系統(tǒng)工作原理如下：發(fā)電機(jī)從主發(fā)動(dòng)機(jī)低壓軸提取機(jī)械功率，產(chǎn)生的交流電經(jīng)整流器轉(zhuǎn)化為直流電，通過直流總線輸送至各逆變器，轉(zhuǎn)換為交流電后驅(qū)動(dòng)電機(jī)，進(jìn)而帶動(dòng)涵道風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)當(dāng)前發(fā)電量與用電量的差異，系統(tǒng)自動(dòng)決定電池的充放電狀態(tài)：當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)電功率大于涵道風(fēng)扇需求功率時(shí)，盈余功率用于電池組充電；反之，電池放電以補(bǔ)充功率缺口。

2.2 主發(fā)動(dòng)機(jī)與涵道風(fēng)扇部件級(jí)模型

主發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)具有強(qiáng)非線性特征且較為復(fù)雜的氣動(dòng)熱力學(xué)系統(tǒng)。為建立其數(shù)學(xué)模型，在保證計(jì)算精度的前提下進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化：忽略發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒延遲和部件熱慣性的影響；忽略部件氣體容積動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，認(rèn)為同一時(shí)刻通過典型截面的氣體滿足流量連續(xù)條件；氣體視為完全氣體，流動(dòng)為一維定常；采用變比熱法計(jì)算，考慮油氣比和溫度對(duì)空氣、燃?xì)饨^熱指數(shù)和比熱比的影響；考慮部件封嚴(yán)及渦輪部件冷卻對(duì)主流路氣體溫度的影響；假定進(jìn)氣道前方來流均勻，無溫度和壓力畸變，考慮進(jìn)排氣壓力損失。

涵道風(fēng)扇作為電推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其建模同樣采用部件級(jí)方法?；陲L(fēng)扇特性圖譜，建立涵道風(fēng)扇的流量、壓比和效率特性模型，輸入?yún)?shù)包括轉(zhuǎn)速和進(jìn)口條件，輸出為推力及消耗功率。

2.3 電系統(tǒng)部件級(jí)模型

在電驅(qū)動(dòng)飛行器領(lǐng)域，考慮到飛行器對(duì)電機(jī)最大功率、功率密度等參數(shù)的要求，通常采用永磁同步電機(jī)或無刷直流電機(jī)。雖然不同電機(jī)在內(nèi)部原理上存在差異，但從系統(tǒng)性能分析角度出發(fā)，只要能夠描述其外在電氣和機(jī)械特性即可建立統(tǒng)一的仿真模型。

電系統(tǒng)建模過程中遵循以下假設(shè)：主發(fā)動(dòng)機(jī)低壓軸提取的軸功率可通過發(fā)電機(jī)電磁力矩進(jìn)行調(diào)節(jié)；電池組工作時(shí)溫度恒定，忽略電池組自放電及老化帶來的容量損失；發(fā)電機(jī)和電機(jī)不考慮損失的旋轉(zhuǎn)力矩；總線電壓無波動(dòng)；整流器、逆變器效率為恒定值。

儲(chǔ)能系統(tǒng)由電池組構(gòu)成，根據(jù)輸出電壓、功率和能量容量的需求，電池組由若干單體電池通過串并聯(lián)組合而成。電池模型采用等效電路模型，能夠反映電池荷電狀態(tài)、端電壓與充放電電流之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。

2.4 基于分布式迭代的實(shí)時(shí)計(jì)算方法

在對(duì)半渦電分布式推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)，若同時(shí)考慮所有部件并整合平衡方程進(jìn)行聯(lián)立迭代，將導(dǎo)致平衡方程個(gè)數(shù)過多，計(jì)算收斂難度增大，嚴(yán)重影響模型實(shí)時(shí)性。為此，本文采用分布式迭代方法，在每個(gè)計(jì)算周期中，主發(fā)動(dòng)機(jī)和各個(gè)涵道風(fēng)扇進(jìn)行單獨(dú)迭代計(jì)算，同時(shí)，主發(fā)動(dòng)機(jī)低壓軸提取功率和涵道風(fēng)扇需求軸功率作為輸入變量參與電系統(tǒng)計(jì)算。

這種分布式計(jì)算架構(gòu)具有以下優(yōu)勢(shì)：主發(fā)動(dòng)機(jī)、涵道風(fēng)扇組和電系統(tǒng)三者之間在單個(gè)步長(zhǎng)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算，有效加快計(jì)算速度；符合模塊化設(shè)計(jì)思想，便于前期獨(dú)立設(shè)計(jì)與后續(xù)模型快速迭代；降低推進(jìn)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的耦合復(fù)雜度。各模塊之間通過功率平衡方程進(jìn)行解耦，確保整體系統(tǒng)能量守恒。

