本發(fā)明涉及航空發(fā)動機(jī)控制，尤其涉及一種面向航空發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的無擾切換控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、切換系統(tǒng)控制技術(shù)在航空航天、機(jī)械系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、工業(yè)流程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用背景，正受到越來越多的關(guān)注。隨著對系統(tǒng)性能要求的提升，在保證閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的前提下，瞬態(tài)性能的提升也成為一大研究熱點(diǎn)。由于彈性無擾切換控制器增益的切換，切換系統(tǒng)的控制輸入在增益切換時刻存在跳變，這會降低航空發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的瞬態(tài)性能，甚至帶來安全隱患。無擾切換為這一問題提供了解決思路，其目的是通過彈性觀測器、彈性無擾切換控制器等部件的綜合設(shè)計來減少甚至消除控制信號的顛簸，使切換系統(tǒng)接收到一個較為平滑的輸入信號，從而提升系統(tǒng)的瞬態(tài)性能。

2、隨著信息物理系統(tǒng)技術(shù)與切換系統(tǒng)技術(shù)的相互滲透與融合，航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)依賴程度日益提高。然而，網(wǎng)絡(luò)的開放性和脆弱性給航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)帶來了新的安全挑戰(zhàn)，尤其是遭受到惡意對手攻擊時，系統(tǒng)可能接收不到或者接收到錯誤的測量信號及控制信號，這將影響航空發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時控制。dos（denial?of?service）攻擊作為一種典型的網(wǎng)絡(luò)攻擊，由于不需要獲取被攻擊系統(tǒng)的模型等數(shù)據(jù)，容易被惡意攻擊者發(fā)起。當(dāng)航空發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的測量部件與控制部件之間受到dos攻擊時，彈性無擾切換控制器接收不到來自傳感器的測量信號，傳統(tǒng)的彈性無擾切換控制器將此時的測量信號設(shè)置為0，這將增加控制信號的不連續(xù)性。如何設(shè)計一種安全有效的控制方法，既能應(yīng)對dos攻擊帶來的穩(wěn)定性問題，保證閉環(huán)系統(tǒng)的收斂性，又能減少切換和dos攻擊造成的控制信號顛簸，實(shí)現(xiàn)無擾切換控制，是當(dāng)前航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)研究中的一個重要問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種面向航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的多模態(tài)無擾切換控制方法及系統(tǒng)。

2、本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思是：在dos攻擊激活區(qū)間和休眠區(qū)間采用不同的彈性觀測器增益和彈性無擾切換控制器增益，通過dos休眠區(qū)間內(nèi)系統(tǒng)更強(qiáng)的收斂性來補(bǔ)償dos激活區(qū)間的弱收斂或發(fā)散，從而保證閉環(huán)系統(tǒng)的安全性。同時，通過無擾約束將彈性無擾切換控制器增益限制在一個恒定的控制增益附近，從而減少由切換和dos攻擊造成的控制信號顛簸，實(shí)現(xiàn)dos攻擊下航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的無擾切換控制。

3、本發(fā)明技術(shù)方案如下：

4、s1：基于航空發(fā)動機(jī)所處的多個工作點(diǎn)將航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)線性化為多個子系統(tǒng)，依據(jù)所述線性化的子系統(tǒng)建立控制系統(tǒng)的切換系統(tǒng)模型；

5、具體基于航空發(fā)動機(jī)所處的多個工作點(diǎn)，如馬赫數(shù)、飛行高度等，將航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)線性化為多個子系統(tǒng)，從而建立多模態(tài)航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的切換系統(tǒng)模型：

6、????????????????(2.1)，

7、其中，是不可測的系統(tǒng)狀態(tài)，是系統(tǒng)狀態(tài)的導(dǎo)數(shù)，是控制輸入，是測量輸出，、和分別表示維、維和維的實(shí)向量空間，是切換信號，是切換系統(tǒng)的子系統(tǒng)數(shù)目。當(dāng)時，令（），表示第個子系統(tǒng)被激活，其中和是相鄰的兩個切換瞬間，、和是具有適當(dāng)維數(shù)的系統(tǒng)矩陣。

