CN103336442B - 一种基于agent建模技术的飞机电力系统半实物仿真方法 - Google Patents

Abstract

一种基于AGENT建模技术的飞机电力系统半实物仿真方法，它包括飞机电源系统智能控制和测试的虚拟运行环境建模方法，建立基于多AGENT技术的现代飞机电源系统仿真模型，支持决策评估的知识库建模，半实物仿真平台实现和飞机电力系统性能评估方法；本发明充分体现现代大型飞机电源分布控制的完备仿真模型，克服目前飞机电源系统的仿真主要基于纯软件仿真，且大多未能很好的考虑负载模型对飞机电源系统的影响的缺点；在建立基于AGENT技术的飞机电力系统模型的基础上，再配以一款高速数据采集卡，非常方便地和飞机发电机电压调节器以及相关的检测装置形成有效地半实物仿真验证平台，以对大型飞机电力系统励磁控制的可靠性和安全性进行实时验证。

Description

一种基于AGENT建模技术的飞机电力系统半实物仿真方法

技术领域

本发明涉及一种基于AGENT建模技术的飞机电力系统半实物仿真方法。

背景技术

飞机电力系统由电源系统和配电系统组成,其作用是向飞机上的所有用电设备(如飞控系统、航空电子系统、火控系统等)提供电能，以保证飞机的安全飞行和完成运输和作战任务。随着大型飞机向多电和全电方向飞速发展,现代飞机电力系统的结构和控制也越来越复杂，飞机上的各种电子设备日益增多，用电量不断增加，用电负载特性也日趋复杂化，除了常规线性负载外，还有大量的恒功率负载和再生性负载等非线性负载等，这对传统飞机的电源系统的稳定性、可靠性以及电能质量提出了迫切的需求。到目前为止，我国针对大型飞机的高压电源系统的智能控制仿真和控制性能评估方法和国外还有较大的差距，尤其是基于多AGENT技术的飞机电力建模、半物理优化控制仿真以及在此基础上的可靠性测试评估方法未见报道。

在飞机电力系统仿真仿真验证方面，国内外都曾做过不少工作和研究成果，但是对于仿真一般都只限于纯软件仿真。美国80年代推出的一套可用于飞机电源系统模型产生和分析的EASY软件。EASY是波音飞机公司为研制先进的环控系统而开发的。它的设计思想和所提供的各种分析方法原则上能够分析任何可以由数学来描述的系统。其基本思想是定义一系列“标准元件”，每一标准元件对应一类特定的硬件，用户可以自由地从元件库中选择标准元件构成系统，然后进行系统分析。美国最大的飞机电源系统生产厂家桑特斯特朗通用电源公司于80年代研制的SCEPTRE软件，可用于对IDG和VSCF电源系统进行数字仿真，并可用于并联电源系统的运行过程分析。此外，俄罗斯、英国和法国也开发了具有较高水平的飞机电源系统仿真软件。相比较而言，EASY软件在美国飞机电源系统的研究和分析中应用较广，对飞机电源系统的仿真设计和性能验证等方面具有较广泛的应用。

