基于模型的多电飞机能源优化特性仿真分析

2021-10-22刘海港刘亮王鹏周维

航空学报 2021年8期

刘海港，刘亮，王鹏，周维

航空工业沈阳飞机设计研究所，沈阳 110035

传统飞机二次能源主要为电能、液压能和气压能三种，为机载设备提供不同形式的能源[1-3]。提高能源利用效率是多电飞机(More Electric Aircraft，MEA)的重要发展目标之一，其中一个重要的内容就是采用电能来取代液压能、气压能，并通过系统集成控制实现能源的优化利用[4-6]。本文将采用基于模型的方法开展能源优化特性分析，并提出了一种电气设备的多物理域模型，能够实现不同机载系统的能源利用特性的大规模集成仿真。

在多电飞机中，飞控系统是实现多电化的重要机载系统，舵面由电能代替液压能进行驱动，执行装置采用电力作动器(Electric Actuator)[7-8]代替液压作动器(Hydric Actuator)[9-10]。因此以飞控系统为对象，构建仿真模型，仿真分析使用飞控系统在不同能源供能时，能源的传送、变换中的功率损耗等飞控系统能源优化特性。

1 飞控系统的能耗系统结构

飞控系统的主要能耗是为作动器提供能源，以驱动飞机舵面。此外，另一部分是能源变换、能源传送、作动器工作中的损耗[11-13]。

飞控系统的能源结构如图1所示，传统飞机采用液压能驱动飞机舵面，由液压泵实现发动机输出的机械能到液压能的变换，经液压管路传送到液压作动器，如图1(a)所示。而多电飞机更换为电能驱动舵面，由发电机实现发动机机械能到电能的变换，经电缆传递到作动器，如图1(b)所示。图中，ΔPi为散热功率。

图1 飞控系统的能耗系统功率流

多电飞机的电力作动器有两种，即机电作动器(Electromechanical Actuator，EMA)和电液作动器(Electrohydraulic Actuator，EHA)，其重要的特点是在能源传送中实现电能的消耗[14-16]。

由上述所知，如果进行飞机能源利用特性的仿真，需要建立能源变换、能源传送和执行装置的能源利用特性的模型[17-18]。

2 机载设备的多物理域模型

较传统飞机相比，多电飞机增加了大量新型机载设备，均含有电子部件(包括功率电子部件和微电子部件)。这里以机电作动器作为典型电气设备来分析构建其多物理域模型。

2.1 机电作动器的结构与多物理域模型

2.1.1 机电作动器结构

机电作动器的原理框图如图2所示，其核心部件为无刷直流电动机，输出端的减速器由齿轮减速器与滚珠丝杠组成，将旋转运动变为直线运动，电源测电力电子装置由脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)控制的逆变器、电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)滤波器组成，并通过嵌入式系统实现控制器的作动控制。

图2所示的机电作动器装置，从结构上可分为功率变换和信息变换两部分。

1) 功率变换部分

结构上由逆变器、电动机、机械装置和电源侧的EMI滤波器组成，其主要功能是实现电能到机械能的变换。与此同时，设备各部分均有功率损耗，将部分电能、机械能变换为热能，形成次要的功率变换过程。

2) 信息变换部分

结构上由控制器、数据采集和PWM信号发生器组成，主要功能是完成设备运行中的控制。除此之外，还可以实现设备运行状态的监控、与上位机和其他设备的通讯等功能。

2.1.2 多物理域模型的基本结构

提出的多物理域模型如图3所示，是将图2中电气设备的功率变换关系作为模型的重要组成部分，实现功率数据的传递，形成功率流；信息传递关系在根据参考信号完成对设备功率控制的基础上，提取状态信息，形成信息流。这里将功率变换的模型称为功率变换模块(Power Convert Model，PCM)，而信息变换的模型称为信息变换模块(Signal Convert Model，SCM)。

图2 机电作动器的结构

图3 电气设备的多物理域模型结构

2.2 模型的功率变换模块

图3中的功率变换模块(PCM)表现出电气设备实现的功率变换特性，是将一种物理域的能量变换为另一种物理域的能量(如发电机实现机械能到电能的变换)，而用电设备是实现电能到各种形式能源的变换。因此，PCM将电气设备的运行过程表征为多物理域能源变换的过程，而SCM表征的是设备的控制方法和过程。

功率变换模块(PCM)如图4所示。其中Ys为输入功率(电源功率)的势变量，Xs为输入功率的流变量，YL为输出功率(负载功率)的势变量，XL为输出功率的流变量。功率损耗输出一般均为热功率，环境温度Tw为势变量，C为控制信号，损耗形成的热流Фw为流变量。