8、s2：基于dos攻擊的持續(xù)時間和頻率，將航空發(fā)動機(jī)系統(tǒng)是否受到dos攻擊劃分為dos激活模態(tài)和dos休眠模態(tài)，并建立dos攻擊區(qū)間轉(zhuǎn)換信號；

9、s21：確定dos攻擊的持續(xù)時間和頻率；

10、dos攻擊的能量通常是有限的，借助于切換系統(tǒng)控制理論，表示為dos攻擊持續(xù)時間和頻率受限的形式，令和分別表示時間區(qū)間上的dos激活區(qū)間和dos休眠區(qū)間，令和分別表示時間區(qū)間上dos激活區(qū)間和dos休眠區(qū)間的總長度，即滿足=t-；表示時間區(qū)間上dos攻擊的發(fā)生次數(shù)，則，

11、dos攻擊持續(xù)時間：在區(qū)間內(nèi)存在常數(shù)和對于所有時刻滿足

12、???????????????????(2.2)，

13、dos攻擊頻率：在區(qū)間內(nèi)存在常數(shù)和對于所有時刻滿足

14、????????????????????(2.3)，

15、s22：基于所述dos攻擊模型建立dos攻擊區(qū)間轉(zhuǎn)換信號；

16、其中，表示系統(tǒng)遭受到dos攻擊，即處于dos激活區(qū)間，表示系統(tǒng)處于dos休眠區(qū)間；當(dāng)時，為0或1，表示dos激活區(qū)間和休眠區(qū)間之間發(fā)生轉(zhuǎn)換的時刻，表示之后的下一個轉(zhuǎn)換時刻。

17、s3：基于所述切換系統(tǒng)模型和dos攻擊區(qū)間轉(zhuǎn)換信號，構(gòu)造彈性觀測器模型和彈性無擾切換控制器模型；

18、基于切換系統(tǒng)模型中的切換信號和dos攻擊區(qū)間轉(zhuǎn)換信號，構(gòu)造彈性觀測器模型和彈性無擾切換控制器模型如下：

19、彈性觀測器模型為：

20、?????(2.4)，

21、式中，是彈性觀測器狀態(tài)，是彈性觀測器狀態(tài)的導(dǎo)數(shù)，是彈性觀測器輸出，和分別表示維和維的實(shí)向量空間，是彈性觀測器收到的測量輸出，是切換信號，是切換系統(tǒng)的子系統(tǒng)數(shù)目，當(dāng)時，令（），表示第個子系統(tǒng)被激活，是dos攻擊區(qū)間轉(zhuǎn)換信號，表示系統(tǒng)處于dos激活區(qū)間，表示系統(tǒng)處于dos休眠區(qū)間，和是具有適當(dāng)維數(shù)的系統(tǒng)矩陣，是與切換信號和dos攻擊區(qū)間轉(zhuǎn)換信號相關(guān)的彈性觀測器增益，和分別是在dos休眠區(qū)間和dos激活區(qū)間內(nèi)待設(shè)計的彈性觀測器增益。

22、此外，當(dāng)dos攻擊區(qū)間轉(zhuǎn)換信號處于休眠區(qū)間時，即時，彈性觀測器輸出；當(dāng)dos攻擊區(qū)間轉(zhuǎn)換信號處于激活區(qū)間時，即時，彈性觀測器輸出。

23、彈性無擾切換控制器模型為：

24、?????????????????????????(2.5)，

25、滿足以下條件：

26、??????????????????(2.6)，

27、式中，是與切換信號和dos攻擊區(qū)間轉(zhuǎn)換信號相關(guān)的彈性無擾切換控制器增益，和分別是在dos休眠區(qū)間和dos激活區(qū)間內(nèi)待設(shè)計的彈性無擾切換控制器增益；同時，彈性無擾切換控制器增益滿足無擾切換約束條件(2.6)。是根據(jù)航空發(fā)動機(jī)系統(tǒng)參數(shù)自行選定的參考彈性無擾切換控制器增益。是量化無擾切換性能的參數(shù)，與切換信號和dos攻擊區(qū)間轉(zhuǎn)換信號相關(guān)，在滿足系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的要求下，其數(shù)值越小，表示無擾切換效果越好。特別地，當(dāng)參數(shù)、（）選擇為同一數(shù)值時，(2.6)式右側(cè)系數(shù)簡化為。無擾切換約束條件(2.6)將系統(tǒng)的控制輸入與平滑的參考信號之間的差值限制在一定范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)無擾切換。

