基于飞控信息的飞机电作动器能量管理系统及控制方法技术方案

本发明专利技术涉及基于飞控信息的飞机电作动器能量管理系统及控制方法，系统包括双向能量控制单元和储能元件，双向能量控制单元包括与飞机飞控、导航系统信息交互的控制及监控模块、双向DC

【技术实现步骤摘要】
基于飞控信息的飞机电作动器能量管理系统及控制方法


[0001]本专利技术属于航空机电飞控能量综合
，尤其涉及基于飞控信息的飞机电作动器能量管理系统及控制方法。

技术介绍

[0002]新一代多电飞机在升降舵、副翼等多个舵面安装电作动器进行飞行作动，电作动器工作时，逆载从供电网络吸收能量，顺载向供电网络回馈能量，能量回馈会使供电网络的电压突增，启动瞬间对供电网络造成降压冲击，同时当电作动器工作电压发生小扰动将从供电网络吸取电流导致供电系统的不稳定。针对电作动器对供电网络产生冲击问题，采用耗散式方案：在电作动器的电机驱动器内部增加功率电阻消耗制动馈能，但能量利用率较低、增加了系统的热负荷，不适用于自身热矛盾突出的高速或隐身飞机。
[0003]采用储能式方案：在负载端增加储能系统进行本地储能，在电作动器端进行本地储能的方法可以抑制目标电作动器的能耗变化产生的冲击，但这种方法对整个供电网络内的能量冲击的抑制能力有限；在主汇流条增加储能系统统一储能，集中储能可以采用单一储能结构同时抑制多个电作动器对供电网络产生的冲击，但现存的在主汇流条增加储能系统进行统一储能方法中，控制信号的产生全部依赖于主汇流条当前电压状态，在冲击产生后才能进行能量管理，系统响应较慢且鲁棒性较差。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一，为此，本专利技术提出了基于飞控信息的飞机电作动器能量管理系统及控制方法。
[0005]本专利技术的技术方案是：
[0006]基于飞控信息的飞机电作动器能量管理系统，包括双向能量控制单元和储能元件，所述双向能量控制单元包括控制及监控模块和双向DC
‑
DC变换器；
[0007]所述控制及监控模块用于采集飞机飞控、导航系统信息和电作动器连接的汇流条状态信息，基于上述采集信息预测下一时刻汇流条电压，以汇流条稳压为目标生成控制信号；
[0008]所述双向DC
‑
DC变换器与控制及监控模块交互、用于控制储能元件与汇流条之间的双向能量流动。
[0009]上述基于飞控信息的飞机电作动器能量管理系统，优选地，所述控制及监控模块上设有汇流条电压预测模型，所述汇流条电压预测模型包括电作动器用能馈能模型，所述电作动器用能馈能模型用于解算下一时刻汇流条电压预测值，所述控制及监控模块用于设定电压限值，依据下一时刻汇流条电压预测值和所述设定电压限值对比产生控制信号。
[0010]优选地，所述飞机飞控、导航系统信息包括当前飞机高度h(t)、速度v(t)、姿态角θ(t)、航向角目标舵面下一时刻的角度控制指令α
i
(t+Δt)和第i个电作动器所在舵面的下一Δt时刻的气动力矩，所述电作动器连接的汇流条状态信息包括当前汇流条电压值
U
dc
(t)，所述电作动器用能馈能模型为：
[0011][0012]上式中x
i
(t+Δt)表示第i个电作动器下一Δt时刻位置指令输入，l为直线运动与角运动转换臂长；
[0013]上式中E
i
(t+Δt)表示第i个电作动器下一Δt时刻内用能或馈能，F
i
(t+Δt)为第i个电作动器所在舵面的下一Δt时刻的气动力矩计算的所受气动力；
[0014]上式中P
i
(t+Δt)表示第i个电作动器下一Δt时刻的功率；
[0015]上式中ΔU(t+Δt)表示汇流条的电压波动，为n个电作动器下一Δt时刻的用能或馈能功率总和，R为电路等效电阻；
[0016]上式中U
dc
’
(t+Δt)表示汇流条下一Δt时刻电压预测值。
[0017]优选地，所述控制及监控模块用于设定参考轨线，参考轨线为：
[0018][0019]上式中U
dc*
(t+j)表示汇流条在未来p个时刻内的电压期望输出值，α＝exp(
‑
T/t)，T为采样周期，t为参考轨迹的时间常数，U
dc
(t)表示控制信号S(t)下获得的基于飞控信息的飞机电作动器能量管理系统的输出电压值，U
dc*
为参考轨线电压设定值。
[0020]优选地，所述控制及监控模块用于通过参考轨线和汇流条电压预测模型的反馈在线校正滚动优化计算、输出滚动优化计算的优化目标函数最小解；
[0021]在线校正的公式为：上式中表示基于飞控信息的飞机电作动器能量管理系统的输出电压值U
dc
(t)与汇流条电压预测模型的汇流条电压预测值之间的误差，表示汇流条电压预测模型在汇流条未来p个时刻内的电压预测值；
[0022]滚动优化计算的优化目标函数为：
[0023]上式中p表示j预测域内存在p个采样点，表示汇流条在未来p个时刻内的电压期望输出值U
dc*
(t+j)与经过在线较正的汇流条电压值之间的误差，w
e
表示电压误差所占权重，
表示储能元件充放电电流基准值I
*
(t+j)与储能元件充放电电流预测值之间的误差，w
m
表示电流误差所占权重。