在国内，对飞机电源系统进行研究主要集中在南京航空航天大学、西北工业大学、北京航空航天大学等高校、国内一些研究院所和飞机制造公司。据目前查到的资料来看，我国关于飞机电源系统的数字仿真最早是从上世纪八十年代末开始的，相关的文献中讨论了飞机交流电源系统发电机并联运行时的供电网络模型的暂态过渡过程响应。也有文献分析了暂态分析程序EMTP在飞机电气系统中的应用前景。在九十年代中期，南京航空航天大学开发出的《变速恒频飞机电气系统的全数字仿真》软件包已经申请了国家专利。由于受到当时计算机发展水平的限制，以上仿真软件所采用的计算机编程工具都是FORTRAN语言。尽管FORTRAN语言的数据处理能力较强，但由于其本身不是仿真专用语言，因此仿真用的数值计算方法只能靠用循环语句不断的重复在程序中体现，严重影响了仿真速度、仿真精度。此外，它的数据输入格式较呆板、繁杂，提供的人机界面较差，使得开发人员的工作量极大，用户使用不方便。因此，这些软件的应用不是很广，致使电源系统仿真研究难以推广，在这一方面己落后于计算机技术的发展。在1998年航空科技重点实验室获得立项建设，该实验室于2001年6月18日与南航“211”工程同时通过国家验收。实验室共建有5个试验单元,即航空电源系统试验单元,飞机现代配电试验单元,电力电子与运动控制试验单元，计算机数字仿真试验单元和电源结构与工艺研究试验单元。该实验室在汪生院士、严仰光教授和胡育文教授等一批专家的带领下已取得了一系列优秀成果。主要采用了目前普遍使用的仿真工具MATLAB电气系统模块对同步发电机、电励磁双凸极电机为核心的飞机电源系统进行了仿真。在基于隐式梯形积分法的电力系统暂态稳定性仿真研究中表明，描述元件的数学模型不同，对电力系统的暂态稳定性的影响也很不一样，其中发电机、负荷模型的影响尤为突出。发电机模型根据其结构和工作原理、计算精度的要求，MATLAB提供了2-6阶模型。负载一般分为电阻性、电感性和电容性负载，根据负载的暂态特性还可以分为负荷模型主要有静态负荷模型、物理动态负荷模型和非物理动态负荷模型等。在仿真中一般分为恒阻抗负荷、恒电流负荷、恒功率负荷和电动机负荷等。但是对于飞机电源系统仿真稳定性的判定一般都是采用纯阻性负载尽可能多做一些可能的严酷状态，如负载和转速的阶跃输入和脉冲输入作用下仿真系统的响应，基本均未能很好的考虑负载模型对飞机电源系统的影响，这就无法很好地体现飞机上复杂用电负载特性对飞机供电电源品质的影响，从而难以实现对于飞机电源系统工作状态性能全面的检测。另一方面，国内针对飞机电源系统的仿真都是基于某种仿真软件的纯软件仿真，这与飞机的实际电力系统总有一定差别，因此基于这种纯软件仿真设计的飞机电力系统及其控制器很难满足现代大型飞机的实际需要。

电压调节器是飞机电源系统电压稳定性控制的核心控制装置之一，其控制算法、硬件设计和性能测试验证等直接决定飞机电源控制系统设计的先进性和安全性。为了有效地验证飞机电力系统的稳定性、可靠性和安全性，一方面需要建立适于现代飞机电源系统分布控制的仿真模型，包括发电机、整流滤波、各种性质的用电负载、二次电源以及各种控制保护装置的完整仿真模型；另一方面也要求对飞机电力系仿真验证不仅具有较高的静态精度、良好的动态特性，还要具有验证控制系统的实时性、可靠性和安全性。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种基于AGENT建模技术的飞机电力系统半实物仿真方法，它为电力系统的稳定性和性能设计提供了新思路和新方法。

本发明是这样来实现的，解决技术问题：（1）目前飞机电源系统的仿真主要基于纯软件仿真，且大多未能很好的考虑负载模型对飞机电源系统的影响，这就无法很好地体现现代大型飞机上复杂用电负载特性对飞机供电电源品质的影响；（2）飞机电源系统在励磁控制算法上基本上还是以传统的PID为主，即便有些先进算法也由于算法本身复杂、可靠性验证未达到很好的处理等原因暂时无法用于实际。（3）对于飞机电力系统稳定性、可靠性和安全性没有很好评估方法和验证平台。

本发明在建立基于AGENT技术的飞机电力系统模型的基础上，利用该模型和智能飞机电压调节器以及相关的检测装置形成有效地半实物仿真验证平台，以对大型飞机电力系统励磁控制的可靠性和安全性进行验证。因此，它是一个基于智能优化控制为基础的大型飞机电力系统仿真平台以及相应的验证方法，该平台能在理论与实验两方面为研制和开发大型飞机的电力系统的稳定性和性能设计提供新思路和新方法。

采用的技术方案：一种基于AGENT建模技术的飞机电力系统半实物仿真方法，包括飞机电源系统智能控制和测试的虚拟运行环境建模方法，建立基于多AGENT技术的现代飞机电源系统仿真模型，支持决策评估的知识库建模，半实物仿真平台实现和飞机电力系统性能评估方法等几个部分。