三、半渦電分布式推進(jìn)系統(tǒng)控制方法

3.1 直接推力控制回路設(shè)計(jì)

直接推力控制是指在飛行過程中，通過轉(zhuǎn)速、溫度和壓力等可測(cè)參數(shù)將推力、耗油率等不可測(cè)參數(shù)估計(jì)出來，并將估計(jì)值直接應(yīng)用于控制器反饋回路的一種控制方法。本文采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)主發(fā)動(dòng)機(jī)和單個(gè)涵道風(fēng)扇的推力估計(jì)器。

針對(duì)半渦電分布式推進(jìn)系統(tǒng)中主發(fā)動(dòng)機(jī)低壓軸提取功率變化幅度較大的特點(diǎn)，主發(fā)動(dòng)機(jī)推力估計(jì)器的輸入?yún)?shù)除高度H、馬赫數(shù)Ma、外涵出口總壓p16、主燃油流量Wf、加力燃油流量Wfab、發(fā)動(dòng)機(jī)溫比ETR、喉道總溫T8外，還增加了低壓折合轉(zhuǎn)速n及低壓軸提取功率相對(duì)值PPOT，以更全面地估計(jì)推力。對(duì)于涵道風(fēng)扇推力估計(jì)器，選取高度H、馬赫數(shù)Ma、消耗電功率Pdif、風(fēng)扇出口總壓pit25、風(fēng)扇出口總溫Tti25、轉(zhuǎn)速niDFS作為輸入?yún)?shù)。

推力估計(jì)器與PID控制器共同構(gòu)成直接推力控制回路，實(shí)現(xiàn)對(duì)主發(fā)動(dòng)機(jī)和涵道風(fēng)扇推力的閉環(huán)控制。控制器根據(jù)推力指令與推力估計(jì)值的偏差，調(diào)節(jié)主燃油流量和電機(jī)輸入功率，確保推力跟蹤精度。

3.2 能源分配策略模糊控制器設(shè)計(jì)

分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)中存在復(fù)雜的能源分配問題。由于驅(qū)動(dòng)涵道風(fēng)扇的大功率電機(jī)具有非線性和恒功率特性，其起動(dòng)、突加、突卸等運(yùn)行狀態(tài)會(huì)給主發(fā)動(dòng)機(jī)帶來較大的瞬態(tài)功率沖擊。同時(shí)，電機(jī)在制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量回饋可能對(duì)總線電壓造成波動(dòng)，影響系統(tǒng)供電品質(zhì)。因此，需要設(shè)計(jì)合理的能源分配策略，協(xié)調(diào)主發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電池和電機(jī)之間的功率流動(dòng)。

采用T-S模糊推理系統(tǒng)作為能源分配策略的控制器核心。與Mamdani型模糊推理系統(tǒng)相比，T-S模糊推理系統(tǒng)更適合多輸入單輸出系統(tǒng)，具有計(jì)算效率高、適用于實(shí)時(shí)性要求高系統(tǒng)的特點(diǎn)。

模糊控制器選取三個(gè)輸入?yún)?shù)：電池荷電狀態(tài)SOC、主發(fā)動(dòng)機(jī)低壓折合轉(zhuǎn)速n、電池歸一化充放電電流I。針對(duì)SOC設(shè)置了低、中、高三個(gè)狀態(tài)；針對(duì)n設(shè)置了中間、超高兩個(gè)狀態(tài)，當(dāng)?shù)蛪恨D(zhuǎn)子即將超限時(shí)，通過增加發(fā)電機(jī)電磁扭矩提高低壓軸功率提取，降低低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；針對(duì)電池電流按最大充放電電流Imax歸一化，設(shè)置了較大負(fù)值、負(fù)值、中間小值、正值、較大正值五個(gè)狀態(tài)。

控制器輸出為低壓軸功率提取增量ΔPPOT，設(shè)置負(fù)值、保持不變和正值三個(gè)狀態(tài)。控制規(guī)則設(shè)計(jì)目標(biāo)為：通過調(diào)節(jié)主發(fā)動(dòng)機(jī)低壓軸功率提取量，控制電池電流在充放電倍率限制以內(nèi)，同時(shí)保持電池SOC在健康范圍內(nèi)，并具備低壓軸轉(zhuǎn)子超限保護(hù)能力。

