CN112211725A - 一种适用于无人机的辅助能源控制系统及控制方法 - Google Patents

一种适用于无人机的辅助能源控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于航空飞行器设计技术领域，公开了一种适用于无人机的辅助能源控制系统及控制方法，系统包括发动机和引气管路，引气管路包括主路和三个支路，主路通过限流装置同时连接三个支路，发动机的气流出口连接引气管路的主路一端，引气管路的三个支路分别连接环控系统、能源发生装置和燃油系统，引气管路的主路上设有关断阀；还包括系统控制器，系统控制器连接、监测和控制关断阀、限流装置、发动机和能源发生装置。系统采用双源引气大大提高气体使用效率；并且采用多向输出和阶梯管理，在不影响发动机功率且引气来源相同的情况下，互不影响对方功能的实现；自动控制与人工控制并用，既提高了系统的智能化程度，也保证了任务的可靠实现。

Description

一种适用于无人机的辅助能源控制系统及控制方法
技术领域
本发明属于航空飞行器设计技术领域，涉及一种飞行器控制系统，具体涉及一种适用于无人机的辅助能源控制系统及控制方法。
背景技术
随着航空技术的不断发展，飞机用电设备剧增，对机载能源提出更高的要求，特别对长航时无人机，由于其长航时、多任务负载的特性，由应急供电时间要求加长，对电源的功率需求大幅度增加，为满足飞机研制的要求，迫切需要研制重量轻，安全性高，可长时为飞机提供功率的辅助能源系统。
目前的长航时无人机，多数采用的是蓄电池配合发电机的形式，发电机多数与发动机同轴或者具有动力传递关系，在发动机工作时带动发电机对蓄电池充电。但是该结构将对发动机带来额外的负担，也为发动机结构设计带来难度。因此采用气动类发电机作为长航时无人机的辅助能源发生装置的主要部分，但是又需要考虑的引气的问题，无人机上有许多系统需要进行引气，目前没有一套控制系统能够协调各系统间的引气。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种适用于无人机的辅助能源控制系统及控制方法，通过合理利用发动机高压空气，一方面驱动涡轮输出轴功率给辅助发电机为飞机提供应急供电，并满足在应急飞行状态连续用电需求，又能满足其他系统的对飞机空气能源的需求。其特点是既不影响发动机的正常工作，又能提高安全性和可靠性。
本发明的技术方案是：
一种适用于无人机的辅助能源控制系统，包括发动机和引气管路，引气管路包括主路和三个支路，主路通过限流装置同时连接三个支路，发动机的气流出口连接引气管路的主路一端，引气管路的三个支路分别连接环控系统、能源发生装置和燃油系统，引气管路的主路上设有关断阀；还包括系统控制器，系统控制器连接、监测和控制关断阀、限流装置、发动机和能源发生装置。原来的引气是各自控制，该结构采用引气的综合管理，实现引气的分段阶梯利用；主路上还设有关断阀，在发动机清洗等状态下不会污染到后端其他系统。
进一步的，发动机具有双引气口，引气管路的主路是双引气柔性导管。在发动机工作时将发动机双引气口输出的引气汇总后向后传输，双端引气的作用是实现平台工作时候的位移补偿，减小功率损失：原功率损耗从14％下降到5％；采用柔性导管具有更好的补偿效果。
一种适用于无人机的辅助能源控制方法，使用上述的一种适用于无人机的辅助能源控制系统，包括以下方法：
a、发动机的引气管路，用于从发动机提取引气传输至后端；
b、关断阀门及限流装置，用于将引气输送至环控系统、能源发生装置和燃油系统，限流装置具备对每个支路的限流功能，关断阀门在特殊情况下关断后端气路；
c、能源发生装置，将从发动机引气的能量转化为轴功率输出至发电机；
