基于飞控信息的飞机电作动器能量管理系统及控制方法

技术领域

本发明属于航空机电飞控能量综合技术领域，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。

背景技术

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。

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。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一，为此，本发明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。

本发明的技术方案是：

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；

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。

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。

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

上式中x

上式中E

上式中P

上式中ΔU(t+Δt)表示汇流条的电压波动，

上式中U

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：

上式中U

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；

在线校正的公式为：

滚动优化计算的优化目标函数为：

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

优选地，所述供电网络模型为：

所述电作动器用能馈能模型为：

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；

所述控制及监控模块包括与航电信息总线连接的采集模块和反馈模块，航电信息总线与飞机飞控系统、导航系统、飞管系统信息交互，所述采集模块用于采集航电信息总线上的飞机飞控、导航系统信息，所述反馈模块用于向航电信息总线反馈控制及监控模块的能量管理状态信息。

基于飞控信息的飞机电作动器能量管理控制方法，基于上述基于飞控信息的飞机电作动器能量管理系统，其方法包括：

控制及监控模块采集飞机飞控、导航系统信息，计算电作动器下一时刻用能或馈能；

控制及监控模块采集电作动器连接的汇流条状态信息，与电作动器下一时刻用能或馈能预测的下一时刻汇流条电压变化，计算下一时刻汇流条电压；

控制及监控模块依据下一时刻汇流条电压、以汇流条稳压为目标生成控制信号；

双向DC-DC变换器依据控制信号控制储能元件与汇流条之间的双向能量流动，调节汇流条电压。

上述基于飞控信息的飞机电作动器能量管理控制方法，优选地，所述控制及监控模块采集飞机飞控、导航系统信息，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，通过储能元件容量管理装置BMS与控制及监控模块配合监控储能元件；

所述控制及监控模块设定电压限值，若下一时刻汇流条电压未超过电压限值则返回控制及监控模块计算电作动器下一时刻用能或馈能；若下一时刻汇流条电压超过电压限值则进行储能元件SOC超限判断；

储能元件SOC超限判断：若储能元件容量管理装置BMS监控的储能元件SOC值超过最佳工作SOC容限，则由控制及监控模块向飞机飞管系统报警；若储能元件容量管理装置BMS监控的储能元件SOC值未超过最佳工作SOC容限，则由控制及监控模块生成双向DC-DC变换器的双向能量调节控制信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

将多电飞机上同一供电网络中的电作动器进行统一能量管理，基于飞机飞控、导航系统信息，能够管理飞控作动系统中的电作动器与供电网络间的能流关系，在飞机大机动或负载反复投切时及时抑制电作动器的能耗变化对供电网络产生的冲击，具有以下优点：

(1)结构简单，系统重量小，易于实现。

(2)利用飞机飞控、导航系统信息进行预测控制，系统响应速度快，能量管理效果好。

(3)建立汇流条电压预测模型预测控制，采用滚动优化计算和反馈校正的策略，减小系统响应时间，鲁棒性好，抗干扰能力强。

(4)储能元件容量管理装置BMS配合控制及监控模块监控储能元件，延长储能元件使用寿命的同时使系统始终可以进行高效工作。

附图说明

图1是本发明实施例1的应用结构图；

图1中双点画线内为实施例1结构，实线箭头表示信息流，虚线箭头表示能量流，图1中标记：①-飞机飞控、导航系统信息，②-能量管理状态信息，③-270V高压直流汇流条状态信息，④-储能元件状态信息/储能元件BMS控制信号，⑤-储能元件与270V高压直流汇流条间能量流动方向，⑥-270V高压直流汇流条与电作动器间能量流动方向。

图2是本发明实施例1的结构图；

图2中双点画线内为双向能量控制单元结构，图2中实线箭头表示信息流，虚线箭头表示能量流，图2中标记：⑥-飞机飞控、导航系统信息，⑦-能量管理状态信息，⑧-270V高压直流汇流条状态信息，⑨-储能元件状态信息/储能元件BMS控制信号，⑩-双向DC-DC控制信号/双向DC-DC工作状态反馈，