（1）飞机电源系统智能控制和测试的虚拟运行环境建模方法

飞机电源系统运行环境建模方法与控制器智能行为之间存在密切关系，分析智能控制中要测试的各种行为，并在虚拟运行环境中建立分类测试方法，建立规范运行环境、极端运行环境（短路条件、断路条件、突发事件包括突加负载和突减负载等）的运行元器件模型库，实现控制器在各种运行环境下应对事件智能行为的综合测试。

（2）建立基于多AGENT技术的现代飞机电源系统仿真模型

以面向多电和全电飞机的实际应用为背景，对现代大型飞机交流同步发电机及其电力半导体整流装置控制原理、静态和动态特性进行深入分析，对各类负载特性和电网故障特征描述方法进行研究，建立可以完备描述飞机电源运行规律的数学方程和框架。在JADE开发平台下建立飞机发电机（电磁式无刷交流发电机和二极管整流桥、滤波电路等）、各类特性的交直流负载、二次电源、各种故障模拟等整个电源系统的仿真模型。主要包括在JADE平台下开发发动机控制AGENT、逆变器控制AGENT、交流负载管理AGENT、直流负载管理AGENT、蓄电池充放电控制AGENT、数据检测AGENT、发电机模型、整流器模型、直流负载、交流负载等飞机电力系统模块；各仿真模型通过高速数据采集卡和智能电压调节器AGENT进行通讯。智能电压调节器AGENT将相关数据再通过CAN总线传给后台评估分析计算机。

（3）知识库建模

为了完成飞机电源系统性能评估和测试，需要建立相关的知识库。性能评价体系中涉及的知识数据库有诊断模型知识库、系统参数知识库、推理知识库、原始档案库构成。其中诊断模型知识库包括特征向量模板和故障知识库等，系统参数知识库包括检测对象参数、检测流程等，推理知识库包括扩展推理规则、训练样本规模、推理路径等。

（4）半实物仿真平台实现和飞机电力系统性能评估方法

构建基于多AGENT技术的飞机电源系统仿真模型和智能励磁控制器实物组成半实物仿真测试平台。通过平台进行试验仿真分析测试，一方面根据人的“智能”标定和改进测试模型和环境；另一方面从测试目标出发，为飞机电力系统智能控制系统的新测试技术提供一个安全、方便的试验条件。

电源系统控制性能评估方法主要是引入具有国际上“控制性能和智能化”程度最高的飞机电力控制系统的性能参数作为半物理仿真平台理想标准，通过该标准来对所设计的控制器智能性能好坏程度进行评估测试，并确定性能好坏的权值，从而提出相应的整体运行环境评价指标和模型算法设计准则。

本发明的技术效果是：本发明公开了一种基于多AGENT技术建模的充分体现现代大型飞机电源分布控制的完备仿真模型，克服目前飞机电源系统的仿真主要基于纯软件仿真，且大多未能很好的考虑负载模型对飞机电源系统的影响的缺点；在建立基于AGENT技术的飞机电力系统模型的基础上，再配以一款高速数据采集卡，非常方便地和飞机发电机电压调节器以及相关的检测装置形成有效地半实物仿真验证平台，以对大型飞机电力系统励磁控制的可靠性和安全性进行实时验证，以此来解决各种智能励磁控制保护算法难以验证的难题；通过后台管理控制计算机可以对飞机电力系统稳定性、可靠性和安全性进行分析评估。该方法能在理论与实验两方面为研制和开发大型飞机的电力系统的稳定性、可靠性和安全性设计提供新思路和新方法。

附图说明

图1是飞机电力系统多AGENT模型框架结构方框图。

图2是基于多AGENT技术飞机电源系统建模的半实物仿真系统方框图。

具体实施方式

为了降低飞机电力系统仿真开发的复杂性，提高其基于领域的复用，使系统满足开放性、集成性、分布性以及通用性等要求，采用一种基于多AGENT技术的飞机电力系统虚拟仿真体系结构，并采用AUML（AgentUnifiedModelingLanguage）将整个系统的分析、设计和实现有机地集成。该体系结构为建设飞机电力系统标准化平台以及开发实际应用系统提供了理论指导和方法依据。

