CN108319158A

CN108319158A - 基于约束满足问题的飞控作动系统配置方法

Info

Publication number: CN108319158A
Application number: CN201810013963.3A
Authority: CN
Inventors: 焦宗夏; 于波; 吴帅; 唐哲文; 李春芳
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2018-01-08
Filing date: 2018-01-08
Publication date: 2018-07-24

Abstract

本公开提供一种基于约束满足问题的飞控作动系统配置方法，包括以下步骤：S1变量建模；S2值域建模；S3约束集合建模；S4约束满足问题求解。

Description

基于约束满足问题的飞控作动系统配置方法

技术领域

本公开涉及作动系统领域，尤其涉及一种基于约束满足问题的飞控作动系统配置方法。

背景技术

飞控作动系统是飞控系统的重要组成部分，通过飞控计算机的综合控制，可以操纵飞机副翼、升降舵、方向舵、平尾、襟翼、缝翼和扰流片等控制舵面，实现飞行姿态和轨迹的控制，其性能优劣直接影响飞机飞行品质。随着大型客机对经济性、安全性、环保性和舒适性要求的不断提升，未来飞机将逐渐向多电/全电方向发展。为了迎合这一发展飞控作动系统具有体系复杂，部件数量庞大，冗余构型组合爆炸等特点。此外，飞控作动器也在不断发展，目前液压作动器Hydraulic Actuator(HA)，电静液作动器Electro-HydrostaticActuator(EHA)，电备份的液压作动器Electro-backup-Hydraulic Actuator(EBHA)等多种类型作动器的应用，对整个飞机飞控作动系统及其所依赖能源的配置产生巨大影响。综上所述，飞控作动系统的设计工作将会是一个极其繁冗的工作，如何在庞大的构型集合中找到最佳构型，是目前设计工作的难点。

然而目前我国大型飞机技术刚起步，飞控作动系统设计还停留在参考国外同类机型经验数据的阶段，缺乏系统创成理论基础，尚没有科学智能的方法解决飞控作动系统配置问题。

发明内容

为了解决上述问题，本公开应用基于约束满足问题(Constraint SatisfactionProblem,CSP)的智能方法，实现高效智能的飞控作动系统布局。基于约束满足问题的飞控作动系统智能配置方法，能够大大降低有限的组合数，为最优架构设计提供基础。约束满足问题是人工智能的重要分支，利用领域知识构建约束模型并给出相应的决策结果，由一系列变量、变量相应的值域以及变量之间的约束关系组成，目标是为这些变量找到一组或者多组满足所有约束关系的赋值。约束满足问题的表达方式更加接近于问题的原始描述，约束满足问题中的变量可以直接对应于问题项，约束的表达式也可以避免使用线性不等式等复杂的表达形式。这使得整个表述更加简单明了，得出的解也更容易理解。本公开通过以下技术方案实现：

基于约束满足问题的飞控作动系统配置方法，其特征在于，飞机的控制舵面包括副翼、扰流片、升降舵和方向舵；

副翼、扰流片、升降舵和方向舵均包括至少一片舵面，每一片舵面均由至少一个作动器驱动；

所述配置方法包括以下步骤：

S1变量建模：作动系统每一片舵面配置作动器的位置为变量A，则变量集合Ai＝{A1,A2,A3……An}，i＝n，n为偶数；

S2值域建模：每个位置配置的作动器的类型的取值范围即为值域D，作动器类型有液压作动器、电静液作动器、电备份的液压作动器三种，作动器的控制源有液压源1、液压源2、电源1、电源2四种，则值域D＝{H1,H2,E1,E2,H1E1,H1E2,H2E1,H2E2}，H1表示由液压源1提供能源的液压作动器，H2表示由液压源2提供能源的液压作动器，E1表示由电源1提供能源的电静液作动器，E2表示由电源2提供能源的电静液作动器，H1E1表示由液压源1和电源1提供能源的电备份液压作动器，H1E2表示由液压源1和电源2提供能源的电备份液压作动器，H2E1表示由液压源2和电源1提供能源的电备份液压作动器，H2E2表示由液压源2和电源2提供能源的电备份液压作动器。

S3约束集合建模：作动系统的限制条件即为约束，约束集合C包括：C1：副翼包含所有控制源，C2：扰流板包含所有控制源，C3：升降舵包含所有控制源，C4：方向舵包含所有控制源，C5：同一片副翼舵面上的作动器不同，C6：同一片升降舵舵面上的作动器不同，C7：同一片方向舵舵面上的作动器不同，C8：单侧副翼任意两片副翼舵面不相同，C9：单侧扰流板任意两个作动器不相同，C10：单侧升降舵任意两片升降舵舵面不相同，C11：两片方向舵舵面不相同，C12：左侧副翼构型与右侧副翼构型相同，C13：左侧扰流板构型与右侧扰流板构型相同；

