一种活塞与涡轴双动力直升机的改装动力控制方法与流程

本发明涉及飞行控制，尤其涉及一种活塞与涡轴双动力直升机的改装动力控制方法。

背景技术：

1、近年来，随着直升机应用领域的拓展，对动力系统的经济性与复杂工况响应能力要求不断提高，结合活塞发动机高经济性与涡轴发动机高功率密度优势的双动力直升机，已成为航空动力改装的重要方向，双动力系统的耦合分配机制极为复杂，总距突变易引发主减速器扭矩剧烈波动，异构双动力链路受部件老化与传感器噪声等影响，系统参数存在显著的不确定性，对动力控制系统的自适应动态协调与鲁棒性设计提出了严苛要求。

2、目前，公开号为cn110905671b的中国发明专利公开了无人直升机动力控制方法及直升机，包括：以下步骤：获取当前飞行状态下的大气压力值、当前发动机的进气压力值、旋翼的操纵量和发动机当前的转速，核准标准大气压值、设定的额定转速和地面标定的节气门开度随桨距变化的曲线的斜率；根据获取的所述大气压力值确定涡轮旁通阀的预设开度；确定修正系数和调整系数。根据本发明的无人直升机动力控制方法，能够使直升机的发动机转速稳定控制与发动机动力输出不因海拔高度而降低，有利于保证直升机在高原的升力性能以及转速的稳定性，但是现有技术中，未利用实时数据构建不确定参数可行域，导致参数摄动大时控制易保守或失稳，功率指令优化缺乏在线梯度提取与多维约束投影，无法自适应修正分配指令，面对总距突变引发的扭矩冲击，未结合可行域生成鲁棒约束进行预测时域内的主动整形，易致主减速器扭矩剧烈波动，缺乏基于扭矩残差与约束紧张度的反向触发及可行域动态收缩更新机制，在模型失配或约束紧张时无法自主调整，限制了极端工况下的动态品质与运行安全性。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：未利用实时数据构建不确定参数可行域，导致参数摄动大时控制易保守或失稳，功率指令优化缺乏在线梯度提取与多维约束投影，无法自适应修正分配指令，面对总距突变引发的扭矩冲击，未结合可行域生成鲁棒约束进行预测时域内的主动整形，易致主减速器扭矩剧烈波动，缺乏基于扭矩残差与约束紧张度的反向触发及可行域动态收缩更新机制，在模型失配或约束紧张时无法自主调整，限制了极端工况下的动态品质与运行安全性。

2、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案，一种活塞与涡轴双动力直升机的改装动力控制方法，包括以下步骤：

3、步骤s1，获取直升机机载传感器输出的原始测量数据序列并转化为有界不确定集合，并进行更新计算，输出更新后的不确定参数可行域；

4、步骤s2，将预设幅度的小幅扰动信号叠加至功率分配指令数值上，并采集响应数据序列，计算响应数据序列的梯度数值进行约束投影计算，生成功率分配指令；

5、步骤s3，采集直升机的总距操纵杆位移信号和主减速器需求扭矩信号，基于更新后的不确定参数可行域生成鲁棒约束条件；

6、步骤s4，在鲁棒约束条件下，计算可达扭矩轨迹与扭矩斜率上限，构建以主减速器输入扭矩曲线方差最小化为目标函数、以所述可达扭矩轨迹与扭矩斜率上限为约束的优化问题，求解生成整形扭矩指令并执行；

7、步骤s5，计算整形扭矩指令与实际输出扭矩数值的扭矩残差数值，并计算约束的紧张度指标，若扭矩残差数值和约束紧张度指标数值满足预设反向触发条件，则对更新后的不确定参数可行域进行收缩更新计算，得到收缩后的不确定参数可行域。

8、步骤s5，计算整形扭矩指令的扭矩数值与实际输出扭矩数值，得到扭矩残差数值，并计算约束的紧张度指标，判断扭矩残差数值和约束紧张度指标数值是否满足预设反向触发条件，若是，则对更新后的不确定参数可行域进行收缩更新计算，得到收缩后的不确定参数可行域。

