CN110615109B - 一种航空器机电复合传动***容错控制方法 - Google Patents

一种航空器机电复合传动***容错控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种航空器机电复合传动***容错控制方法，包括判断故障主体为发动机、第一电机还是第二电机；若发动机故障，则调整第一电机的转矩和第二电机的转矩来控制行星耦合机构运行；若第二电机故障，则调整第一电机的转矩来控制行星耦合机构运行；若第一电机故障，则判断第三失效因子是否为1；若否，则调整第二电机的转矩来控制行星耦合机构运行；若是，则调整第二电机的转矩来控制行星耦合机构运行，并制动K2排太阳轮，增大旋翼总距。本发明能够控制转矩重分配，弥补故障执行器功能或性能损失，从而保证航空器的安全性能。

Description

一种航空器机电复合传动***容错控制方法
技术领域
本发明涉及航空器飞行控制技术领域，特别是涉及一种航空器机电复合传动***容错控制方法。
背景技术
现阶段，令航空器运行速度提高是航空器发展的重要方向之一。目前，一般通过三种方式来改变旋翼的转速，一是根据飞行器控制***来改变航空器发动机的转速，发动机转速改变则旋翼转速改变。二是使得动力涡轮的转速产生变化，通常采取的方法是：调节发动机的一些几何参数，例如动力涡轮迎角，这样能使得不变化发动机工作状态的前提下改变旋翼转速。三是改变传动***的传动比来改变输出转速。
对于第一种方案，空客直升机公司EC135和EC145均采用了，该种方案的弊端在于，发动机有一个相对比较固定的工作转速，如果发动机工作时的转速变化范围比较大，那么发动机很有可能不能工作在其工作效率比较高的位置，为了避免该问题，会使得旋翼转速变化范围比较小，例如上文提到的EC135仅3％。不同于第一种方案，第二种方案能够保证发动机工作效率，但是需要在发动机内部加装各种控制机构，技术难度比较大，并且会增加发动机质量。对于第三种方案，相对于其他两种方案，该方案的性价比是最高的。
而为了能够使得发动机转速基本恒定并且使用传动***进行变速，采用机电复合传动是比较好的方法，但由于运用在航空器中的机电复合传动***，一旦发生故障，而故障又不能及时并且有效地被诊断出来并进行处理时，航空器就不能达到其预期的效果甚至会因为失去控制而发生危险，从而造成的损失是无法挽回的。并且机电复合传动装置本身就是一个比较复杂的***，其中包含很多部件，每一种部件发生故障，都会对传动***的运行带来问题，甚至有些故障会使得传动***在运行过程中发生危险，但现有技术中并没有一个针对机电复合传动***保证其安全高效的控制方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种航空器机电复合传动***容错控制方法，能够实现控制重分配，弥补故障执行器功能或性能的损失，从而保证航空器的安全性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种航空器机电复合传动***容错控制方法，应用于航空器机电复合传动***，所述***包括控制器、发动机、第一电机、第二电机、行星耦合机构、制动器和旋翼，所述行星耦合机构包括K2排太阳轮，所述方法包括：
判断故障主体为发动机、第一电机还是第二电机；
若发动机故障，则获取第一失效因子，所述第一失效因子代表发动机故障的程度；
根据所述第一失效因子计算第一电机的转矩和第二电机的转矩；
将当前第一电机转矩调整为所述第一电机的转矩，将当前第二电机转矩调整为所述第二电机的转矩；
若第二电机故障，则获取第二失效因子和发动机的转矩，所述第二失效因子代表第二电机故障的程度；
根据所述第二失效因子和发动机的转矩计算第一电机的转矩；
将当前第一电机转矩调整为所述第一电机的转矩；
若第一电机故障，则获取第三失效因子和发动机的转矩，所述第三失效因子代表第一电机故障的程度；
判断所述第三失效因子是否为1；
若否，则根据所述第三失效因子和发动机的转矩计算第二电机的转矩；
将当前第二电机转矩调整为所述第二电机的转矩；
若是，则根据所述发动机的转矩计算第二电机的转矩；
将当前第二电机转矩调整为所述第二电机的转矩，并制动K2排太阳轮，增大旋翼总距。
可选的，所述根据所述第一失效因子计算第一电机的转矩和第二电机的转矩，包括：
根据功率守恒原理计算需求功率；
根据所述需求功率和第一失效因子计算第二电机的转矩；
根据所述第一失效因子和第二电机的转矩计算第一电机的转矩。
可选的，所述根据所述第二失效因子和发动机的转矩计算第一电机的转矩，包括：
采用公式
Figure BDA0002233970360000031
计算第一电机的转矩，其中，(1-δ3)Tbnb＝Pneed-Tana-Tene，