图4 电气设备PCM的变换关系

多电飞机能源系统涉及到电能、机械能、液压能、气压能和热能等功率类型，相应的势变量和流变量如表1所示。

表1中势变量和流变量应根据设备的性能、运行场景来定义，例如电动机输出功率也可以将电磁转矩作为势变量，旋转转速作为流变量，电流源的电功率也可以将电流作为势变量，电压作为流变量。

表1 不同功率形式的势变量和流变量

根据图4所示的功率变换模型(PCM)的输入/输出变量关系，用解析式方法可描述为

(1)

式中：传递函数W1(s)、W2(s)、W3(s)和W4(s)反映了功率变换过程中变量之间的动态特性。在进行系统集成时，输入和输出变量就是集成的接口变量，其中Ys和Xs与源端设备连接，YL和XL与负载端设备连接。

2.3 机电作动器的多物理域模型

这里以机电作动器(EMA)为例，构建多物理域模型。EMA是位置伺服控制系统，经减速器和滚珠丝杠输出功率，可用推力F和移动速度v描述，也可以用舵面旋转速度Ωa和舵面阻力矩TL描述。舵面旋转速度Ωa和舵面阻力矩TL描述的PCM如图5所示。

2.3.1 机电作动器的PCM模型

图5所示的PCM解析式可以表示为

图5 机电作动器的PCM

(2)

式中：G1(s)、G2(s)、G3(s)和G4(s)为EMA内部控制的传递函数；usc为电动机的控制电压；TLc为舵面阻力矩TL、机械装置的摩擦转矩和阻尼转矩之和。

2.3.2 机电作动器的SCM模型

EMA的信息变换模块(SCM)如图5所示，其实现舵面位置θa、电动机转速度Ωm=kΩΩa和电动机电枢电流Id的三闭环控制，其中kΩ为电动机角速度Ωm与舵面旋转角速度Ωa之间的等效减速比。信息变换模块(SCM)解析式为

usc=DUs=

(3)

式中：Wacr、Wasr、Wapr分别为电流、转速、舵面位置调节器的传递函数。SCM还可以包含模型仿真信号测量、与上位机等其他设备通讯等内容。

2.3.3 机电作动器的损耗模型

根据机电作动器的结构，功率损耗模型包括电力电子装置的损耗ΔPape、电动机的电磁损耗ΔPaem(包括铜损耗ΔPacu和铁损耗ΔPafe)和机械损耗ΔPam。对于该模型而言，电力电子装置的损耗主要决定于电枢电流，电动机的机械损耗主要决定于电动机角速度，其余影响因素对模型的准确度影响较小，模型中进行忽略。机电作动器的损耗模型可表示为

Φw=ΔPape+ΔPacu+ΔPafe+ΔPam=

(4)

式中:kape、kacu、kafe、kamc分别为电子损耗ΔPape、铜损耗ΔPacu、铁损耗ΔPafe和机械损耗ΔPam与电枢电流Is和电动机角速度Ωa之间的计算系数。

3 飞控系统设备的多物理域模型结构

3.1 含有SCM的多物理域模型

机载设备中含有闭环控制功能时，多物理域模型需要含有信息变换模块(SCM)。

3.1.1 直流发电机多物理域模型

绕线型270 V直流发电机由同步发电机和整流电路组成，通过控制同步发电机的励磁电流if，达到使输出电源电压稳定的目的[19-20]。直流发电机是将机械功率变换为电功率，其PCM模型如图6所示。输入机械功率的势变量为发电机转速ng，流变量为发电机的转矩Tg；输出电功率的势变量为电源电压Ug，流变量为用电设备的综合电流Ig。图7没有画出SCM部分，其控制功能是实现输出电压Ug的稳定在270V。

图6 直流发电机的PCM

图7 液压泵的PCM

直流发电机损耗在同步发电机发电机铜损耗ΔPgcu、发电机铁损耗ΔPgfe和机械损耗ΔPgm外的基础上，增加了整流电路损耗ΔPgr，其损耗ΔPgs可以表示为

Φw=ΔPgs=ΔPgcu+ΔPgfe+ΔPgr+ΔPgm=

(5)

式中：变量ig为发电机输出电流；ng为发电机转速；kgcu、kgfe为发电机的铜损耗和铁损耗系数；kgr为功率电子损耗系数；kgm为机械损耗系数。

3.1.2 液压泵多物理域模型

液压泵是液压能的变换装置，将发动机输出的机械功率变换为液压功率，其中输入机械功率的势变量为液压泵角速度Ωp，流变量为液压泵产生的转矩Tp，输出液压功率的势变量为压力pp，流变量为流量qp。液压源采用变量柱塞泵，SCM实现压力的测量，并且通过控制斜盘的角度γβ来控制排量Vpm，保证液压源压力pp的稳定。