在電池SOC處于30%-80%健康區(qū)間且充放電電流無超限趨勢(shì)時(shí)，ΔPPOT為0，保持當(dāng)前提取功率不變。當(dāng)SOC過高時(shí)，ΔPPOT為-1，降低功率提取以減小充電電流或增大放電電流；當(dāng)SOC過低時(shí)，ΔPPOT為+1，增加功率提取以增大充電電流或減小放電電流。在n超限情況下，輸出最大正值，強(qiáng)制增加功率提取以降低低壓轉(zhuǎn)速。

四、仿真結(jié)果與分析

4.1 電系統(tǒng)模型有效性驗(yàn)證

為驗(yàn)證電機(jī)模型和電池模型的準(zhǔn)確性，將仿真結(jié)果與文獻(xiàn)參考值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。電機(jī)需求電流的計(jì)算值與文獻(xiàn)參考計(jì)算值吻合良好，驗(yàn)證了電機(jī)模型的有效性。電池終端電壓輸出與參考計(jì)算值基本一致，驗(yàn)證了電池模型的準(zhǔn)確性。電池SOC的仿真誤差相對(duì)較大，但變化趨勢(shì)與參考值基本吻合。誤差主要來源于驗(yàn)證過程中電流輸入剖面與文獻(xiàn)無法完全一致，且SOC計(jì)算包含積分運(yùn)算，輸入設(shè)置的微小誤差會(huì)隨積分時(shí)間累積。

4.2 控制效果分析

為驗(yàn)證能源分配策略的有效性，將推進(jìn)系統(tǒng)模型中涵道風(fēng)扇數(shù)量設(shè)置為兩個(gè)，給定主發(fā)動(dòng)機(jī)和兩個(gè)涵道風(fēng)扇的推力參考指令。主發(fā)動(dòng)機(jī)推力控制最大誤差不超過2%，涵道風(fēng)扇推力控制最大誤差不超過1%。誤差主要集中在狀態(tài)過渡過程，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，主發(fā)動(dòng)機(jī)和涵道風(fēng)扇推力估計(jì)值誤差均在0.5%以內(nèi)。

在能源分配策略驗(yàn)證中，將電池模型容量由400Ah縮減至4Ah，以便在有限仿真時(shí)間歷程中體現(xiàn)電池容量的明顯變化。仿真過程中，涵道風(fēng)扇參考推力指令發(fā)生多次階躍變化，消耗電功率相應(yīng)波動(dòng)。模糊邏輯控制器通過調(diào)節(jié)主發(fā)動(dòng)機(jī)低壓軸提取功率，將電池充電電流始終控制在放電倍率限制范圍內(nèi)。

當(dāng)SOC高于健康范圍上限時(shí)，控制器降低低壓軸功率提取，使電池電流回正轉(zhuǎn)為放電狀態(tài)；當(dāng)SOC低于健康范圍下限時(shí)，控制器增加低壓軸功率提取，提升充電電流。在整個(gè)仿真過程中，電池SOC始終維持在30%-80%健康區(qū)間，電池電流未超過充放電倍率限制，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)能源分配策略的有效性。

4.3 模型實(shí)時(shí)性驗(yàn)證

在主頻2.1 GHz的計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，對(duì)模型程序各模塊進(jìn)行耗時(shí)統(tǒng)計(jì)。仿真步長(zhǎng)25 ms，仿真總時(shí)間250 s，動(dòng)態(tài)計(jì)算總次數(shù)10001次。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，半渦電分布式推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模型平均單步耗時(shí)僅0.126 ms。

采用Windows系統(tǒng)提供的高精度計(jì)時(shí)函數(shù)QueryPerformanceCounter進(jìn)行微秒級(jí)統(tǒng)計(jì)，主發(fā)動(dòng)機(jī)部件級(jí)模型單步平均耗時(shí)為0.037 ms，單步最大耗時(shí)不超過0.250 ms；涵道風(fēng)扇部件級(jí)模型單步平均耗時(shí)0.010 ms，單步最大耗時(shí)不超過0.080 ms。該實(shí)時(shí)性能指標(biāo)能夠滿足后續(xù)硬件在環(huán)仿真和電子控制器原型機(jī)研制對(duì)模型實(shí)時(shí)性的要求。

五、結(jié)論與展望

5.1 研究結(jié)論

本文針對(duì)半渦電分布式推進(jìn)系統(tǒng)開展了動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)建模與控制方法研究，主要得出以下結(jié)論：

（1）系統(tǒng)建模方面，基于部件級(jí)建模方法構(gòu)建了渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、涵道風(fēng)扇及電機(jī)等動(dòng)態(tài)模型，詳細(xì)闡述了電系統(tǒng)模塊的建模方法及推進(jìn)系統(tǒng)中功率傳遞路徑，并結(jié)合文獻(xiàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了電機(jī)模型和電池模型的有效性。

