一种面向外部环境扰动的多源航空电推进动力系统频域解耦与动态优化能量管理方法

本发明属于航空混合电推进系统控制，尤其涉及一种面向外部环境扰动的多源航空电推进动力系统频域解耦与动态优化能量管理方法。

背景技术：

1、多源航空电推进动力系统中，由动态响应较慢的主动力源和动态响应较快的辅助动力源构成的组合供能形式已成为重要技术路线。该类系统通常由慢响应主动力源承担主要持续功率输出，由快响应辅助动力源承担瞬态功率补偿与母线动态支撑。航空器飞行过程中受到阵风、湍流、风切变以及机动状态变化等因素影响，推进负载会随外部环境和飞行状态快速波动，并表现为直流母线功率需求的连续变化。在一类优选应用中，所述慢响应主动力源可为燃料电池系统、涡电发电系统或其他持续供能动力源，所述快响应辅助动力源可为锂电池系统、超级电容系统或其他高动态响应储能单元。

2、模型预测控制方法能够在预测时域内综合处理功率平衡、荷电状态演化及动力源运行约束，大多直接以总功率需求作为优化输入，在统一目标函数中同时求解慢响应主动力源输出功率、快响应辅助动力源输出功率及相关状态变量。该类方法虽可提高多动力源协调控制能力，但未在输入侧对总功率需求中的低频基准功率与高频扰动功率进行解耦，外部扰动增强时，优化器为减小整体功率跟踪误差，仍可能驱动慢响应主动力源参与高频功率调节。慢响应主动力源存在固有动态滞后，其工作特性决定其更适于承担变化较缓的功率输出，频繁跟踪高频功率指令，会引起反应物供给失配、电压波动加剧，进而加速部件老化，影响系统使用寿命。

3、以深度强化学习为代表的数据驱动优化方法在非线性系统控制和复杂工况决策方面具有较强表达能力，通常通过样本训练建立状态量与控制量之间的映射关系，对精确机理模型的依赖较低。但是航空动力系统对控制边界的确定性、可验证性和极端工况下的安全性要求较高，数据驱动方法在训练样本覆盖不足或实际扰动偏离训练分布时，难以直接给出严格的物理边界保证。强扰动工况下，控制器可能产生超出慢响应主动力源功率变化能力或超出快响应辅助动力源充放电能力的控制指令，增加动力源超限运行等风险。

4、采用低通滤波、小波分析等信号处理方法对功率需求进行分解，并结合优化分配或状态反馈控制实施能量管理，能够在一定程度上识别功率需求中的不同频率成分，减弱高频扰动对主动力源的直接冲击。但信号分解环节与后续控制环节通常相对独立，分解结果多用于辅助修正功率分配策略，未作为统一优化框架中的核心调节变量，扰动强度发生变化时，控制器缺少依据高频扰动水平在线调整控制权重的机制，难以对外部环境冲击作出自适应响应。持续强扰动作用下，快响应辅助动力源还可能因输出饱和或荷电状态接近边界而失去调节余量，现有方法通常缺少面向极端工况的受控越界与安全兜底机制，难以兼顾慢响应主动力源寿命保护与母线供能连续性。

5、综上所述，现有技术尚缺少一种面向外部环境扰动的多源航空电推进动力系统能量管理方法，能够在控制输入层面对总功率需求中的高频暂态分量和低频基准分量进行有效解耦，并在优化求解过程中结合快响应辅助动力源状态及物理边界进行动态调节，同时在极端工况下保留受控的安全兜底能力，以兼顾慢响应主动力源保护需求和飞行持续供能需求。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种面向外部环境扰动的多源航空电推进动力系统频域解耦与动态优化能量管理方法，所述多源航空电推进动力系统包括慢响应主动力源系统、快响应辅助动力源系统、直流母线、推进电机负载、单向功率变换装置、双向功率变换装置以及能量管理控制器，包括：

2、获取航空器的飞行状态参数、外部环境扰动参数以及推进系统运行参数，根据所述飞行状态参数、所述外部环境扰动参数以及所述推进系统运行参数结合推进模型，实时解算直流母线的总功率需求；