28、s4：將所述彈性觀測器模型和彈性無擾切換控制器模型帶入切換系統(tǒng)模型，分別推導(dǎo)所述dos激活模態(tài)和dos休眠模態(tài)下的動態(tài)方程，得到閉環(huán)系統(tǒng)模型；

29、結(jié)合(2.1)、(2.4)和(2.5)，得到閉環(huán)系統(tǒng)方程為

30、?????????????????????????(2.7)，

31、其中，

32、，

33、，

34、，

35、，

36、表示彈性觀測器狀態(tài)和觀測誤差構(gòu)成的擴(kuò)維狀態(tài)，表示擴(kuò)維狀態(tài)的導(dǎo)數(shù)，表示閉環(huán)系統(tǒng)中的系統(tǒng)矩陣，是dos休眠模態(tài)下的系統(tǒng)矩陣，是dos激活模態(tài)下的系統(tǒng)矩陣，表示彈性觀測器狀態(tài)與系統(tǒng)狀態(tài)之間的誤差。

37、s5：對所述閉環(huán)系統(tǒng)模型基于時間依賴切換信號，計算所述彈性觀測器增益與彈性無擾切換控制器增益：

38、具體包括以下步驟：

39、s51：定義時間依賴切換信號：

40、記為切換信號在時間區(qū)間上的切換次數(shù)，存在標(biāo)量和對于所有時刻滿足

41、?????????????????????(2.8)，

42、其中，被稱作平均駐留時間，并且被稱作顛振界。

43、s52：基于所述時間依賴切換信號和dos攻擊區(qū)間轉(zhuǎn)換信號，在dos休眠區(qū)間和dos激活區(qū)間內(nèi)構(gòu)造李雅普諾夫函數(shù)；

44、

45、其中，（）為李雅普諾夫函數(shù)，，，、和為正定矩陣。

46、s53：基于所述dos休眠區(qū)間和dos激活區(qū)間內(nèi)構(gòu)造的李雅普諾夫函數(shù)和切換系統(tǒng)穩(wěn)定性理論，建立彈性觀測器與彈性無擾切換控制器的增益選取模型；

47、具體方法是選定正定矩陣、、，矩陣、、、、，正常數(shù)、、、、、，以及常數(shù)對于滿足

48、???????????????????????(2.9)，

49、????????????????(2.10)，

50、??????????????????????(2.11)，

51、??????????????????????(2.12)，

52、????????????????????(2.13)，

53、?????????????????????(2.14)，

54、????????????????????(2.15)，

55、????????????????????(2.16)，

56、????????????????????(2.17)，

57、其中，，，。

58、不等式(2.9)保證了在dos休眠區(qū)間，單個子系統(tǒng)運(yùn)行期間的成立。不等式(2.10)保證了在dos激活區(qū)間，單個子系統(tǒng)運(yùn)行期間的成立。不等式(2.11)和(2.12)保證了無擾切換條件(2.6)的成立。不等式(2.13)到(2.16)約束了多李雅普諾夫函數(shù)在切換時刻和dos攻擊發(fā)起與結(jié)束時刻的增量。由于，不等式(2.17)與以上條件共同保證了閉環(huán)系統(tǒng)在上的指數(shù)收斂性。

59、s54：基于所述彈性觀測器與彈性無擾切換控制器的增益選取模型，利用舒爾補(bǔ)原理和矩陣放縮方法對其進(jìn)行優(yōu)化，建立彈性觀測器與彈性無擾切換控制器增益的線性矩陣不等式計算模型；

