随着现代先进战机性能需求的不断提升,特别是在飞行器复杂的大范围变工况下,如何利用较小的控制能量,在满足高机动作战性能需求的同时,确保发动机各项安全裕度指标不超过限制,已经成为控制系统设计者们面临的重要问题。控制系统设计离不开大量的建模工作,航空发动机自身结构的独特形式,为其控制用模型的建立带来了不同于一般非线性系统的特殊性。平衡流形模型的提出旨在减轻传统线性变参数模型建立过程涉及的巨大工作量,并通过考虑系统内部变量,使模型能够进行控制系统设计的同时保留足够的系统非线性特性。本文以解决大范围变工况运行的航发对象多变量控制问题为目的,针对平衡流形模型向多入多出系统的扩展和基于该模型的多变量控制方法展开以下研究:首先,研究了平衡流形模型的辨识过程。通过归纳整理前人针对平衡流形模型的主要研究,给出了不同于一般线性化方法的平衡流形模型整体结构,介绍了平衡流形模型的主要性质,保证了通过该方法构造线性模型的可行性。针对具有复杂非线性的涡扇发动机对象,给出了多入多出平衡流形模型的主要结构,研究了动静两步法在多入多出平衡流形模型辨识中的应用,充分展现了调度变量组合方式对模型精度的影响,并得到了具有较高稳态、动态精度的平衡流形模型。平衡流形模型的研究工作为后续进行控制系统设计提供了模型基础。其次,针对高性能需求带来的航空发动机控制变量多样化,开展了基于平衡流形模型的多变量H∞控制研究。给出了平衡流形建模方法在获取线性状态空间模型上的实际应用,通过平衡流形的主要性质补全状态空间模型系数矩阵缺失的参数,获得可用于多变量控制器设计的线性结构形式。进行了开环特性仿真,利用稳定性分析和相对增益阵列分析的手段,得到了平衡流形模型用于控制系统设计的最终调度变量组合方案。仿真结果表明,在设计点处多变量控制器拥有较好的控制性能,然而,该控制器无法保证大范围变工况运行下系统良好的控制效果。研究给出了平衡流形模型的线性化应用,验证了基于此模型的鲁棒多变量控制在一定范围内的有效性,但也暴露出该控制方法的某些局限性,从而引出接下来的研究工作。再次,以平衡流形模型为工具,考虑线性变参数控制方法进行涡扇发动机多变量控制研究。探究了平衡流形模型这一考虑系统内部参数时变特性的非线性结构在线性变参数方法中的应用,基于平衡流形模型构建可用于鲁棒变增益控制器设计的线性变参数系统,通过状态扩展的方法获得基于平衡流形方法的涡扇发动机增广模型,令模型满足鲁棒线性变参数控制所需的假设。考虑了鲁棒变增益控制原理在多项式形式的线性变参数模型中应用面临的困难,在控制器设计过程中采用多胞技术,给出有限个多胞顶点以简化控制器求解过程。仿真结果表明,基于平衡流形模型得到的鲁棒变增益控制器,能够有效改善控制系统在内部参数变化时的系统输出性能,然而,飞行条件变化带来的系统非线性也应在研究中进行考虑。最后,针对上述研究结论,利用切换线性变参数控制方法,尝试在控制系统中加入飞行条件的变化特性,研究基于平衡流形模型的涡扇发动机多变量控制问题。给出了基于Lyapunov函数保证系统渐近稳定的充分条件,考虑共同Lyapunov函数的方法设计保证系统切换过程稳定的切换线性变参数控制器。研究为了降低控制器设计过程中的难度,提出了一种特殊的控制策略,将飞行条件高度和马赫数作为切换的指令信号,但不在结构上增加平衡流形模型的复杂性,即不改变单个平衡流形子系统的辨识过程,而是在整个切换系统考虑飞行条件带来的影响,通过大量仿真,找到高度和马赫数变化时系统的切换面。在两个平衡流形模型子系统之间考虑平滑过渡的切换过程,避免了切换过程出现抖振和明显突跳。控制结果表明,切换线性变参数控制器能够在任意方向上进行切换,并且在大范围运行包线内拥有良好的控制效果。