基于模糊PID冲压发动机推力控制系统研究

摘 要：作为航空飞行器的动力装置，冲压发动机以其高推比性能日益应用广泛，其控制系统的好坏直接影响着其工作性能。推力控制系统是冲压发动机控制系统的重要组成部分，良好的推力控制器使其在复杂环境和比较宽的马赫数下获得很好的鲁棒性。本文利用MATALB仿真软件的Simulink工具箱建立推力控制系统的仿真模型，采用模糊PID控制方法对冲压发动机推力回路进行控制，通过调节参数，设计出高性能的控制器。其后对设计出的模糊PID控制器进行动稳态性能、鲁棒性、抗干扰性以及跟踪性的测试，并将其控制结果与设计的传统PI控制以及鲁棒控制的结果进行对比分析。仿真结果表明，设计的模糊PID控制器在动稳态性能、鲁棒性、抗干扰性以及跟踪性能方面，都可以达到很好的性能。

关 键 字：冲压发动机；推力控制系统；模糊PID；MATLAB；鲁棒性

中图分类号：TP27 文献标识码：A

1 引 言

随着航空飞行器的不断发展，其性能要求越来越高，而工作环境越来越复杂，必须设计良好的控制系统满足复杂环境下不断提高的工作性能需求。

国内外对冲压发动机的推力控制均有研究，文献[1]对超燃冲压发动机的推进系统部分进行控制系统研究，文献[2-3]应用鲁棒控制器对推力控制回路部分进行控制，其研究结果都能达到了给定的鲁棒性性能要求。但冲压发动机参数变化范围较大，只能提高有限的性能 [4]，如果系统要求更高的性能，就必须研究更好的控制策略。传统PID控制器[5]的控制算法及结构比较简单，可以满足基本的性能要求[3]，但达不到很好的性能，而采用智能型PID自整定控制器[6]，将传统PID控制和智能控制相结合，可以满足更高的性能。

本文利用模糊PID控制算法[7-9]对推力回路进行控制，并进行各方面性能的测试，其仿真结果表明，根据模糊PID控制设计的推力控制器可以使系统的动态性能得到进一步改善。

2 被控对象数学模型

6 结语

本文通过简化的数学模型，在SIMULINK软件上对冲压发动机推力控制部分设计了模糊PID控制器， 并做出了各种测试信号的响应曲线，与文献[3]中设计的鲁棒控制器及传统的PI控制器的响应曲线做了比较。从结果可以看出，所设计的模糊PID控制器可以很好的保证推力变化的快速性、稳定性、抗干扰性以及不受系统的不确定性的影响，保证系统各种性能优于文献[3]的鲁棒控制器以及传统PI控制器。在将来的研究中，希望根据仿真的基础进行半实物仿真，并考虑更多的不稳定因素对被控对象的影响，使系统在复杂的环境中表现更高的性能。模糊PID控制方法可以运用于性能要求比较高的控制系统，如航空飞行器的控制系统，使其在复杂的工作条件下实现系统的快速性以及稳定性，具有很好的现实意义和应用前景。

参考文献（References）：

[1] W Curran， P Stiglic. Hypersonic Research Engine Integated Propulsion Control [J]. Journal of Aircraft.1971，8（8）： 652-656.

[2] 杨朗. 冲压发动机推力控制系统研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学硕士论文，2006.

[3] 高耸. 超燃冲压发动机推力控制系统设计[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学硕士论文，2010.

[4] M Heller， G Sachs. Flight dynamics and robust control of a hypersonic test vehicle with ramjet propulsion [C]. AIAA Meeting paper 1998-1521，1998.

[5] K Astrom， T Hagglund.PID controller： Theory， Design， and Tuning[M]. America： Instrument Society of America，1995.

[6] K J Astrom， C C Hang， P Persson， W K Ho. Towards intelligent PID control [J].Automatica，1992，28（1）：1-9

[7] H Ying.An analytical study on structure， stability and design of general nonlinear Takagi-Sugeno fuzzy control systems [J]. Automatica，1998，34（12）：1617-1623.

[8] 闻新. MATLAB模糊逻辑工具箱的分析与应用

[9] 耿瑞. 基于MATLAB的自适应模糊PID控制系统计算机仿真[J]. 信息技术. 2007（01） ：43-46.