图1是飞机电力系统多AGENT模型框架结构示意图。根据系统总体设计，半实物仿真平台包括发动机控制AGENT、发电机控制AGENT、逆变器控制AGENT、蓄电池充放电控制AGENT、数据检测AGENT、决策评估AGENT、交互AGENT等。在认真分析各AGENT功能结构的基础上，建立基于事件驱动的统一AGENT实时仿真模型。

发电机AGENT（智能电压调节器）和发动机AGENT交互实时监测发动机的运行情况，从而控制发电机的工作状态，同时发电机AGENT还和后台管理计算机的信息管理AGENT交互，传送飞机电网的运行参数发送给信息管理AGENT。

交流负载管理AGENT根据发电机运行情况和负载本身是否故障等，判断各种性质的交流负载是否允许加载/减载/切除等操作，同时保证关键交流负载不能断电。当发电机都故障时，交流负载管理AGENT和逆变器控制AGENT交互立即启动逆变转换器，保证关键负载不掉电，同时发故障信号给后台计算机。

直流负载管理AGENT根据发电机运行情况和整流器是否故障等，判断各类性质的直流负载是否允许加载/减载/切除等操作，同时保证关键直流负载不能断电。当发电机都故障时或整流器故障时，直流负载管理AGENT和蓄电池管理AGENT交互，立即启备用蓄电池，保证关键负载不掉电，同时发故障信号给后台计算机，否则对蓄电池进行充电。

决策评估AGENT根据信息管理AGENT运行信息并结合知识库的知识，对目前飞机电力系统的运行性能做出评判和决策。交互AGENT可以查询系统运行参数、干预系统运行状况，也可以更新知识库等。

飞机电力系统的多AGENT仿真模型是在JADE开发平台下开发的，目的是为分析现代大型多电或全电飞机电力系统和用电负载的动静态特性，为研究飞机电力系统各种运行状态提供方法和手段。在仿真过程中，利用多AGENT技术，并结合具有先进电压调节算法的电压调节器进行半实物仿真，从通用性和实用性角度探索现代大型飞机电力系统智能控制和保护技术的发展方向提供可能。

图2是基于多AGENT技术飞机电源系统建模的半实物仿真系统示意图，整个系统包括飞机电力系统的多AGENT仿真模型（由飞机电力系统模型计算机来完成），高速数据采集卡和发电机控制单元电压调节器，系统信息管理、交互以及性能分析评估（由后台管理计算机完成）三部分组成。

（1）飞机电力系统的多AGENT仿真模型建立：本仿真系统在JADE开发平台下开发飞机电力系统仿真中需要用到的各种模块如飞机发动机、交流同步发电机、电力半导体整流装置和各种负载等，其中交流同步发电机是飞机电力系统的主要设备，它是集机、电、磁变化于一体，实现电能与机械动能变换的设备，具有复杂的电磁互动现象，其动态性能十分复杂，而且其动态性能又对整个电力系统的动态性能有极大的影响。因此，为了以便简化分析计算，在建模时必须对实际的三相同步发电机做合理的假定。这些假定在大多数情况下已能满足实际工程问题研究的需要。在这些假设的基础上推导同步发电机基本方程，然后在JADE开发平台下建立同步发电机的仿真模型，同样在JADE开发平台下建立整流和滤波模块、二次电源、三相断路或对地短路等模块共同组成飞机电力系统虚拟仿真对象。

（2）飞机发电机电压控制器和高速数据采集卡：飞机发电机控制单元是提高飞机供电系统电压稳定性和质量起到关键作用，也是飞机电力系统的控制和保护核心装置（如图2所示）。飞机电力系统半实物仿真对实时性要求很强，因此智能电压调节器在算法实现上必须汇编语言编程，硬件采用高速DSP芯片实现，以满足半物理试验仿真控制的实时性。实物智能电压调节器通过高速数据卡与基于多AGENT技术开发的飞机电力系统仿真模型计算机和飞机电力系统性能评估后台管理计算机实现数据资源共享并实现各种控制和评估，通过这种方式控制参数可以很方便的实现自动优化和手动修改。

