
[8] 罗凯，党建军，王育才，超大航深下涡轮发动机系统的闭环控制，交通运输工程学报，2005，Vol 5：56-60
[9] 周雪琴，计算机控制系统，西安：西北工业大学出版，1995
[10] 康凤举，现代仿真技术与应用，北京：国防工业出版社，2001
[11] 王晓峰，王立梅，康锐等，参数不确定系统的广义对象模型描述及鲁棒控制设计，电机与控制学报，2002，Vol 6：56-59
[12] 王曦，曾庆福，航空发动机结构参数和非结构参数不确定系统鲁棒H_∞输出反馈控制，航空动力学报，1999，Vol 14，No 3：305-308
[13] 李剑，谢寿生，丁康乐，航空发动机全飞行包线小偏差动态数学模型，空军工程大学学报(自然科学版)，2002，Vol 3，No 5：12-16
[14] 冯正平，孙健国，航空发动机小偏差状态变量模型的建立方法，推进技术，2001，Vol 22，No1：54-57
[15] 李秋红，孙健国，基于遗传算法的航空发动机状态变量模型建立方法，航空动力报，2001，Vol 21，No 2，427-431
[16] 郑铁军，王曦，罗秀芹等，建立航空发动机状态空间模型的修正方法，推进技术，2005，Vol 26，No 1：46-49
[17] 王广雄，李连峰，王新生，鲁帮设计中参数不确定的描述，电机与控制学报，2001，Val 5．No 1：5-15
[18] 王广雄，王晓峰，毛刚，鲁棒设计中的状态空间模型，控制理论与应用，1999，Vol 16，No 2：252-254
[19] 李中健，安锦文，全包线飞行控制系统设计方法研究，飞行力学，2001，Vol 19，No 1：5-8
[20] 冯正平，黄金泉，蔡红武等，一种建立航空发动机状态变量模型的新方法，航空动力学报，1998，Vol13，No 4，435-438
[21] YONG-YAN CAO, JAMES LAMS, YOU-XIAM SUNS, Static Output Feedback Stabilization: An ILMI Approaeh, Automatia, 1998, Vol, 34, No 12: 1641-1645
[22] Lihua Xie, Minyue Fu, Hoo Control and Quadratic Stabilization of Systems with Parameter Uncertainty Via Output Feedback, IEEE TRANSACTIONS ON AUTOMATIC CONTROL, 1992, VOL37, NO 8
[19] PRAMOD P, KHARGONEKAR, H∞-Optirnal Control with State-Feedback, IEEE TRANSACTIONS ON AUTOMATIC CONTROL, 1988, VOL 33, NO 8
[23] 宋志明，复速级鱼雷涡轮机工作过程仿真研究，西北工业大学硕士学位论文，2001
[24] 李佐成，开式循环鱼雷热动力装置结构参数摄动系统鲁棒H_∞控制，西北工业大学博士学位论文，2001
[25] 吴旭光，控制系统计算机仿真，西安：西北工业大学出版社，1990
[26] 穆向阳，吴旭光，王晓利，基于LMI的鲁棒控制器设计，西安石油学院学报(自然科学版)，2002，Vol 17：63-68
[27] 樊春霞，基于线性矩阵不等式的不确定非线性系统Ha控制，自动测量与控制2006，Vol，25：57-59
[28] 谢光华，曾庆福，基于LMI的航空发动机鲁棒H_∞控制器设计，航空学报，2000，Vol21：175-178
[29] 谢光华，曾庆福，基于LMI的结构摄动系统二次稳定裕度分析，推进技术，2000，Vol 21：41-44
[30] 吕跃飞，黎中伟，熊学泉，航空发动机多变量PI型鲁棒控制器，航空学报，1997，VOL18：412-416
[31] Keqin Gu, H_∞ Control of Systems Under Norm Bounded Uncertainties in all System Matrices, IEEE TRANSACTIONS ON AUTOMATIC CONTROL, 1994, VOL 39: 1320-1322
[32] Lihua Xie, Minyue Fu, H_∞ Control and Quadratic Stabilization of Systems with Parameter Uncertainty Via Output Feedback, IEEETRANSACTIONS ON AUTOMATIC CONTROL, 1992, VOL37, NO 8: 1253-1256
[33] 高金凤，潘海鹏，MATLAB LMI工具箱在鲁棒稳定性分析中的运用，机电工程，2003，Vol 20，No 5：106-108
[34] 王曦，韩乃湘，李喜发等，航空发动机鲁棒H_∞／PI状态反馈控制，推进技术，2003，Vol 24，No4：364-367
[35] 范训礼，吴旭光，于茜等，基于LMI的不确定性系统的鲁棒滤波方法，系统工程与电子技术，2000，Vol22，No 18：14-16
[36] 陈虹，陈国琳，冷文军，基于LMI的液压操舵系统H2／H_∞控制器设计，船舶工程，2002，No 6：42-46
[37] 陈增强，王新华，袁著祉，基于LMI方法的不确定性系统PID控制器设计，吉林大学学报(工学版)，2004，Vol 34，No 3：418-421
[38] 欧阳华，一类不确定非线性系统鲁棒控制的LMI方法，北京大学学报(自然科学版)，2004，第40卷，第5期：722-728
[39] 王曦，覃道亮，一种基于LMI的航空发动机输出反馈PI控制，推进技术，2004，第25卷第6期：530-534
[40] 申铁龙，H_∞控制理论及应用，北京：清华大学出版社，1996
[41] 俞立，鲁棒控制线性矩阵不等式处理方法，北京：清华大学出版社，2002
[42] 周立功，ARM嵌入式系统基础教程，北京：北京航空航天大学出版社，2005
[43] 周立功，ARM嵌入式系统试验教程，北京：北京航空航天大学出版社，2005
[44] 阙志宏，线性系统理论，西安：西北工业大学出版社，1995
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