Figure BDA0002233970360000032
为发动机的角加速度，ne为发动机转速，Te是发动机的转矩，Ta为第一电机的转矩，Tb为第二电机的转矩，Tf为负载转矩，na为第一电机的转速，nb为第二电机的转速，δ3为第二失效因子。
可选的，所述根据所述发动机的转矩计算第二电机的转矩，包括：
采用公式Tb＝g(To,Te)计算第二电机的转矩，其中，Tb为第二电机的转矩，To为输出功率，Te为发动机转矩，g(To,Te)是关于输出功率和发动机转矩的函数。
可选的，所述根据功率守恒原理计算需求功率，包括：
采用公式Pe+Pa+Pb＝Pneed计算需求功率，其中，Pe为发动机提供功率，Pa为第一电机提供功率，Pb为第二电机提供功率，Pneed为需求功率。
可选的，所述根据所述需求功率和第一失效因子计算第二电机的转矩，包括：
采用公式
Figure BDA0002233970360000033
计算第二电机的转矩，其中，Tb为第二电机的转矩，Pneed为需求功率，Ta为第一电机的转矩，na为第一电机的转速，δ1为第一失效因子，Te为发动机的转矩，ne为发电机的转速，nb为第二电机的转速。
可选的，所述根据所述第一失效因子和第二电机的转矩计算第一电机的转矩，包括：
采用公式
Figure BDA0002233970360000034
计算第一电机的转矩，其中，
Figure BDA0002233970360000035
为发动机的角加速度，ne为发电机的转速，δ1为第一失效因子，Te为发动机的转矩，Ta为第一电机的转矩，Tb为第二电机的转矩，Tf为负载转矩。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
一方面，本发明由于不用去进行控制率的重新设计，以及不用去求解优化算法，计算机计算速度增大，在线运行速度提高；另一方面，本发明利用航空器用机电复合传动***特性，基于功率守恒以及发动机恒转速，通过对故障发动机、第一电机和第二电机进行主动协同转矩补偿，实现控制重分配，弥补故障执行器对机电复合传动***造成的功能或性能的损失，保证航空器的安全性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明航空器机电复合传动***的结构示意图；
图2为本发明航空器机电复合传动***容错控制方法的方法流程图；
图中：1-发动机，2-第一电机，3-第二电机，4-第三电机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种航空器机电复合传动***容错控制方法，能够实现控制重分配，弥补故障执行器功能或性能的损失，从而保证航空器的安全性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
容错控制，就是所在***中的某一个或某几个部件出现问题时，通过采用容错控制***依旧能够以目标方式运行或者略低于目标运行但是仍能保证***不出现危险。
图1为本发明航空器机电复合传动***的结构示意图，如图1所示，本发明中的机电复合传动***是包含三个执行器的，分别为发动机1、第一电机2和第二电机3，并且这三个执行器是独立存在的，其中发动机1、第一电机2和第二电机3可以互相作为其冗余执行器(图中还包括第三电机4，用于给机构中其他部分供电)。所以，假如第二电机3出现故障，可以通过控制分配算法进行重构，使用剩余无故障执行器(发动机1和第一电机2)来补偿第二电机3的损失，从而能够实现期望的效果或者略低于期望效果。同理，若发动机1出现故障也可以用无故障执行器(第一电机2和第二电机2)对其进行补偿。
针对执行器出现的故障的程度，得出其失效因子δi(0≤δi≤1，i＝1，2，3)，其中0表示没有故障，1表示完全出现故障，失效因子是根据一些故障诊断的方法得到的，如果执行器应该输入的转矩是a，但是由于故障实际输入的是b，那么失效因子就是(a-b)/a，这里是假设一个失效因子，例如假设第二电机出现故障，那么此时的失效因子的矩阵如下式所示：
fault＝[0 0 δ3] (1)
该失效矩阵是作为控制分配***的控制输入的，在机电复合传动***执行器出现故障后，使用该控制分配模块会根据该失效因子对执行器的转矩输入进行重新分配，利用无故障冗余执行器对该故障执行器进行补偿，使得重新分配结果满足传动***的要求。
具体控制方法如图2所示，一种航空器机电复合传动***容错控制方法，应用于图1中的航空器机电复合传动***，所述方法包括：
步骤201：判断故障主体为发动机、第一电机还是第二电机；
步骤202：若发动机故障，则获取第一失效因子，所述第一失效因子代表发动机故障的程度；
步骤203：根据所述第一失效因子计算第一电机的转矩和第二电机的转矩；