液压能变换装置为液压泵，将发动机输出的机械功率变换为液压能，其功率损耗可以分为容积损耗ΔPhvp和机械损耗ΔPhmp两部分，可表示为

Φw=ΔPhvp+ΔPhmp=

(6)

由式(6)可见，容积损耗ΔPhvp与液压源的压力pp的平方成正比；机械损耗与液压泵的角速度Ωp成正比。航空采用的是恒压液压源，如果忽略液压泵角速度Ωp的变化，则损耗不会因为输出功率的变化而变化，即使在轻载或空载的情况下损耗也基本不变。

3.1.3 液压作动器多物理域模型

液压作动器由阀门控制引入液压源，驱动油缸中的活塞运动，进而驱动飞机舵面运动。液压作动器将液压功率变换为机械功率，即输入功率为液压功率，液压源压力pp为势变量，流量qp为流变量，而输出功率为机械功率，舵面推力Fa为势变量，舵面移动速度va为流变量，其PCM模型如图8所示。

图8 液压作动器的PCM

液压作动器信息控制模块(SCM)的控制功能为测量移动位置，并根据移动位置控制阀门开关，即pp的ON/OFF。

液压作动器的损耗ΔPhas为油液泄漏损耗ΔPhyd和机械损耗ΔPham两部分，可表示为

Φm=ΔPhyd+ΔPham=

(7)

式中：λc为泄漏系数；Fhaf为作动筒的摩擦力；pa为作动筒活塞两边油缸的压力差，决定于液压源压力pp；va为活塞移动的速度。khyd、kham分别为泄漏损耗和机械损耗对应的损耗系数。液压作动器的泄漏损耗决定于液压源的压力，而机械损耗受作动器移动速度的影响。

3.2 不含SCM的多物理域模型

为了进行图1所示飞控系统的能源利用特性的仿真，电缆、油管路也需要建立相应的模型。而这种设备因为没有控制功能，因此没有SCM。

3.2.1 电能传送多物理域模型

电缆作为电能的传送设备，只是因有一定的电阻而产生损耗，仿真中也将其用标准模型来描述，如图9所示。PCM模型输入电功率的势变量为输入电压Us1，流变量为输入电流Is1；输出电功率，势变量为输出电压Us2，流变量为输出电流Is2。

图9 传输电缆的PCM

电缆电阻Rcs的PCM解析表达式为

(8)

3.2.2 油管路多物理域模型

油管路是液压源的传送设备，油液的黏性导致流动过程中产生阻力，进而造成液压源的压力损失。液压源的压力损失可分为沿程压力损失Δpλ和局部压力损失Δpξ，沿程压力损失是油液在等径直管流动时所产生的压力损失，而局部压力损失是油液流经局部障碍(弯管或接头)时的压力损失。油管路的PCM模型如图10所示，其中输入为液压功率，势变量为输入压力pp1，流变量为输入流量qp1；输出也是液压功率，势变量为输出压力pp2，流变量为输出流量qp2。

图10 油管路的PCM

油管路的PCM的解析式为

(9)

其中油管路功率损耗是由压力损失产生的，而压力损失Δp∑包含各段直管的沿程压力损失Δpλ和所有弯管或接头的局部压力损失Δpξ，表达式为

ΔpΣ=∑Δpλ+∑Δpζ=

(10)

式中：lh为各段油管路长度；dh为油管路的内径；ρ为液体的密度；vh为液流速度；λh为沿程阻力系数；ξh为局部阻力系数。

4 两种飞控系统的能耗特性分析

以一种5个主舵面的飞控系统为例，采用多物理域模型集成的方法，在完成某些飞行姿态的舵面控制时，对多电作动系统和传统作动系统的功耗特性进行仿真，并进行两种作动系统的功耗比较。

4.1 两种飞控系统的仿真模型与数据

4.1.1 基于多物理域模型的飞控系统集成

两种飞控系统均包括左右副翼、左右升降舵和方向舵5个舵面。如图11所示，采用机电作动器模型和电源模型组合成多电飞控系统；采用液压作动器模型和液压源模型组合为传统飞控系统。图中，Tg为发电机转矩，ng为发电机转速，Us为电源输出电压，Is为用电设备的综合电流，Usi为各电缆的输入电压，Isi为各电缆的输出电流；Tp为液压泵产生的转矩，np为液压泵转速，pp为液压源压力，qp为流量，ppi为各油管路的输入压力，qpi为各油管路的输出流量。