S4约束满足问题求解：变量A、值域D和约束集合C组成约束满足问题，使每一片舵面配置的作动器满足所有约束，即得到约束满足问题的解。

进一步地，所述控制舵面包括6片副翼舵面、16片扰流板舵面，4片升降舵舵面和2片方向舵舵面。

进一步地，每片副翼舵面和升降舵舵面均由2个作动器驱动，每片扰流板舵面由1个作动器驱动，每片方向舵舵面由2个作动器驱动。

进一步地，所述约束集合C是根据适航条例和作动系统设计规范确定的。

本公开的有益效果：

1)通过智能配置方法得到满足全部约束的飞控作动系统构型，适用于全液压飞机、多点飞机、全电飞机，具有通用性；

2)通过约束满足问题的求解方式得到满足全部约束的飞控作动系统构型，解决了飞机构型设计的组合爆炸问题，极大的提高了搜索效率；

3)通过改变约束集合，可以根据用户需求得到不同的飞控作动系统构型。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是本公开具体实施方式的基于约束满足问题的飞控作动系统配置方法采用的典型飞机构型体系示意图；

图2是本公开具体实施方式的基于约束满足问题的飞控作动系统配置方法的流程图；

图3是本公开具体实施方式的基于约束满足问题的飞控作动系统配置方法的判断副翼是否包含所有源的操作流程图；

图4是本公开具体实施方式的基于约束满足问题的飞控作动系统配置方法的判断副翼同一舵面两个作动器不相同的操作流程图；

图5是本公开具体实施方式的基于约束满足问题的飞控作动系统配置方法的判断副翼上没有重复舵面的操作流程图；

图6是本公开具体实施方式的基于约束满足问题的飞控作动系统配置方法的判断副翼左右对称操作流程图；

图7是本公开具体实施方式的基于约束满足问题的飞控作动系统配置方法的约束满足问题求解流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。

基于约束满足问题的飞控作动系统配置方法，飞机的控制舵面包括副翼、扰流片、升降舵和方向舵；副翼、扰流片、升降舵和方向舵均包括至少一片舵面，每一片舵面均由至少一个作动器驱动；

配置方法包括以下步骤：

S2值域建模：每个位置配置的作动器的类型的取值范围即为值域D，作动器类型有液压作动器、电静液作动器、电备份的液压作动器三种，作动器的控制源有液压源1、液压源2、电源1、电源2四种，则值域D＝{H1,H2,E1,E2,H1E1,H1E2,H2E1,H2E2}。H1表示由液压源1提供能源的液压作动器HA，H2表示由液压源2提供能源的液压作动器HA，E1表示由电源1提供能源的电静液作动器EHA，E2表示由电源2提供能源的电静液作动器EHA，H1E1表示由液压源1和电源1提供能源的电备份液压作动器EBHA，H1E2表示由液压源1和电源2提供能源的电备份液压作动器EBHA，H2E1表示由液压源2和电源1提供能源的电备份液压作动器EBHA，H2E2表示由液压源2和电源2提供能源的电备份液压作动器EBHA。

控制舵面包括6片副翼舵面、16片扰流板舵面，4片升降舵舵面和2片方向舵舵面。

每片副翼舵面和升降舵舵面均由2个作动器驱动，每片扰流板舵面由1个作动器驱动，每片方向舵舵面由2个作动器驱动。

约束集合C是根据适航条例和作动系统设计规范确定的。

更为详细的，

如图1所示，6片副翼舵面、16片扰流板舵面，4片升降舵舵面和2片方向舵舵面共同构成飞机的控制舵面，每片副翼舵面和升降舵舵面由2个作动器驱动，每片扰流板舵面由1个作动器驱动，每片方向舵舵面由2个作动器驱动。

如图2所示，构建飞机作动系统约束满足问题需要对飞机作动系统领域知识进行形式化描述，确定配置问题中变量A、值域D及约束集合C的形式，从而构建整个飞机作动系统的约束满足问题CSP：(A，D，C)，目标是根据约束集合C的限制，寻找出变量A在值域D中的合理取值，即问题解集。