步骤204：将当前第一电机转矩调整为所述第一电机的转矩，将当前第二电机转矩调整为所述第二电机的转矩；
步骤205：若第二电机故障，则获取第二失效因子和发动机的转矩，所述第二失效因子代表第二电机故障的程度；
步骤206：根据所述第二失效因子和发动机的转矩计算第一电机的转矩；
步骤207：将当前第一电机转矩调整为所述第一电机的转矩；
步骤208：若第一电机故障，则获取第三失效因子和发动机的转矩，所述第三失效因子代表第一电机故障的程度；
步骤209：判断所述第三失效因子是否为1；
步骤210：若否，则根据所述第三失效因子和发动机的转矩计算第二电机的转矩；
步骤211：将当前第二电机转矩调整为所述第二电机的转矩；
步骤212：若是，则根据所述发动机的转矩计算第二电机的转矩；
步骤213：将当前第二电机转矩调整为所述第二电机的转矩，并制动K2排太阳轮，增大旋翼总距。
具体的，控制分配模块根据失效因子以及控制器得到的虚拟控制量(控制器按照无故障计算出的各执行器转矩)，重新分配各执行器应提供的转矩，然后执行器按照该转矩提供给行星耦合机构，从而使得行星耦合机构按照期望的方式运行。
本发明的机电复合传动***中，对于每种执行器故障都要进行考虑，使用控制分配模块进行重新分配每个执行器需要提供的转矩，该控制分配模块使用原则是基于功率守恒以及发动机转速恒定得到的。对于发动机、第一电机和第二电机，控制分配模块都会根据失效因子重新分配执行器所要提供的转矩，对于每一种执行器故障计算方法不相同，下面将会给出针对每一种执行器故障的控制分配方案(其中哪种执行器故障是由控制器中的诊断程序诊断出的)。
1、发动机故障
发动机作为该机电复合传动***的功率提供装置，若是发动机发生故障，会使得该机电复合传动***不能按照期望方式运行，这里假设发动机在第10s出现故障，其第一失效因子为δ1，控制分配模块根据该失效因子重新分配第一电机和第二电机提供的转矩。
重新分配方法是基于功率平衡的，即：
Pe+Pa+Pb＝Pneed (2)
其中Pe为发动机提供功率，Pa为第一电机提供功率，Pb为第二电机提供功率，Pneed为需求功率。
当发动机发生故障后，第一电机的转矩是根据行星耦合机构的动态模型计算的，即保持发动机的转速恒定：
Figure BDA0002233970360000061
式中，
Figure BDA0002233970360000062
为发动机的角加速度，δ1为第一失效因子，ne为发动机转速，Te为发动机提供的转矩，Ta为第一电机提供转矩，Tb为第二电机提供转矩，Tf为负载转矩，第二电机转矩由下式计算得出：
Figure BDA0002233970360000071
其中，Tb为第二电机提供转矩，Pneed为需求功率，Ta为第一电机提供转矩，na为第一电机转速，δ1为第一失效因子，ne为发动机转速，Te为发动机提供的转矩，nb为第二电机转速；
将式(4)代入式(3)即可得出第一电机需要提供的转矩，还要保证发动机、第一电机、第二电机的转矩在其转矩范围之内。
2、第二电机故障
当第二电机出现故障时，则控制分配模块失效因子重新分配各控制量，该重新分配原则依旧是功率守恒。
第一电机的转矩是根据行星耦合机构的动态模型计算的，即保持发动机的转速恒定：
Figure BDA0002233970360000072
式中，(1-δ3)Tbnb＝Pneed-Tana-Tene，
Figure BDA0002233970360000073
为发动机的角加速度，ne为发动机转速，Te为发动机提供转矩，Ta为第一电机提供转矩，Tb为第二电机提供转矩，Tf为负载转矩，na为第一电机转速，nb为第二电机转速，Pneed为需求功率，δ3为第二失效因子；
根据上述公式就可以得到第一电机需要提供的转矩，发动机需要提供的转矩则由控制器给出，并保证发动机、第一电机和第二电机的转矩在其转矩范围之内。
3、第一电机故障
当第一电机出现第三失效因子δ2的故障时，其中δ2不为1，即第一电机不完全故障，控制分配方法与第二电机故障类似。
当第一电机出现完全故障，即第三失效因子δ2等于1时，因为第一电机的特殊位置以及作用，第一电机完全故障时整个***无法工作，所以如果第一电机完全故障，该传动***不能够输出功率，所以为了使得该***能够正常工作，利用制动器将行星耦合机构的K2排太阳轮制动。
这时候，控制分配模块需要重新分配第二电机需要提供的转矩，第二电机的转矩则为下式：
Tb＝g(To,Te) (6)
式中，To为输出功率，Te为发动机转矩，g(To,Te)是关于输出转矩和发动机转矩的函数。
第二电机的转矩要在其最小与最大转矩之间，即：
Tbmin≤Tb≤Tbmax (7)
由于在K2排太阳轮轴处加了制动器，会使得传动机构输出转速下降，为了使得该旋翼还能产生按照正常转矩运行的转矩，这时候适当去增大旋翼的总距，从而使得***按照期望的方式运行，或者稍稍低于期望方式运行。