图3是本发明实施例1的控制框图。

图4是本发明实施例2的流程图。

图5是本发明实施例2的最佳工作SOC容限确定方法逻辑流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

多电飞机飞行时，飞机飞控系统、导航系统、飞管系统与航电信息总线进行信息交互，航电信息总线连接作动传感器，作动传感器传感对应电作动器状态信息、向信息总线提供电作动器包括位置、内部压力、温度的状态信息，修正飞控指令；飞机电作动器供电网络通过270V高压直流汇流条对包括若干电作动器的用电负载供电。

实施例1：

图1-2所示为所述基于飞控信息的飞机电作动器能量管理系统的较佳实施方式，所述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构成的储能系统，储能系统在机载供电网络的的主汇流条上，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270V高压直流汇流条状态信息，基于上述采集信息预测下一时刻270V高压直流汇流条电压变化、以270V高压直流汇流条稳压为目标生成控制信号；

所述双向DC-DC变换器用于与控制及监控模块交互、控制储能元件与270V高压直流汇流条之间的双向能量流动。

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270V高压直流汇流条电压预测值，所述控制及监控模块用于设定电压限值，依据下一时刻270V高压直流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，所述设定电压限值可以依据国际标准、军用标准设定。

优选地，所述控制及监控模块连接航电信息总线，用于采集航电信息总线上的飞机飞控、导航系统信息。

优选地，所述飞机飞控、导航系统信息包括从航电信息总线上采集的当前飞机高度h(t)、速度v(t)、姿态角θ(t)、航向角

上式中x

上式中E

上式中P

上式中ΔU(t+Δt)表示270V高压直流汇流条的电压波动，

上式中U

参见图3所示，优选地，为避免汇流条电压急剧变化，所述控制及监控模块用于设定参考轨线，使电作动器能量管理系统的输出U

上式中U

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；

在线校正的公式为：

滚动优化计算的优化目标函数为：

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

优选地，所述供电网络模型为：

所述电作动器用能馈能模型为：

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与储能元件交互，储能元件容量管理装置BMS向储能元件发送储能元件BMS控制信号、对储能元件充放电电流大小进行控制，平衡内部电压，防止出现过充电和过放电，延长使用寿命，储能元件向储能元件容量管理装置BMS反馈储能元件状态信息，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。

优选地，所述控制及监控模块包括与航电信息总线连接的采集模块和反馈模块，航电信息总线与飞机飞控系统、导航系统、飞管系统信息交互，所述采集模块用于采集航电信息总线上的飞机飞控、导航系统信息，所述反馈模块用于向航电信息总线反馈控制及监控模块的能量管理状态信息；控制及监控模块的采集模块和反馈模块通过航电信息总线实现与飞机飞控系统、导航系统的信息交互，反馈模块通过航电信息总线向飞管系统报警，以便飞机飞管系统对储能元件的容量进行可控管理，使储能元件处于最优工作SOC容限。

优选地，所述储能元件包括但不限于超级电容、蓄电池的或多种。

优选地，所述储能元件状态信息包括但不限于电压、电流、温度、荷电信息。

实施例2：

图4所示为基于飞控信息的飞机电作动器能量管理控制方法的较佳实施方式，基于上述实施例1的所述基于飞控信息的飞机电作动器能量管理系统，其方法步骤为：

S1：控制及监控模块的采集模块采集航电信息总线上的飞机飞控、导航系统信息，基于汇流条电压预测模型的电作动器用能馈能模型计算电作动器下一时刻用能或馈能E

控制及监控模块依据飞机飞控、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，通过储能元件容量管理装置BMS与控制及监控模块配合监控储能元件，反馈模块向航电信息总线反馈控制及监控模块的能量管理状态信息，参见图5最佳工作SOC容限的确定步骤为：

S101：飞机飞控作动器的电作动器能量管理系统开始工作前，根据飞机飞行典型任务剖面、电作动器的负载特性以及储能元件的最大容量、预先离线计算出飞机在包括起飞、爬升、巡航、机动、下降、着陆的各个飞行阶段，以超级电容为储能元件为例，储能元件对应的最佳工作SOC容限；