3、对所述总功率需求进行频域解耦，分离出低频基准功率和高频暂态功率，并根据所述高频暂态功率构造扰动强度表征量；

4、根据所述慢响应主动力源系统的动态响应能力构建输出功率变化率约束，在所述输出功率变化率约束中引入松弛变量以形成受控软约束，以及根据所述快响应辅助动力源系统的荷电状态和运行状态构建输出功率边界；

5、在预测时域内建立包含高频功率跟踪代价项的优化目标函数，依据所述扰动强度表征量在线调整所述高频功率跟踪代价项的权重系数，在所述受控软约束和所述输出功率边界的共同约束下，求解所述优化目标函数，得到当前时刻的最优功率分配结果；

6、将所述最优功率分配结果转换为所述单向功率变换装置和所述双向功率变换装置的控制指令，并分别发送至所述慢响应主动力源系统和所述快响应辅助动力源系统执行，以实现协同供能。

7、可选地，获取航空器的飞行状态参数、外部环境扰动参数以及推进系统运行参数，根据所述飞行状态参数、所述外部环境扰动参数以及所述推进系统运行参数结合推进模型，实时解算直流母线的总功率需求，具体包括：

8、所述飞行状态参数包括飞行速度、飞行高度、姿态角、爬升率、加速度以及飞行模式指令中的一种或多种，所述外部环境扰动参数包括阵风速度、湍流强度、风切变特征量以及气流变化率中的一种或多种，所述推进系统运行参数包括推进电机转速、输出转矩、螺旋桨工作状态以及逆变装置运行状态中的一种或多种；

9、根据所述飞行状态参数和所述外部环境扰动参数，结合飞行动力学模型、气动载荷模型和推进特性模型计算推进功率需求，获取机载辅助电负载功率需求，将所述推进功率需求与所述机载辅助电负载功率需求之和除以推进链路综合效率，得到所述直流母线的总功率需求。

10、可选地，对所述总功率需求进行频域解耦，分离出低频基准功率和高频暂态功率，具体包括：

11、采用低通滤波方式对所述总功率需求进行滤波处理，提取所述总功率需求中的低频成分，得到所述低频基准功率；

12、将所述总功率需求减去所述低频基准功率，得到所述高频暂态功率。

13、可选地，根据所述高频暂态功率构造扰动强度表征量，具体包括：

14、在预设长度的滑动时间窗口内，对所述高频暂态功率的瞬时值进行平方积分或离散化平方累加，将积分或累加结果作为高频功率能量累积值，并将所述高频功率能量累积值作为所述扰动强度表征量。

15、可选地，根据所述慢响应主动力源系统的动态响应能力构建输出功率变化率约束，在所述输出功率变化率约束中引入松弛变量以形成受控软约束，具体包括：

16、获取所述慢响应主动力源系统的运行状态，根据所述运行状态确定输出功率上升变化率边界和输出功率下降变化率边界；

17、将所述输出功率变化率约束限定为：所述慢响应主动力源系统的输出功率变化率大于等于所述输出功率下降变化率边界的负值减去所述松弛变量，且小于等于所述输出功率上升变化率边界加上所述松弛变量，所述松弛变量为非负值，以允许在极端工况下所述慢响应主动力源系统的输出功率变化率受控地超出所述输出功率上升变化率边界或所述输出功率下降变化率边界。

18、可选地，根据所述快响应辅助动力源系统的荷电状态和运行状态构建输出功率边界，具体包括：

19、获取所述快响应辅助动力源系统的当前荷电状态和运行状态，根据所述当前荷电状态和所述运行状态确定当前时刻允许的最大输出功率边界和最小输出功率边界；

20、将所述快响应辅助动力源系统的输出功率限定在所述最小输出功率边界与所述最大输出功率边界之间。

21、可选地，快响应辅助动力源系统的荷电状态按照以下方式更新：

22、获取所述快响应辅助动力源系统的输出功率和控制周期时长，根据所述输出功率和所述控制周期时长，结合充放电效率确定等效能量变化量；

23、将上一时刻的荷电状态减去所述等效能量变化量与所述快响应辅助动力源系统可用能量的比值，得到当前时刻的荷电状态。

24、可选地，在预测时域内建立包含高频功率跟踪代价项的优化目标函数，依据所述扰动强度表征量在线调整所述高频功率跟踪代价项的权重系数，在所述受控软约束和所述输出功率边界的共同约束下，求解所述优化目标函数，得到当前时刻的最优功率分配结果，具体包括：