d、系统控制器，包括控制策略，控制系统的工作及状态监控。
进一步的，d方法具体为：由飞机平台首先给出辅助能源系统“起动信号”到系统控制器，同时控制器将“起动信号”反馈给机电系统，飞机平台决策后“关断”环控端引气；当需要关闭辅助能源系统时，同样由平台决策给出辅助能源系统“关闭信号”，辅助能源系统“起动信号”消失时，恢复机电系统对环控引气活门的正常控制。
进一步的，系统控制器包括“自动”和“人工”两种工作模式。
进一步的，系统控制器的“自动”工作模式和“人工”工作模式的切换方法如下：
平台上电，系统控制器默认为自动控制逻辑，操作界面显示为“自动”模式；
按压“起动”按钮，可强制起动辅助能源系统，不受自动控制逻辑限制，操作界面显示变为“手动”模式；
按压“关闭”按钮，可强制关闭辅助能源系统，不受自动控制逻辑限制，操作界面维持“手动”模式；
再次按压“自动”按钮，可使系统重新进入“自动”工作模式，操作界面变为“自动”模式。
进一步的，“自动”工作模式下，系统控制器控制辅助能源系统起动的方法为：
一、系统控制器监测并判断无人机同时满足下面三个条件：
“主发电机故障”或“重要汇流条故障”为真；这是为了保证故障状态下及时投入运行；
“加载”信号为真且持续时间≥1s；这是为了保证系统投入时能够稳定输出功率；
轮载信号为“空中”且持续时间≥1s；这是为了避免在地面情况下误起动系统；
二、系统控制器进行下述逻辑判断
气压高度有效且Hp＜6800m时，
发动机转速≤98.3％，起动辅助能源系统；是为了保证前端有足够的功率输入；
发动机转速＞98.8％，关闭辅助能源系统；是为了避免从发动机过度引气导致发动机出现不可预测的故障；
98.3％＜发动机转速≤98.8％时，将辅助能源系统动力离散输出保持。可防止系统在两个状态间来回频繁切换。
进一步的，第二步还包括以下逻辑判断：
若气压高度有效且Hp≥6900m时，
发动机转速≤96.5％，起动辅助能源系统；为了保证前端有足够的功率输入；
发动机转速＞97％，关闭辅助能源系统；为了避免从发动机过度引气导致发动机出现不可预测的故障；
96.5％＜发动机转速≤97％时，将辅助能源系统动力离散输出保持；防止系统在两个状态间来回频繁切换；
进一步的，第二步还包括以下逻辑判断：
若气压高度无效或者6800≤Hp＜6900，保持辅助能源系统动力离散输出保持。防止系统在两个状态间来回频繁切换。
进一步的，“自动”工作模式下，系统控制器控制辅助能源系统关闭的方法为：辅助能源系统自动起动后，若满足以下任一条件且持续时间≥1s，则关闭辅助能源系统，否则保持辅助能源系统上一状态：
“加载”信号为假；
轮载信号为“地面”。设置持续时间是为了避免触发信号受到干扰或偶发的假信号。
本发明的优点是：
1、双源引气大大提高气体使用效率，增加辅助能源系统的功率；
2、多向输出，阶梯管理，在不影响发动机功率且引气来源相同的情况下，互不影响对方功能的实现；
3、自动控制与人工控制并用，既提高了系统的智能化程度，也保证了任务的可靠实现；
4、集应急功能和辅助功能于一体，既解决了主发电机故障后的应急供电问题，提高了可靠性与安全性，又解决了在功率需求过大情况下的辅助供电问题提升了平台的实用能力。
附图说明
图1是本发明实施例的辅助能源系统架构组成图；
图2是本发明实施例的辅助能源系统架构原理图；
其中：1—发动机，2—引气管路，3—关断阀，4—限流装置，5—环控系统，6—能源发生装置，7—燃油系统，8—系统控制器，9—辅助发电机。
具体实施方式
本部分是本发明的实施例，用于解释和说明本发明的技术方案。