[0024]优选地，所述汇流条电压预测模型包括储能系统模型和供电网络模型，所述储能系统模型用于解算储能元件放电功率P
S
，所述供电网络模型用于解算供电网络输出功率P
GEN
，所述电作动器用能馈能模型用于解算多个电作动器从供电网络吸收功率的总和P
load
，以在任意时刻P
S
＝P
GEN
‑
P
load
为控制目标生成控制信号。
[0025]优选地，所述供电网络模型为：上式中P1表示航空发电机转轴上输入的机械功率，p
Ω
为机械损耗功率，p
Fe
为定子铁耗功率，P
e
表示电磁功率，p
Cua
为电枢铜耗功率，P2为电枢端点输出功率，η
r
为整流器的功率因数；
[0026]所述电作动器用能馈能模型为：上式中i表示n个电作动器中第i个电作动器，E
i
表示第i个电作动器的用能或馈能，F
i
为第i个电作动器的所受气动力，P
load
‑
i
表示第i个电作动器从供电网络吸收功率。
[0027]上述基于飞控信息的飞机电作动器能量管理系统，优选地，所述双向能量控制单元包括储能元件容量管理装置BMS，所述储能元件容量管理装置BMS用于配合控制及监控模块监控储能元件状态信息，所述控制及监控模块用于依据飞机飞控、导航系统信息选择当前飞行阶段储能元件对应的最佳工作SOC容限，依据储能元件容量管理装置BMS的储能元件状态信息与最佳工作SOC容限的比较结果判断产生报警信号或对双向DC
‑
DC变换器的控制信号；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于飞控信息的飞机电作动器能量管理系统，其特征在于，包括双向能量控制单元和储能元件，所述双向能量控制单元包括控制及监控模块和双向DC
‑
DC变换器；所述控制及监控模块用于采集飞机飞控、导航系统信息和电作动器连接的汇流条状态信息，基于上述采集信息预测下一时刻汇流条电压，以汇流条稳压为目标生成控制信号；所述双向DC
‑
DC变换器与控制及监控模块交互、用于控制储能元件与汇流条之间的双向能量流动。2.根据权利要求1所述的基于飞控信息的飞机电作动器能量管理系统，其特征在于，所述控制及监控模块上设有汇流条电压预测模型，所述汇流条电压预测模型包括电作动器用能馈能模型，所述电作动器用能馈能模型用于解算下一时刻汇流条电压预测值，所述控制及监控模块用于设定电压限值，依据下一时刻汇流条电压预测值和所述设定电压限值对比产生控制信号。3.根据权利要求2所述的基于飞控信息的飞机电作动器能量管理系统，其特征在于，所述飞机飞控、导航系统信息包括当前飞机高度h(t)、速度v(t)、姿态角θ(t)、航向角目标舵面下一时刻的角度控制指令α
i
(t+Δt)和第i个电作动器所在舵面的下一Δt时刻的气动力矩，所述电作动器连接的汇流条状态信息包括当前汇流条电压值U
dc
(t)，所述电作动器用能馈能模型为：上式中x
i
(t+Δt)表示第i个电作动器下一Δt时刻位置指令输入，l为直线运动与角运动转换臂长；上式中E
i
(t+Δt)表示第i个电作动器下一Δt时刻内用能或馈能，F
i
(t+Δt)为第i个电作动器所在舵面的下一Δt时刻的气动力矩计算的所受气动力；上式中P
i
(t+Δt)表示第i个电作动器下一Δt时刻的功率；上式中ΔU(t+Δt)表示汇流条的电压波动，为n个电作动器下一Δt时刻的用能或馈能功率总和，R为电路等效电阻；上式中U
dc
’
(t+Δt)表示汇流条下一Δt时刻电压预测值。4.根据权利要求2所述的基于飞控信息的飞机电作动器能量管理系统，其特征在于，所述控制及监控模块用于设定参考轨线，参考轨线为：上式中U
dc*
(t+j)表示汇流条在未来p个时刻内的电压期望输出值，α＝exp(
‑
T/t)，T为
采样周期，t为参考轨迹的时间常数，U
dc
(t)表示控制信号S(t)下获得的基于飞控信息的飞机电作动器能量管理系统的输出电压值，U
dc*
为参考轨线电压设定值。5.根据权利要求4所述的基于飞控信息的飞机电作动器能量管理系统，其特征在于，所述控制及监控模块用于通过参考轨线和汇流条电压预测模型的反馈在线校正滚动优化计算、输出滚动优化计算的优化目标函数最小解；在线校正的公式为：上式中表示基于飞控信息的飞机电作动器能量管理系统的输出电压值U
dc
(t)与汇流条电压预测模型的汇流条电压预测值之间的误差，表示汇流条电压预测模型在汇流条未来p个时刻内的电压预测值；滚动优化计算的优化目标函数为：上式中p表示j预测域内存在p个采样点，表示汇流条在未来p个时刻内的电压期望输出值U
dc*
(t+j)与经过在线较正的汇流条电压值之间的误差，w
e
表示电压误差所占权重，表示储能元件充放电电流基准值I
*
(t+j)与储能元件充放电电流预测值之间的误差，w
m
表示电流误差所占权重。6.根据权利要求2所述的基于飞控信息的飞机电作动器能量管理系统，其特征在于，所述汇流条电压...

【专利技术属性】
技术研发人员：李洋，姜琳琳，成超乾，尚耀星，焦宗夏，王森，武严，张昊园，
申请(专利权)人：北京航空航天大学宁波创新研究院，
类型：发明
国别省市：