H1、H2、E1、E2分别表示作动系统的四种控制源：液压源1、液压源2、电源1、电源2；将源用二进制表达，其中，高四位表达电源，低四位表达液压源，则H1＝0b00000001，H2＝0b00000010，E1＝00010000，E2＝00100000。

飞控作动系统配置问题中变量集合指的是每一片舵面需要配置不同类型作动器的位置，因此40个变量的集合可描述为Ai＝{A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7,A8,A9,A10,A11,A12,A13,A14,A15,A16,A17,A18,A19,A20,A21,A22,A23,A24,A25,A26,A27,A28,A29,A30,A31,A32,A33,A34,A35,A36,A37,A38,A39,A40}，其中A1-A6表示左侧副翼舵面的6个作动器，A7-A12表示右侧副翼舵面的6个作动器，A13-A20表示左侧方向舵舵面的8个作动器，A21-A28表示右侧方向舵舵面的8个作动器，A29-A32表示左侧升降舵舵面的4个作动器，A33-A36表示右侧升降舵舵面的4个作动器，A37-A40表示的是方向舵面的4个作动器。

根据源的表达形式，飞机作动系统配置问题的值域D＝{H1,H2,E1,E2,H1E1,H1E2,H2E1,H2E2}，可以用二进制表达为D＝{0b00000001,0b00000010,00010000,00100000,0b00010001,0b00100001,0b00010010,0b00100010}。

根据适航条例和飞机设计约束，例如三轴独立可控，作动器布置对称准则等，本公开将以下13条约束作为约束集合C。

C1:副翼包含所有源。作动系统2H2E构型即作动系统含有源H1，H2，E1，E2四种源，某一控制舵面全部包含这四种源，即将四种源进行或操作，具体表达为source_comp leted＝0b00110011。如图3所示，为副翼包含所有源的表达，即将副翼的所有args进行或操作，如果source_aileron＝0b00110011，那么说明副翼包含所有源，返回True。

C2:扰流板包含所有源。扰流板包含所有源的表达，即将扰流板的所有args进行或操作，如果source_spoiler＝0b00110011，那么说明扰流板包含所有源，返回True。

C3:升降舵包含所有源。升降舵包含所有源的表达，即将升降舵的所有args进行或操作，如果source_spoiler＝0b00110011，那么说明升降舵包含所有源，返回True。

C4:方向舵包含所有源。方向舵包含所有源的表达，即将方向舵的所有args进行或操作，如果source_spoiler＝0b00110011，那么说明方向舵包含所有源，返回True。

C5:副翼同一片舵面上的作动器不同。如图1和4所示，副翼同一片舵面上的作动器不同的表达，即args[A1]≠args[A2]，args[A3]≠args[A4]，args[A5]≠args[A6]，此时说明副翼同一片舵面上的作动器不同，返回True。

C6:升降舵同一片舵面上的作动器不同。升降舵同一片舵面上的作动器不同的表达，即args[A29]≠args[A30]，args[A31]≠args[A32]，此时说明升降舵同一片舵面上的作动器不同，返回True。

C7:方向舵同一片舵面上的作动器不同。方向舵同一片舵面上的作动器不同的表达，即args[A37]≠args[A38]，args[A39]≠args[A40]，此时说明升降舵同一片舵面上的作动器不同，返回True。

C8:单侧副翼任意两片舵面不相同。如图5所示，单侧副翼任意两片舵面不相同的表达，即将一片副翼上的两个作动器进行或操作，与其他舵面上的两个作动器或操作进行比较，如果args[A1]|args[A2]≠args[A3]|args[A4]≠args[A5]|args[A6]，那么说明同侧副翼任意两片舵面不相同，返回True。

C9:单侧扰流板任意两个作动器不相同。单侧扰流板任意两个作动器，即任意两片舵面不相同的表达，即args[A13]≠args[A14]≠args[A15]≠args[A16]≠args[A17]≠args[A18]≠args[A19]≠args[A20]，那么说明单侧扰流板任意两个作动器不相同，返回True。

C10:单侧升降舵任意两片舵面不相同。单侧升降舵任意两片舵面不相同的表达，即将一片升降舵舵面上的两个作动器进行或操作，与同侧其他舵面上的两个作动器或操作进行比较，如果args[A29]|args[A30]≠args[A31]|args[A32]，那么说明同侧升降舵任意两片舵面不相同，返回True。

C11:方向舵两片舵面不相同。方向舵两片舵面不相同的表达，即将一片方向舵舵面上的两个作动器进行或操作，与另一舵面上的两个作动器或操作进行比较，如果args[A37]|args[A38]≠args[A39]|args[A40]，那么说明方向舵两片舵面不相同，返回True。