（2）實(shí)時(shí)計(jì)算方面，提出了一種基于功率平衡的分布式迭代實(shí)時(shí)計(jì)算方法，通過模塊間并行計(jì)算提高模型實(shí)時(shí)性。在主頻2.1 GHz計(jì)算機(jī)上模型平均單步計(jì)算耗時(shí)僅0.126 ms，滿足硬件在環(huán)仿真對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。

（3）控制策略方面，設(shè)計(jì)了基于增量式模糊邏輯的能量管理策略。該策略通過控制低壓渦輪功率提取量，有效保證了電池SOC的穩(wěn)定性，將工作電流限制在安全范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了TeDP系統(tǒng)的能源有效管理。該方法具有易于設(shè)計(jì)、可解釋性強(qiáng)的特點(diǎn)。

5.2 未來發(fā)展趨勢(shì)

展望未來，分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)將朝著以下方向發(fā)展：

在技術(shù)突破層面，高能量密度儲(chǔ)能裝置和超導(dǎo)電機(jī)技術(shù)是制約系統(tǒng)性能提升的關(guān)鍵瓶頸。未來需要發(fā)展比能量超過0.6 kWh/kg的電池技術(shù)和功率密度超過16 kW/kg的電機(jī)技術(shù)，以滿足大型商用飛機(jī)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的嚴(yán)苛要求。

在系統(tǒng)集成層面，分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)已超越傳統(tǒng)單一動(dòng)力技術(shù)范疇，成為飛機(jī)總體設(shè)計(jì)、動(dòng)力系統(tǒng)和機(jī)電系統(tǒng)深度融合的技術(shù)集合體。未來需要依托跨專業(yè)、跨領(lǐng)域的協(xié)同研發(fā)模式，推進(jìn)飛發(fā)一體化技術(shù)發(fā)展。

在控制方法層面，隨著系統(tǒng)復(fù)雜度的增加，基于模型預(yù)測(cè)控制的能量管理策略展現(xiàn)出良好應(yīng)用前景。通過綜合考慮飛行力學(xué)與氣動(dòng)推進(jìn)耦合效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)從氣動(dòng)視角優(yōu)化功率分配，進(jìn)一步降低燃油消耗。

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湖南泰德航空技術(shù)有限公司于2012年成立，多年來持續(xù)學(xué)習(xí)與創(chuàng)新，成長(zhǎng)為行業(yè)內(nèi)有影響力的高新技術(shù)企業(yè)。公司聚焦高品質(zhì)航空航天流體控制元件及系統(tǒng)研發(fā)，深度布局航空航天、船舶兵器、低空經(jīng)濟(jì)等高科技領(lǐng)域，在航空航天燃/滑油泵、閥元件、流體控制系統(tǒng)及航空測(cè)試設(shè)備的研發(fā)上投入大量精力持續(xù)研發(fā)，為提升公司整體競(jìng)爭(zhēng)力提供堅(jiān)實(shí)支撐。

公司總部位于長(zhǎng)沙市雨花區(qū)同升街道匯金路877號(hào)，株洲市天元區(qū)動(dòng)力谷作為現(xiàn)代化生產(chǎn)基地，構(gòu)建起集研發(fā)、生產(chǎn)、檢測(cè)、測(cè)試于一體的全鏈條產(chǎn)業(yè)體系。經(jīng)過十余年穩(wěn)步發(fā)展，成功實(shí)現(xiàn)從貿(mào)易和航空非標(biāo)測(cè)試設(shè)備研制邁向航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)、無人機(jī)、靶機(jī)、eVTOL等飛行器燃油、潤(rùn)滑、冷卻系統(tǒng)的創(chuàng)新研發(fā)轉(zhuǎn)型，不斷提升技術(shù)實(shí)力。

公司已通過 GB/T 19001-2016/ISO 9001:2015質(zhì)量管理體系認(rèn)證，以嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)保障產(chǎn)品質(zhì)量。公司注重知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)和利用，積極申請(qǐng)發(fā)明專利、實(shí)用新型專利和軟著，目前累計(jì)獲得的知識(shí)產(chǎn)權(quán)已經(jīng)有10多項(xiàng)。湖南泰德航空以客戶需求為導(dǎo)向，積極拓展核心業(yè)務(wù)，與國(guó)內(nèi)頂尖科研單位達(dá)成深度戰(zhàn)略合作，整合優(yōu)勢(shì)資源，攻克多項(xiàng)技術(shù)難題，為進(jìn)一步的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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