9、作为本发明所述的活塞与涡轴双动力直升机的改装动力控制方法的一种优选方案，其中，所述步骤s1具体包括：

10、获取直升机机载传感器输出的原始测量数据序列；

11、所述原始测量数据序列包括活塞发动机转速、涡轴发动机转速、主减速器输入扭矩和发动机排气温度；

12、在预设滑动时间窗口内提取所述原始测量数据序列中的最大数值与最小数值；

13、将所述最小数值减去预设传感器噪声容限作为下界，将所述最大数值加上预设传感器噪声容限作为上界；

14、基于所述上界和所述下界，得到传感器的测量不确定闭区间；

15、将所述测量不确定闭区间输入至预设参数映射模型中，计算得到当前时刻系统参数的取值范围；

16、所述系统参数包括时滞、时间常数和扭矩斜率限制参数；

17、将所述系统参数的取值范围中的最大值作为参数上界，将所述系统参数的取值范围中的最小值作为参数下界；

18、将所述参数上界与所述参数下界构成的闭区间，作为当前时刻的有界不确定集合；

19、计算所述参数上界与所述参数下界之间的差值，将所述差值作为所述有界不确定集合的宽度数值；

20、将所述宽度数值与预设宽度阈值进行比较；

21、若所述宽度数值大于所述预设宽度阈值，则将所述有界不确定集合与上一时刻输出的不确定参数可行域进行交集运算，得到更新后的不确定参数可行域；

22、若所述宽度数值小于或等于所述预设宽度阈值，则跳过交集运算，直接将上一时刻输出的不确定参数可行域，设定为当前时刻更新后的不确定参数可行域并输出。

23、作为本发明所述的活塞与涡轴双动力直升机的改装动力控制方法的一种优选方案，其中，所述交集运算具体包括：

24、将所述有界不确定集合的下界与上一时刻不确定参数可行域的下界中的最大值，作为更新后的下界；

25、将所述有界不确定集合的上界与上一时刻不确定参数可行域的上界中的最小值，作为更新后的上界；

26、判断所述更新后的上界是否大于或等于所述更新后的下界；

27、若是，则将所述更新后的上界与所述更新后的下界构成的闭区间，作为更新后的不确定参数可行域并输出；

28、若否，则将预设初始全局参数可行域作为更新后的不确定参数可行域并输出。

29、作为本发明所述的活塞与涡轴双动力直升机的改装动力控制方法的一种优选方案，其中，所述步骤s2具体包括：

30、获取直升机的低功率飞行阶段下发至单台活塞发动机的功率分配指令数值；

31、将预设幅度的小幅扰动信号叠加至所述功率分配指令数值上，得到叠加指令数值；

32、利用单台活塞发动机的电子控制器执行所述叠加指令数值，并实时采集单台活塞发动机的燃油流量数据，作为响应数据序列；

33、对所述响应数据序列和所述小幅扰动信号进行快速傅里叶变换，计算所述响应数据序列和所述小幅扰动信号间的相位差值和幅值比值；

34、基于所述相位差值和幅值比值计算梯度数值；

35、将所述梯度数值乘以预设步长系数得到步进增量数值；

36、将所述步进增量数值与当前功率分配指令数值相加，得到待校验指令数值；

37、判断所述待校验指令数值在各个维度上的分量是否超出预设多维约束边界空间对应的边界数值；

38、若未超出，则将所述待校验指令数值作为更新后的功率分配指令数值；

39、若超出，则将所述待校验指令数值中超出的分量数值替换为所述多维约束边界空间中对应的边界数值，将替换后的待校验指令数值作为更新后的功率分配指令数值。

40、作为本发明所述的活塞与涡轴双动力直升机的改装动力控制方法的一种优选方案，其中，所述步骤s3具体包括：

41、实时采集直升机的总距操纵杆位移信号和主减速器需求扭矩信号；

42、在预设变点检测时间窗口内计算所述总距操纵杆位移信号的第一局部均值数值，并计算所述主减速器需求扭矩信号的第二局部均值数值；

43、计算所述第一局部均值数值与预设第一基准均值数值的第一差值，并计算所述第二局部均值数值与预设第二基准均值数值的第二差值；

44、将所述第一差值与所述第二差值进行求和计算，得到当前时刻的综合特征差值；

45、将所述当前时刻的综合特征差值与前一时刻的累积和统计量数值进行累加计算，得到当前时刻的累积和统计量数值；

46、将所述当前时刻的累积和统计量数值与预设突变判定阈值进行比较；

47、当所述当前时刻的累积和统计量数值大于所述预设突变判定阈值时，生成并输出瞬态启动信号进行参数提取，基于更新后的不确定参数可行域生成鲁棒约束条件。

48、作为本发明所述的活塞与涡轴双动力直升机的改装动力控制方法的一种优选方案，其中，所述进行参数提取具体包括：

49、提取所述更新后的不确定参数可行域中时滞的最大值与最小值、时间常数的最大值与最小值，以及扭矩斜率限制参数的最大值与最小值；

50、将所述时滞的最大值与最小值、所述时间常数的最大值与最小值，以及所述扭矩斜率限制参数的最大值与最小值分别作为边界数值对，组合生成鲁棒约束条件。

51、作为本发明所述的活塞与涡轴双动力直升机的改装动力控制方法的一种优选方案，其中，所述步骤s4具体包括：

52、将所述不确定参数可行域中的时滞最大值、时间常数最大值和扭矩斜率限制参数的最大值，分别代入预设活塞发动机离散动力学方程和预设涡轴发动机离散动力学方程进行计算，得到预设预测时域内各个离散采样时间点上的最大允许输出扭矩值与最大允许扭矩变化率；