25、在预测时域内，将所述慢响应主动力源系统的输出功率与所述快响应辅助动力源系统的输出功率之和等于所述总功率需求与功率变换及供能链路损耗等效项之和，作为功率平衡约束条件；

26、建立优化目标函数，所述优化目标函数包括所述慢响应主动力源系统的燃料消耗代价项、所述快响应辅助动力源系统的荷电状态维持代价项、所述快响应辅助动力源系统的输出功率与所述高频暂态功率之间的跟踪误差代价项以及对所述松弛变量的惩罚项；

27、在所述跟踪误差代价项中配置自适应权重系数，所述自适应权重系数随所述扰动强度表征量的增大而单调递增；

28、在所述功率平衡约束条件、所述受控软约束和所述输出功率边界的共同约束下，求解使所述优化目标函数取得最小值的功率分配序列，并从所述功率分配序列中提取当前时刻的所述最优功率分配结果。

29、可选地，自适应权重系数随所述扰动强度表征量的增大而单调递增，具体为：

30、所述自适应权重系数等于基础权重与扰动敏感系数乘以所述扰动强度表征量之和，其中所述扰动敏感系数大于零。

31、可选地，将所述最优功率分配结果转换为所述单向功率变换装置和所述双向功率变换装置的控制指令，并分别发送至所述慢响应主动力源系统和所述快响应辅助动力源系统执行，具体包括：

32、获取所述慢响应主动力源系统的等效端电压，将所述最优功率分配结果中的慢响应主动力源系统最优输出功率除以所述慢响应主动力源系统的等效端电压，得到所述慢响应主动力源系统的目标控制电流；

33、获取所述快响应辅助动力源系统的等效端电压，将所述最优功率分配结果中的快响应辅助动力源系统最优输出功率除以所述快响应辅助动力源系统的等效端电压，得到所述快响应辅助动力源系统的目标控制电流；

34、将所述慢响应主动力源系统的目标控制电流和所述快响应辅助动力源系统的目标控制电流分别发送至对应的功率变换装置执行。

35、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

36、本发明提供的面向外部环境扰动的多源航空电推进动力系统频域解耦与动态优化能量管理方法，通过在优化求解之前对总功率需求进行频域解耦处理，将飞行任务主导下的低频基准功率与外部环境扰动引起的高频暂态功率相互分离，使慢响应主动力源系统主要承担变化平缓的低频基准功率，使快响应辅助动力源系统优先承担高频暂态功率，从而在控制输入层面削弱了慢响应主动力源系统与高频功率波动之间的耦合关系，有效减少了慢响应主动力源系统参与高频功率调节的程度，缓解了因频繁跟踪高频指令而引发的反应物供给失配和电压波动问题，有助于延缓部件老化过程，提高系统运行寿命。

37、本发明进一步通过基于高频暂态功率构造扰动强度表征量，并将该扰动强度表征量作为优化目标函数中高频功率跟踪代价项的自适应权重调节依据，使得能量管理策略能够根据外部环境扰动的实际强弱在线改变控制侧重点：扰动较弱时控制器兼顾燃料消耗经济性和荷电状态维持，扰动增强时控制器自动强化快响应辅助动力源系统对高频暂态功率的跟踪能力，从而提高了能量管理方法对不同扰动工况的适应能力和响应灵活性。

38、本发明还在慢响应主动力源系统的输出功率变化率约束中引入带有高惩罚项的松弛变量，形成受控软约束机制，使系统在常规工况下严格按照预设变化率边界运行以保护慢响应主动力源，而在极端扰动工况下允许松弛变量被有限度激活，使慢响应主动力源系统的功率变化率发生受控放宽，避免因刚性约束导致优化问题无解或可行域过度收缩，从而在保障慢响应主动力源系统寿命保护需求的同时，保留了极端工况下的持续供能能力，提高了多源航空电推进动力系统在复杂飞行环境下的供能安全性和控制鲁棒性。