飞机在各个飞行阶段的飞行高度h(t)、速度v(t)、各个电作动器所在舵面施加的载荷谱等飞机设计参数，x

最佳工作SOC容限的离线计算方法为：

上式中E

S102：飞机飞控作动器的电作动器能量管理系统开始工作后，直接从航电信息总线获知飞机当前所处飞行阶段，飞行阶段包括起飞、爬升、巡航、机动、下滑、着陆，选择当前飞行阶段储能元件对应的最佳工作SOC容限，以此作为当前储能元件SOC容限；

S2：控制及监控模块基于汇流条电压预测模型的电作动器用能馈能模型，采集电作动器连接的270V高压直流汇流条状态信息U

S3：控制及监控模块依据步骤S2下一时刻270V高压直流汇流条电压U

具体地，包括以下步骤：

S301：控制及监控模块设定电压限值；

若当前270V高压直流汇流条电压U

只需判断一次当前时刻，随后若步骤S2U

S302：当前储能元件SOC超限判断：

若储能元件容量管理装置BMS监控的储能元件SOC值超过步骤S1最佳工作SOC容限，则由控制及监控模块的反馈模块通过航电信息总线向飞机飞管系统报警；

若储能元件容量管理装置BMS监控的储能元件SOC值未超过步骤S1最佳工作SOC容限，则满足双向能量调节条件，由控制及监控模块判断生成双向DC-DC变换器的双向能量调节控制信号；

S303：生成双向能量调节控制信号的步骤为：

S3031：控制及监控模块设定参考轨线，将控制及监控模块的一组控制信号中的第一个时刻的控制信号S(t)输入双向DC-DC变换器，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，同时U

由于实际过程中存在扰动，将汇流条电压预测模型的270V高压直流汇流条电压预测值

S3032：通过步骤S3031参考轨线的270V高压直流汇流条在未来p个时刻内的电压期望输出值U

S3033：汇流条电压预测模型包括供能、用能、补能三部，因此通过储能系统模型解算储能系统的储能元件放电功率P

通过供电网络模型解算供电网络输出功率P

S4：双向DC-DC变换器依据步骤S3的控制信号，双向DC-DC变换器的内晶闸管进行开通和关断，控制储能元件与270V高压直流汇流条之间的双向能量流动方向与大小，快速调节270V高压直流汇流条电压、稳定270V高压直流汇流条电压，返回步骤S1，利用储能元件对电作动器用能和馈能进行可控的补充和吸收，达到同一供电网络中的电作动器与供电网络间的能流关系统一管理，抑制电作动器能耗变化对供电网络产生冲击的目的。

综上，上述基于飞控信息的飞机电作动器能量管理系统和控制方法，将多电飞机上同一供电网络中的电作动器进行统一能量管理，基于飞控、导航系统的信息，管理飞控作动系统中的电作动器与供电网络间的能流关系，抑制电作动器的能耗变化对供电网络产生的冲击，具有以下优点：

(1)双向能量控制单元由控制及监控模块、双向DC-DC变换器、储能元件容量管理装置BMS构成，结构简单，可以设置在在机载供电网络的的主汇流条上抑制多电作动器对供电网络的冲击，系统重量小，易于实现。

(2)控制及监控模块通过航电信息总线与飞机飞控系统、导航系统的信息交互，利用飞机飞控、导航系统信息进行预测控制，系统响应速度快，响应速度快，能量管理效果好，能够在飞机大机动或负载反复投切时及时抑制电作动器的能耗变化对供电网络产生的冲击。

(3)建立汇流条电压预测模型预测控制，采用滚动优化计算和反馈校正的策略，克服建模误差和在双向DC-DC变换器内部开关管开通瞬间产生的功率波动等其他环境因素带来的干扰影响，减小系统响应时间，提高系统的鲁棒性，抗干扰能力强。

(4)采用储能元件容量管理装置BMS配合控制及监控模块监控储能元件构成能量管理系统，平衡内部电压，防止出现过充电和过放电，延长使用寿命，同时储能元件处于最佳工作SOC容限内，超过最佳工作SOC容限后向飞管系统报警，使本发明中的飞控作动器的电作动器能量管理系统始终可以进行高效工作。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。