Simulink开发项1000例实战专栏--实例146：使用MATLAB/Simulink平台，设计并实现一种适用于涡扇发动机的闭环控制系统

基于Simulink的航空发动机控制系统设计与仿真

1. 背景介绍

基于Simulink的航空发动机控制系统设计与仿真

1. 背景介绍

1.1 项目背景

航空发动机是飞机的核心动力装置，其性能直接影响飞行器的安全性、经济性和可靠性。现代航空发动机控制系统需要具备高精度、快速响应和强鲁棒性的特点，以适应复杂的飞行环境和任务需求。

本项目旨在使用MATLAB/Simulink平台，设计并实现一种适用于涡扇发动机的闭环控制系统，通过调节燃油流量、压气机叶片角度等控制变量，确保发动机在不同工况下稳定运行，并满足推力需求。

1.2 系统描述

航空发动机控制系统主要由以下部分组成：

传感器模块：检测发动机转速、温度、压力等状态参数。
控制器模块：根据目标推力和实际状态计算控制指令。
执行机构模块：包括燃油计量装置（FMU）、可变几何结构（如压气机叶片角度调节）等。
发动机模型模块：描述发动机的动力学特性。

目标是设计一种高效的控制策略，使航空发动机在各种飞行条件下保持稳定运行，并优化燃油效率。

1.3 应用场景

起飞阶段：提供最大推力以满足起飞需求。
巡航阶段：优化燃油效率，降低油耗。
加速/减速阶段：快速响应推力变化需求。
故障模式：检测异常并采取保护措施。

2. 系统架构设计

2.1 系统框图

整个系统可以分为以下几个模块：

传感器模块：检测发动机状态参数（如转速、温度、压力）。
控制器模块：根据目标推力和实际状态计算燃油流量和叶片角度。
发动机模型模块：模拟发动机的动力学行为。
输出显示模块：用于显示发动机状态（如转速误差、推力输出和燃油流量）。

系统框图如下所示：

深色版本

传感器输入 → [控制器模块] → [发动机模型模块] → 输出显示
↓                                ↑
反馈信号                      控制指令

3. Simulink仿真模型步骤

3.1 创建Simulink模型

打开MATLAB并新建一个Simulink模型文件。
定义模型名称为AeroEngineControl.

matlab

深色版本

modelName = 'AeroEngineControl';
new_system(modelName);
open_system(modelName);

3.2 添加模块

3.2.1 发动机模型模块

定义涡扇发动机的动力学模型，采用非线性微分方程组描述其行为。

matlab

深色版本

add_block('simulink/User-Defined Functions/Matlab Function', [modelName '/Engine_Model']);
set_param([modelName '/Engine_Model'], 'Mask', 'on');
set_param([modelName '/Engine_Model'], 'MaskDisplay', 'Engine Model');

% 在Matlab Function中定义发动机模型
function [N, T, F] = fcn(FuelFlow, VaneAngle, N0, T0, F0)
    % 参数定义
    K_fuel = 0.05; K_vane = 0.02; R = 0.98;
    
    % 动力学方程
    dN_dt = K_fuel * FuelFlow + K_vane * VaneAngle - R * N0;
   dT_dt = 0.1 * FuelFlow - 0.05 * T0;
    dF_dt = 0.2 * FuelFlow - 0.1 * F0;
    
    % 更新状态变量
    N = N0 + dN_dt;
    T = T0 + dT_dt;
    F = F0 + dF_dt;
end

3.2.2 控制器模块

设计基于PID的控制器，计算燃油流量和叶片角度。

matlab

深色版本

add_block('simulink/User-Defined Functions/Matlab Function', [modelName '/Controller']);
set_param([modelName '/Controller'], 'Mask', 'on');
set_param([modelName '/Controller'], 'MaskDisplay', 'Controller');

% 在Matlab Function中定义控制器
function [FuelFlow, VaneAngle] = fcn(ThrustDemand, ThrustActual, N_actual)
    % 参数定义
    Kp_thrust = 10; Ki_thrust = 2; Kd_thrust = 5;
    Kp_speed = 5; Ki_speed = 1; Kd_speed = 3;
    
    % 计算推力误差
    ThrustError = ThrustDemand - ThrustActual;
    
    % 推力控制
    ThrustControl = Kp_thrust * ThrustError + Ki_thrust * integral(ThrustError) + Kd_thrust * derivative(ThrustError);
    
    % 转速控制
    SpeedError = 1 - N_actual; % 目标转速为1
    SpeedControl = Kp_speed * SpeedError + Ki_speed * integral(SpeedError) + Kd_speed * derivative(SpeedError);
    
    % 分配控制量
    FuelFlow = ThrustControl + SpeedControl;
    VaneAngle = 0.5 * ThrustControl;
end

3.2.3 传感器模块

添加“Step”模块作为推力需求输入。

matlab

深色版本

add_block('simulink/Sources/Step', [modelName '/Thrust_Demand']);
set_param([modelName '/Thrust_Demand'], 'StepTime', '5'); % 设置推力需求变化时间为5秒
set_param([modelName '/Thrust_Demand'], 'FinalVal', '50'); % 设置目标推力为50 kN