（3）系统信息管理、交互以及性能分析评估：智能控制系统性能评估是一个复杂的系统工程，涉及众多知识，本专利采用基于性能参数的决策评价体系。在评估决策上引入具有国际上“智能化”程度最高、“控制性能”最好的飞机电力控制系统的性能参数作为半物理仿真平台理想标准，通过该标准来利用最小方差对所设计的控制器智能性能好坏程度进行评估测试，并确定性能好坏的权值，从而提出相应的整体运行性能评价指标和模型算法设计准则。根据人的“智能”标定和改进测试模型和控制算法；

性能评价体系中涉及的知识数据库有诊断模型知识库、系统参数知识库、推理知识库、原始档案库构成。其中诊断模型知识库包括特征向量模板和故障知识库等，系统参数知识库包括检测对象参数、检测流程等，推理知识库包括扩展推理规则、训练样本规模、推理路径等。

飞机电力系统的多AGENT仿真模型、智能电压控制器和高速数据采集卡和系统信息管理AGENT、交互AGENT以及性能分析评估模块相结合就构成飞机电力系统半实物仿真系统。其中，实物电压调节器通过高速数据采集卡和飞机电源系统的虚拟模型计算机和控制性能评估计算机相连接，如图2所示。通过该平台对飞机电力系统智能控制进行仿真、评估和验证。

Claims (1)

1.一种基于AGENT建模技术的飞机电力系统半实物仿真方法，其特征在于它包括飞机电源系统智能控制和测试的虚拟运行环境建模方法，建立基于多AGENT技术的现代飞机电源系统仿真模型，支持决策评估的知识库建模，半实物仿真平台实现和飞机电力系统性能评估方法；

（1）飞机电源系统智能控制和测试的虚拟运行环境建模方法

飞机电源系统运行环境建模方法与控制器智能行为之间存在密切关系，分析智能控制中要测试的各种行为，并在虚拟运行环境中建立分类测试方法，建立规范运行环境、极端运行环境的运行元器件模型库，实现控制器在各种运行环境下应对事件智能行为的综合测试；

（2）建立基于多AGENT技术的现代飞机电源系统仿真模型

以面向多电和全电飞机的实际应用为背景，对现代大型飞机交流同步发电机及其电力半导体整流装置控制原理、静态和动态特性进行深入分析，对各类负载特性和电网故障特征描述方法进行研究，建立描述飞机电源运行规律的数学方程和框架；在JADE开发平台下建立飞机发电机、各类特性的交直流负载、二次电源、各种故障模拟的整个电源系统的仿真模型；它主要包括在JADE平台下开发发动机控制AGENT、逆变器控制AGENT、交流负载管理AGENT、直流负载管理AGENT、蓄电池充放电控制AGENT、数据检测AGENT、发电机模型、整流器模型、直流负载模型、交流负载模型；仿真模型通过高速数据采集卡和智能电压调节器AGENT进行通讯；智能电压调节器AGENT将相关数据再通过CAN总线传给后台评估分析计算机；

（3）知识库建模

为了完成飞机电源系统性能评估和测试，需要建立相关的知识库；性能评价体系中涉及的知识数据库有诊断模型知识库、系统参数知识库、推理知识库、原始档案库构成；其中诊断模型知识库包括特征向量模板和故障知识库，系统参数知识库包括检测对象参数、检测流程，推理知识库包括扩展推理规则、训练样本规模和推理路径；

（4）半实物仿真平台实现和飞机电力系统性能评估方法

构建基于多AGENT技术的飞机电源系统仿真模型和智能励磁控制器实物组成半实物仿真测试平台；通过平台进行试验仿真分析测试，一方面根据人的“智能”标定和改进测试模型和环境；另一方面从测试目标出发，为飞机电力系统智能控制系统的新测试技术提供一个试验条件；电源系统控制性能评估方法主要是引入飞机电力控制系统的性能参数作为半物理仿真平台理想标准，通过该标准来对所设计的控制器智能性能好坏程度进行评估测试，并确定性能好坏的权值，从而提出相应的整体运行环境评价指标和模型算法设计准则。