本发明是一种适用于无人机的辅助能源控制系统机控制方法，其中系统包括了发动机1和引气管路2，引气管路2包括主路和三个支路，主路通过限流装置4同时连接三个支路，发动机1的气流出口连接引气管路2的主路一端，引气管路2的三个支路分别连接环控系统5、能源发生装置6和燃油系统7，引气管路2的主路上设有关断阀3；还包括系统控制器8，系统控制器8连接、监测和控制关断阀3、限流装置4、发动机1和能源发生装置6。原来的引气是各自控制，该结构采用引气的综合管理，实现引气的分段阶梯利用；主路上还设有关断阀，在发动机清洗等状态下不会污染到后端其他系统。
发动机1具有双引气口，引气管路2的主路是双引气柔性导管。在发动机工作时将发动机双引气口输出的引气汇总后向后传输，双端引气的作用是实现平台工作时候的位移补偿，减小功率损失：原功率损耗从14％下降到5％；采用柔性导管具有更好的补偿效果。
一种适用于无人机的辅助能源控制方法，使用上述的一种适用于无人机的辅助能源控制系统，包括以下方法：
a、发动机的引气管路，用于从发动机提取引气传输至后端；
b、关断阀门及限流装置，用于将引气输送至环控系统、能源发生装置和燃油系统，限流装置具备对每个支路的限流功能，关断阀门在特殊情况下关断后端气路；
c、能源发生装置，将从发动机引气的能量转化为轴功率输出至发电机；
d、系统控制器，包括控制策略，控制系统的工作及状态监控。
d方法具体为：由飞机平台首先给出辅助能源系统“起动信号”到系统控制器，同时控制器将“起动信号”反馈给机电系统，飞机平台决策后“关断”环控端引气；当需要关闭辅助能源系统时，同样由平台决策给出辅助能源系统“关闭信号”，辅助能源系统“起动信号”消失时，恢复机电系统对环控引气活门的正常控制。
其中，系统控制器包括“自动”和“人工”两种工作模式。
系统控制器的“自动”工作模式和“人工”工作模式的切换方法如下：
平台上电，系统控制器默认为自动控制逻辑，操作界面显示为“自动”模式；
按压“起动”按钮，可强制起动辅助能源系统，不受自动控制逻辑限制，操作界面显示变为“手动”模式；
按压“关闭”按钮，可强制关闭辅助能源系统，不受自动控制逻辑限制，操作界面维持“手动”模式；
再次按压“自动”按钮，可使系统重新进入“自动”工作模式，操作界面变为“自动”模式。
在系统控制器的“自动”工作模式下，系统控制器控制辅助能源系统起动的方法为：
一、系统控制器监测并判断无人机同时满足下面三个条件：
“主发电机故障”或“重要汇流条故障”为真；这是为了保证故障状态下及时投入运行；
“加载”信号为真且持续时间≥1s；这是为了保证系统投入时能够稳定输出功率；
轮载信号为“空中”且持续时间≥1s；这是为了避免在地面情况下误起动系统；
二、系统控制器进行下述逻辑判断
气压高度有效且Hp＜6800m时，
发动机转速≤98.3％，起动辅助能源系统；是为了保证前端有足够的功率输入；
发动机转速＞98.8％，关闭辅助能源系统；是为了避免从发动机过度引气导致发动机出现不可预测的故障；
98.3％＜发动机转速≤98.8％时，将辅助能源系统动力离散输出保持。可防止系统在两个状态间来回频繁切换。
若气压高度有效且Hp≥6900m时，
发动机转速≤96.5％，起动辅助能源系统；为了保证前端有足够的功率输入；
发动机转速＞97％，关闭辅助能源系统；为了避免从发动机过度引气导致发动机出现不可预测的故障；
96.5％＜发动机转速≤97％时，将辅助能源系统动力离散输出保持；防止系统在两个状态间来回频繁切换。
若气压高度无效或者6800≤Hp＜6900，保持辅助能源系统动力离散输出保持。防止系统在两个状态间来回频繁切换。
系统控制器的“自动”工作模式下，系统控制器控制辅助能源系统关闭的方法为：辅助能源系统自动起动后，若满足以下任一条件且持续时间≥1s，则关闭辅助能源系统，否则保持辅助能源系统上一状态：