综合而言，使用分配模块能够很快对故障进行有效措施，在自身控制器和分配模块的共同作用下立即调整无故障执行器的输出转矩，及时有效地去补偿由于故障执行器而造成的***输出功率的不足。
本发明还公开如下技术效果：
一方面，本发明由于不用去进行控制率的重新设计，以及不用去求解优化算法，计算机计算速度增大，在线运行速度提高；另一方面，本发明利用航空器用机电复合传动***特性，基于功率守恒以及发动机恒转速，通过对故障发动机、第一电机和第二电机进行主动协同转矩补偿，实现控制重分配，弥补故障执行器对机电复合传动***造成的功能或性能的损失，保证航空器的安全性能。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种航空器机电复合传动***容错控制方法，应用于航空器机电复合传动***，所述***包括控制器、发动机、第一电机、第二电机、行星耦合机构、制动器和旋翼，所述行星耦合机构包括K2排太阳轮，其特征在于，包括：
判断故障主体为发动机、第一电机还是第二电机；
若发动机故障，则获取第一失效因子，所述第一失效因子代表发动机故障的程度；
根据所述第一失效因子计算第一电机的转矩和第二电机的转矩；
将当前第一电机转矩调整为所述第一电机的转矩，将当前第二电机转矩调整为所述第二电机的转矩；
若第二电机故障，则获取第二失效因子和发动机的转矩，所述第二失效因子代表第二电机故障的程度；
根据所述第二失效因子和发动机的转矩计算第一电机的转矩；
将当前第一电机转矩调整为所述第一电机的转矩；
若第一电机故障，则获取第三失效因子和发动机的转矩，所述第三失效因子代表第一电机故障的程度；
判断所述第三失效因子是否为1；
若否，则根据所述第三失效因子和发动机的转矩计算第二电机的转矩；
将当前第二电机转矩调整为所述第二电机的转矩；
若是，则根据所述发动机的转矩计算第二电机的转矩；
将当前第二电机转矩调整为所述第二电机的转矩，并制动K2排太阳轮，增大旋翼总距。
2.根据权利要求1所述的航空器机电复合传动***容错控制方法，其特征在于，所述根据所述第一失效因子计算第一电机的转矩和第二电机的转矩，包括：
根据功率守恒原理计算需求功率；
根据所述需求功率和第一失效因子计算第二电机的转矩；
根据所述第一失效因子和第二电机的转矩计算第一电机的转矩。
3.根据权利要求1所述的航空器机电复合传动***容错控制方法，其特征在于，所述根据所述第二失效因子和发动机的转矩计算第一电机的转矩，包括：
采用公式
Figure FDA0002729289990000021
计算第一电机的转矩，其中，(1-δ3)Tbnb＝Pneed-Tana-Tene，
Figure FDA0002729289990000022
为发动机的角加速度，ne为发动机转速，Te是发动机的转矩，Ta为第一电机的转矩，Tb为第二电机的转矩，Tf为负载转矩，na为第一电机的转速，nb为第二电机的转速，δ3为第二失效因子。
4.根据权利要求1所述的航空器机电复合传动***容错控制方法，其特征在于，所述根据所述发动机的转矩计算第二电机的转矩，包括：
采用公式Tb＝g(To,Te)计算第二电机的转矩，其中，Tb为第二电机的转矩，To为输出功率，Te为发动机转矩，g(To,Te)是关于输出功率和发动机转矩的函数。
5.根据权利要求2所述的航空器机电复合传动***容错控制方法，其特征在于，所述根据功率守恒原理计算需求功率，包括：
采用公式Pe+Pa+Pb＝Pneed计算需求功率，其中，Pe为发动机提供功率，Pa为第一电机提供功率，Pb为第二电机提供功率，Pneed为需求功率。
6.根据权利要求2所述的航空器机电复合传动***容错控制方法，其特征在于，所述根据所述需求功率和第一失效因子计算第二电机的转矩，包括：
采用公式
Figure FDA0002729289990000023
计算第二电机的转矩，其中，Tb为第二电机的转矩，Pneed为需求功率，Ta为第一电机的转矩，na为第一电机的转速，δ1为第一失效因子，Te为发动机的转矩，ne为发电机的转速，nb为第二电机的转速。
7.根据权利要求2所述的航空器机电复合传动***容错控制方法，其特征在于，所述根据所述第一失效因子和第二电机的转矩计算第一电机的转矩，包括：
采用公式
Figure FDA0002729289990000024
计算第一电机的转矩，其中，
Figure FDA0002729289990000025
为发动机的角加速度，δ1为第一失效因子，Te为发动机的转矩，Ta为第一电机的转矩，Tb为第二电机的转矩，Tf为负载转矩。
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