60、具體方法是對條件(2.9)到(2.17)進(jìn)行優(yōu)化，得到彈性觀測器與彈性無擾切換控制器增益計算的線性矩陣不等模型：選定矩陣、、，矩陣、、、、，正常數(shù)、、、、、，以及常數(shù)對于滿足

61、????????????????????(2.18)，

62、??????????????(2.19)，

63、???????????????????(2.20)，

64、????????????????????(2.21)，

65、????????????????(2.22)，

66、?????????????????(2.23)，

67、??????????????(2.24)，

68、??????????????(2.25)，

69、????????????????(2.26)，

70、其中，，。

71、s55：通過對所述彈性觀測器與彈性無擾切換控制器增益的線性矩陣不等式計算模型求解，得到彈性觀測器增益和彈性無擾切換控制器增益；

72、其中，彈性觀測器增益：，，

73、彈性無擾切換控制器增益：，，

74、式中，、、、和是求解矩陣不等式組(2.18)到(2.26)過程中得到的矩陣，滿足以下等式：

75、,,??????(2.27)，

76、,,????????(2.28)，

77、當(dāng)以上不等式有解時，在dos休眠區(qū)間，單個子系統(tǒng)運(yùn)行期間成立，在dos激活區(qū)間，單個子系統(tǒng)運(yùn)行期間成立，由于，因而dos休眠區(qū)間內(nèi)系統(tǒng)更強(qiáng)的收斂性補(bǔ)償了dos激活區(qū)間的弱收斂或發(fā)散，閉環(huán)系統(tǒng)的安全性得到保證。同時，所設(shè)計的彈性無擾切換控制器也滿足無擾切換條件(2.6)，也就是，所求得的彈性無擾切換控制器增益、與參考彈性無擾切換控制器增益盡可能的接近，從而將系統(tǒng)的控制輸入與平滑的參考信號之間的差值限制到極小，實(shí)現(xiàn)無擾切換控制。

78、一種面向航空發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的無擾切換控制系統(tǒng)，包括：

79、切換系統(tǒng)模塊：用于基于航空發(fā)動機(jī)所處的多個工作點(diǎn)建立控制系統(tǒng)的切換系統(tǒng)模型；

80、dos攻擊區(qū)間轉(zhuǎn)換信號模塊，用于基于dos攻擊的持續(xù)時間和頻率，將航空發(fā)動機(jī)系統(tǒng)是否受到dos攻擊劃分為dos激活模態(tài)和dos休眠模態(tài)，并建立dos激活模態(tài)和dos休眠模態(tài)的dos攻擊區(qū)間轉(zhuǎn)換信號；

81、彈性觀測器和彈性無擾切換控制器構(gòu)建模塊，用于基于所述切換系統(tǒng)模型和dos攻擊區(qū)間轉(zhuǎn)換信號，構(gòu)造彈性觀測器模型和彈性無擾切換控制器模型；

82、閉環(huán)系統(tǒng)模型構(gòu)建模塊：用于將所述彈性觀測器模型和彈性無擾切換控制器模型帶入切換系統(tǒng)模型，分別推導(dǎo)所述dos激活模態(tài)和dos休眠模態(tài)下的動態(tài)方程，得到閉環(huán)系統(tǒng)模型；

83、增益計算模塊：用于對所述閉環(huán)系統(tǒng)模型基于時間依賴切換信號，計算所述彈性觀測器增益與彈性無擾切換控制器增益。

84、本發(fā)明的有益效果在于：

85、對于采用切換系統(tǒng)建模的航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計了一個與駐留時間相關(guān)的切換信號和基于彈性觀測器的彈性無擾切換控制器來鎮(zhèn)定dos攻擊下的系統(tǒng)。將切換和dos攻擊引起的控制顛簸歸一化處理，所設(shè)計的彈性無擾切換控制器可以同時減少或消除兩種因素造成的控制信號顛簸。本發(fā)明方法優(yōu)化了可解性條件，能夠解決航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的在dos攻擊下的無擾切換控制問題。