C12:左侧副翼构型与右侧相同。如图6所示，左侧副翼构型与右侧相同的表述，即args[A1]＝args[A12]，args[A2]＝args[A11]，args[A3]＝args[A10]，args[A4]＝args[A9]，args[A5]＝args[A8]，args[A6]＝args[A7]，那么说明左侧副翼构型与右侧相同，返回True。

C13:左侧扰流板构型与右侧相同。左侧扰流板构型与右侧相同的表述，即args[A13]＝args[A28]，args[A14]＝args[A27]，args[A15]＝args[A26]，args[A16]＝args[A25]，args[A17]＝args[A24]，args[A18]＝args[A23]，args[A19]＝args[A22]，args[A20]＝args[A21]，那么说明左侧扰流板构型与右侧相同，返回True。

在依据飞机作动系统平台架构确定配置问题的变量A和值域D之后，需要根据系统架构规范需求构建该配置问题的约束集合C，用以描述这些组建元组之间的关联和限制。变量A、值域D以及约束集合C组成整个约束满足问题CSP，即飞机液压系统配置问题。

对于约束满足问题来说，标准的求解算法就是回溯法(back-tracking)。回溯法考虑的是按照特定的序列排列的一系列参数，首先，从第一个变量开始，本方法从左侧副翼第一个作动器开始，即A1，为每一个作动器位置依次分配一个临时的作动器类型，其中一个n维向量args[Ai]＝{args[A1],args[A2],…,args[A40]},args[Ai]∈Di,1≤i≤40，代表了对所有作动器位置的一次赋值，直到每一个被分配的值都与过去所分配的值保持一致。当算法遇到了一个变量其值域中的所有值都不能与过去所分配的值D一致的话(这种状态被称为dead-end)，回溯就会发生。接着继续这样不断循环前一个变量的值域，直到发现一个可行解或者宣告无解。

下面给出一个基础的回溯算法(如图7)：

输入：一个约束网路(约束集合)C和一组有序的变量X1,X2,…,X40。

输出：如果有解输出可行解，否则输出无解。

1.赋初值i←1；

2.选择一个变量Xi,

1)如果i<1，goto 4；

2)如果i>40，输出可行解，返回。否则goto 3；

3.给变量赋值

1)给变量Xi赋值：Xi＝d，其中d∈D，即d与过去所赋值一致；

2)如果不存在d∈D，即d与过去值域中的所有值均不一致，则回溯：i←i-1，goto2；

3)给下一个变量赋值：i←i+1,goto2。

4.输出无解，返回。

基于约束满足问题的飞控作动系统配置方法，是一种适用于任意作动器、能源的有效且智能的飞控作动系统配置方法，通过约束满足问题高效智能的为每一个作动器位置配置相应的作动器，在所有可能的构型中找到符合所有约束的构型，能够大大降低设计工作的难度，减小工作量，高效的完成飞机作动系统配置工作。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims

1.基于约束满足问题的飞控作动系统配置方法，其特征在于，飞机的控制舵面包括副翼、扰流片、升降舵和方向舵；

所述配置方法包括以下步骤：

S2值域建模：每个位置配置的作动器的类型的取值范围即为值域D，作动器类型有液压作动器、电静液作动器、电备份的液压作动器三种，作动器的控制源有液压源1、液压源2、电源1、电源2四种，则值域D＝{H1,H2,E1,E2,H1E1,H1E2,H2E1,H2E2}，H1表示由液压源1提供能源的液压作动器，H2表示由液压源2提供能源的液压作动器，E1表示由电源1提供能源的电静液作动器，E2表示由电源2提供能源的电静液作动器，H1E1表示由液压源1和电源1提供能源的电备份液压作动器，H1E2表示由液压源1和电源2提供能源的电备份液压作动器，H2E1表示由液压源2和电源1提供能源的电备份液压作动器，H2E2表示由液压源2和电源2提供能源的电备份液压作动器；

2.根据权利要求1所述的配置方法，其特征在于，所述控制舵面包括6片副翼舵面、16片扰流板舵面，4片升降舵舵面和2片方向舵舵面。

3.根据权利要求1或2所述的配置方法，其特征在于，每片副翼舵面和升降舵舵面均由2个作动器驱动，每片扰流板舵面由1个作动器驱动，每片方向舵舵面由2个作动器驱动。

4.根据权利要求1-3任一项所述的配置方法，其特征在于，所述约束集合C是根据适航条例和作动系统设计规范确定的。