POWER COORDINATION / LIMIT PROTECTION
MPRG-LPV
多约束参考整形
面向无大容量储能缓冲的 1 MW 级串联涡电推进系统，在负载指令进入内环前在线重塑电机转速参考，协调功率需求与发动机安全裕度。
63% 峰值功率失配降幅
2.955 ms 硬件最大步时
98.7% → 99.5% APRBS 工况 Np 最低值
机械功率链涡轴发动机 / 齿轮箱 / 发电机
电能变换链整流 / 升压 / DC 母线 / 逆变
推进负载链4 × 推进电机与涵道风扇
01 / PHYSICAL MECHANISM
负载侧参考整形机理
系统不配置推进功率缓冲电池或超级电容，四台推进电机的功率变化会经电力电子链路快速传递到动力涡轮轴。恒功率负载要求在轴速下降时提高电磁负载转矩，形成与转速扰动相反的增量阻尼，进一步放大 Np 下跌。
推进功率需求突变
轴速下降时负载转矩上升
燃油回路加速补偿
Np、SM、T4 接近边界
Tload = PCPL / ωp
ΔTload ≈ -PCPL / ωp2 · Δωp
- 系统规模
- 1 MW 级串联涡电推进
- 推进负载
- 4 × 200 kW 电机
- 设计转速
- Np 20,000 rpm / Nt 3,000 rpm
- 稳定性结论
- 主导极点约在 508 kW 穿越单位圆
02 / CONTROL ARCHITECTURE
上层规划安全参考
底层执行闭环控制
控制任务按职责分层：上层 MPRG 不直接驱动执行器，而是利用预稳定闭环 LPV 模型预测 Np、SM 与 T4 约束，将原始 Nt 指令整形为安全可行参考；底层 MIMO PI 跟踪该参考，输出燃油流量 Wf 与电机负载转矩 Tload 控制指令。
TASK HIERARCHY / 任务分层
MPRG原始 Nt 指令 + 状态反馈 → 预测 Np / SM / T4 约束
层间接口
整形后 Nt 参考
MIMO PI整形后 Nt 参考 → 闭环跟踪 → Wf / Tload 控制指令
| 采样时间 | 0.02 s |
|---|---|
| 预测时域 | 10 步 |
| 约束对象 | Np、SM、T4 与 ΔNt |
| 规划输出 | 安全可行的整形后 Nt 参考 |
| 参考输入 | 固定 Np 指令、整形后 Nt 参考 |
|---|---|
| 控制任务 | 稳定 Np，并闭环跟踪 Nt 参考 |
| 工况调度 | 按 Ng 调度控制参数 |
| 控制输出 | 燃油流量 Wf、电机负载转矩 Tload |
LPV 模型角色
采用 9 个 Ng 工况点描述预稳定闭环动态，为上层 MPRG 提供约束预测模型；LPV 不直接生成执行器控制指令。
ΔNt单步参考变化不超过 0.05（归一化）
Np物理边界 19,900–20,100 rpm；预测约束可有限软化
SM物理下界 19.53 p.p.；预测约束可有限软化
T4物理上界 1,385.91 K；预测约束可有限软化
03 / INTERACTIVE VALIDATION
在线运行 MPRG-LPV
Np 误差—rpm
Nt 指令—rpm
Nt 跟踪误差—rpm
最大松弛量—%
最大计算步时—ms / 20 ms 周期
QP 失败次数—次
约束说明
由于控制算法采用了有限松弛因子，Np、SM、T4 等约束量在瞬态过程中允许出现轻微超限；红色虚线表示物理边界，响应进入红色区域即表示算法已启用松弛因子。
实时 Scope
启动后从模型时间 0 s 显示服务器实时结果。
发动机状态
控制输入
约束与求解
04 / PAPER EVIDENCE
从约束保护到
硬件实时性
论文在相同 MIMO 内环与安全边界下比较 MPRG 和 Min-Max，并通过 STM32H743ZIT6 控制器硬件在环测试验证数值一致性与实时计算裕度。
128 → 47 kW最大瞬态功率失配
约 63%失配峰值降幅
0.322 ms硬件平均单步时间
17.045 ms最大步时后剩余时间
嵌入式执行边界
- 目标控制器
- STM32H743ZIT6
- 控制周期
- 20 ms
- 平均步时
- 0.322 ms
- 最大步时
- 2.955 ms
- 栈空间
- 32 KB
- 周期剩余时间
- 17.045 ms
HIL / NUMERICAL CONSISTENCY
控制器上板后是否保持桌面结果
同一组 APRBS 指令下，对齐桌面 Simulink 与 STM32-HIL 的关键状态、约束量和整形参考。误差主要集中在工况切换瞬间，未形成持续漂移。
- Np 最大误差
- 0.015%
- Nt 最大误差
- 7.08 rpm
- Ng 最大误差
- 46.03 rpm
- SM 最大误差
- 1.00%