3.2.4 输出显示模块

添加一个“Scope”模块用于显示发动机状态（如转速误差和推力输出）。

matlab

深色版本

add_block('simulink/Sinks/Scope', [modelName '/Output_Scope']);

添加一个“To Workspace”模块将输出数据保存到MATLAB工作区。

matlab

深色版本

add_block('simulink/Sinks/To Workspace', [modelName '/Data_Logger']);
set_param([modelName '/Data_Logger'], 'VariableName', 'outputData');
set_param([modelName '/Data_Logger'], 'SaveFormat', 'Array');

3.3 连接模块

将各个模块按照系统框图连接起来。

matlab

深色版本

% 连接推力需求到控制器
add_line(modelName, '/Thrust_Demand/1', '/Controller/1', 'autorouting', 'on');

% 连接控制器到发动机模型
add_line(modelName, '/Controller/1', '/Engine_Model/1', 'autorouting', 'on');
add_line(modelName, '/Controller/2', '/Engine_Model/2', 'autorouting', 'on');

% 连接发动机模型到输出显示
add_line(modelName, '/Engine_Model/1', '/Output_Scope/1', 'autorouting', 'on');

% 连接发动机模型到数据记录器
add_line(modelName, '/Engine_Model/1', '/Data_Logger/1', 'autorouting', 'on');

3.4 设置仿真参数

设置仿真时间为60秒。

matlab

深色版本

set_param(modelName, 'StopTime', '60'); % 设置仿真时间为60秒
save_system(modelName); % 保存模型

4. 示例代码片段

以下是一个完整的基于Simulink的航空发动机控制系统设计与仿真过程。

matlab

深色版本

% Step 1: Define model name and create a new system
modelName = 'AeroEngineControl';
new_system(modelName);
open_system(modelName);

% Step 2: Add Engine Model
add_block('simulink/User-Defined Functions/Matlab Function', [modelName '/Engine_Model']);
set_param([modelName '/Engine_Model'], 'Mask', 'on');
set_param([modelName '/Engine_Model'], 'MaskDisplay', 'Engine Model');

% 在Matlab Function中定义发动机模型
function [N, T, F] = fcn(FuelFlow, VaneAngle, N0, T0, F0)
    K_fuel = 0.05; K_vane = 0.02; R = 0.98;
    dN_dt = K_fuel * FuelFlow + K_vane * VaneAngle - R * N0;
    dT_dt = 0.1 * FuelFlow - 0.05 * T0;
    dF_dt = 0.2 * FuelFlow - 0.1 * F0;
    N = N0 + dN_dt;
    T = T0 + dT_dt;
    F = F0 + dF_dt;
end

% Step 3: Add Controller
add_block('simulink/User-Defined Functions/Matlab Function', [modelName '/Controller']);
set_param([modelName '/Controller'], 'Mask', 'on');
set_param([modelName '/Controller'], 'MaskDisplay', 'Controller');

% 在Matlab Function中定义控制器
function [FuelFlow, VaneAngle] = fcn(ThrustDemand, ThrustActual, N_actual)
    Kp_thrust = 10; Ki_thrust = 2; Kd_thrust = 5;
    Kp_speed = 5; Ki_speed = 1; Kd_speed = 3;
    ThrustError = ThrustDemand - ThrustActual;
    ThrustControl = Kp_thrust * ThrustError + Ki_thrust * integral(ThrustError) + Kd_thrust * derivative(ThrustError);
    SpeedError = 1 - N_actual;
    SpeedControl = Kp_speed * SpeedError + Ki_speed * integral(SpeedError) + Kd_speed * derivative(SpeedError);
    FuelFlow = ThrustControl + SpeedControl;
    VaneAngle = 0.5 * ThrustControl;
end

% Step 4: Add Thrust Demand Input
add_block('simulink/Sources/Step', [modelName '/Thrust_Demand']);
set_param([modelName '/Thrust_Demand'], 'StepTime', '5');
set_param([modelName '/Thrust_Demand'], 'FinalVal', '50');

% Step 5: Add Output Scope
add_block('simulink/Sinks/Scope', [modelName '/Output_Scope']);

% Step 6: Add Data Logger
add_block('simulink/Sinks/To Workspace', [modelName '/Data_Logger']);
set_param([modelName '/Data_Logger'], 'VariableName', 'outputData');
set_param([modelName '/Data_Logger'], 'SaveFormat', 'Array');

% Step 7: Connect Blocks
add_line(modelName, '/Thrust_Demand/1', '/Controller/1', 'autorouting', 'on');
add_line(modelName, '/Controller/1', '/Engine_Model/1', 'autorouting', 'on');
add_line(modelName, '/Controller/2', '/Engine_Model/2', 'autorouting', 'on');
add_line(modelName, '/Engine_Model/1', '/Output_Scope/1', 'autorouting', 'on');
add_line(modelName, '/Engine_Model/1', '/Data_Logger/1', 'autorouting', 'on');

% Step 8: Set Simulation Parameters
set_param(modelName, 'StopTime', '60');
save_system(modelName);