53、将各个离散采样时间点上的最大允许输出扭矩值按时序排列，得到可达扭矩轨迹；

54、将所述各个离散采样时间点上的最大允许扭矩变化率，作为扭矩斜率上限；

55、将预设主减速器输入扭矩曲线在所述预设预测时域内各个离散采样时间点上需求扭矩与实际输入扭矩偏差的平方和，设定为目标函数；

56、将预设活塞发动机离散动力学方程和预设涡轴发动机离散动力学方程的状态转移关系作为扭矩等式约束条件，将可达扭矩轨迹作为扭矩上界不等式约束条件，将扭矩斜率上限作为斜率不等式约束条件；

57、将所述目标函数、扭矩等式约束条件和斜率不等式约束条件输入二次规划求解器；

58、通过所述二次规划求解器，在扭矩等式约束条件、扭矩上界不等式约束条件与斜率不等式约束条件下，以目标函数最小为优化目标计算得到最优扭矩序列；

59、提取所述最优扭矩序列中的首个元素，并将所述首个元素转换为对应时刻的扭矩数值，作为整形扭矩指令，将所述整形扭矩指令下发至对应的发动机电子控制器执行。

60、作为本发明所述的活塞与涡轴双动力直升机的改装动力控制方法的一种优选方案，其中，所述步骤s5具体包括：

61、实时采集主减速器输入轴处的扭矩传感器数值，作为实际输出扭矩数值；

62、计算所述整形扭矩指令的扭矩数值与所述实际输出扭矩数值的差值绝对值，将所述差值绝对值作为扭矩残差数值；

63、提取所述鲁棒约束条件中当前时刻的整形扭矩指令对应的扭矩约束边界数值；

64、计算所述整形扭矩指令的扭矩数值与所述扭矩约束边界数值间的距离差值；

65、将所述扭矩约束边界数值中的上限值与下限值之差，作为约束边界总宽度；

66、计算所述距离差值与所述约束边界总宽度的比值，将所述比值作为约束紧张度指标数值；

67、判断所述扭矩残差数值和所述约束紧张度指标数值是否满足反向触发条件，若是，则利用所述扭矩残差数值和约束紧张度指标数值对所述更新后的不确定参数可行域进行收缩更新计算，得到收缩后的不确定参数可行域。

68、作为本发明所述的活塞与涡轴双动力直升机的改装动力控制方法的一种优选方案，其中，所述判断所述扭矩残差数值和所述约束紧张度指标数值是否满足反向触发条件具体包括：

69、所述反向触发条件包括第一反向触发条件和第二反向触发条件；

70、将所述扭矩残差数值与预设第一残差阈值进行比较；

71、若所述扭矩残差数值大于预设第一残差阈值，则获取所述扭矩残差数值大于预设第一残差阈值的持续时长，作为残差持续时长；

72、若所述残差持续时长大于第一预设时间阈值，则判定满足第一反向触发条件；

73、若所述扭矩残差数值小于或等于预设第一残差阈值，或所述残差持续时长小于或等于第一预设时间阈值时，则判断所述扭矩残差数值是否小于预设第二残差阈值，且同时判断所述约束紧张度指标数值是否小于预设紧张度阈值；

74、若所述扭矩残差数值小于所述第二残差阈值且所述约束紧张度指标数值小于所述紧张度阈值，则判定满足第二反向触发条件；

75、若所述扭矩残差数值大于或等于所述第二残差阈值，或所述约束紧张度指标数值大于或等于预设紧张度阈值，则判定不满足第二反向触发条件。

76、作为本发明所述的活塞与涡轴双动力直升机的改装动力控制方法的一种优选方案，其中，所述利用所述扭矩残差数值和约束紧张度指标数值对所述更新后的不确定参数可行域进行收缩更新计算具体包括：

77、当判定满足所述第一反向触发条件时，调取预设初始全局参数可行域，将所述更新后的不确定参数可行域替换为所述预设初始全局参数可行域；

78、当判定满足所述第二反向触发条件时，将所述扭矩残差数值输入至预设比例积分控制器中，计算得到第一收缩系数；

79、将所述约束紧张度指标数值输入至预设比例控制器中，计算得到第二收缩系数；

80、将所述第一收缩系数与预设第一权重系数进行乘积计算，得到第一乘积结果，将所述第二收缩系数与预设第二权重系数进行乘积计算，得到第二乘积结果，并计算所述第一乘积结果与所述第二乘积结果之和，得到目标收缩系数；

81、将更新后的不确定参数可行域的上界数值减去所述目标收缩系数，并将更新后的不确定参数可行域的下界数值加上所述目标收缩系数，得到更新后的目标上界数值与更新后的目标下界数值；

82、将所述目标上界数值和所述目标下界数值构成的闭区间作为收缩后的不确定参数可行域。

83、本发明的有益效果：本发明通过动态更新不确定参数可行域并创新引入基于扭矩残差与约束紧张度的反向触发机制，实现可行域的自适应扩张与收缩，有效克服了参数摄动引发的保守或失稳问题，结合在线梯度提取与多维约束投影，精准自适应修正功率分配指令；面对总距突变，基于可行域生成鲁棒约束，在预测时域内对扭矩轨迹进行主动整形规划，有效抑制了主减速器扭矩波动，全面提升了双动力直升机在极端突变工况下的动态品质与运行安全性。