“加载”信号为假；
轮载信号为“地面”。设置持续时间是为了避免触发信号受到干扰或偶发的假信号。
下面结合附图说明本发明另一个实施例。
一种适用于无人机的辅助能源控制系统及控制方法，包括：a)发动机引气管路，用于从发动机提取引气传输至后端；b)关断阀门及气体分配管路，用于将引气输送至环控系统及燃油系统，具备限流功能，并在特殊情况下关断后端气路；c)能源发生装置，将从发动机引气的能量转化为轴功率输出至发电机；d)系统控制器及控制策略，控制系统的工作及状态监控。
方法a)在发动机工作时将发动机双引气口输出的引气汇总后向后传输，并实现平台工作时候的位移补偿。
方法b)将发动机引气转化为三路输出，分别输送至环控系统，燃油系统，以及辅助能源系统，对三路引气分别做物理限流处理，管路包含关断阀，在特殊情况下，可以实现后端引气的全部关断。
方法c)在满足起动需求条件且接收到控制器起动指令时，通过打开自带阀门接收发动机引气驱动涡轮做功，为辅助发电机提供驱动功率。
方法d)由飞机平台首先给出辅助能源系统“起动信号”到辅助能源系统控制器，同时控制器将“起动信号”反馈给机电系统，飞机平台决策后“关断”环控端引气；当需要关闭辅助能源系统时，同样由平台决策给出辅助能源系统“关闭信号”，辅助能源系统“起动信号”消失时，恢复机电系统对环控引气活门的正常控制。
当机上供电功率不足时，操作员可人工起动辅助能源系统，输出电功率满足机上用电需求，如果飞机进行结冰区域，此时可以关闭辅助能源系统，将发动机引气供给环控除冰系统，避免飞机结冰。

Claims (10)

1.一种适用于无人机的辅助能源控制系统，包括发动机(1)和引气管路(2)，引气管路(2)包括主路和三个支路，主路通过限流装置(4)同时连接三个支路，发动机(1)的气流出口连接引气管路(2)的主路一端，引气管路(2)的三个支路分别连接环控系统(5)、能源发生装置(6)和燃油系统(7)，引气管路(2)的主路上设有关断阀(3)；还包括系统控制器，系统控制器连接、监测和控制关断阀(3)、限流装置(4)、发动机(1)和能源发生装置(6)。
2.根据权利要求1所述的一种适用于无人机的辅助能源控制系统，其特征在于，所述的发动机(1)具有双引气口，引气管路(2)的主路是双引气柔性导管。
3.一种适用于无人机的辅助能源控制方法，使用如权利要求1所述的一种适用于无人机的辅助能源控制系统，包括以下方法：
a、发动机的引气管路，用于从发动机提取引气传输至后端；
b、关断阀门及限流装置，用于将引气输送至环控系统、能源发生装置和燃油系统，限流装置具备对每个支路的限流功能，关断阀门在特殊情况下关断后端气路；
c、能源发生装置，将从发动机引气的能量转化为轴功率输出至发电机；
d、系统控制器，包括控制策略，控制系统的工作及状态监控。
4.根据权利要求3所述的一种适用于无人机的辅助能源控制方法，所述的d方法具体为：由飞机平台首先给出辅助能源系统“起动信号”到系统控制器，同时控制器将“起动信号”反馈给机电系统，飞机平台决策后“关断”环控端引气；当需要关闭辅助能源系统时，同样由平台决策给出辅助能源系统“关闭信号”，辅助能源系统“起动信号”消失时，恢复机电系统对环控引气活门的正常控制。
5.根据权利要求3所述的一种适用于无人机的辅助能源控制方法，所述的系统控制器包括“自动”和“人工”两种工作模式。
6.根据权利要求5所述的一种适用于无人机的辅助能源控制方法，所述的系统控制器的“自动”工作模式和“人工”工作模式的切换方法如下：
平台上电，系统控制器默认为自动控制逻辑，操作界面显示为“自动”模式；
按压“起动”按钮，可强制起动辅助能源系统，不受自动控制逻辑限制，操作界面显示变为“手动”模式；
按压“关闭”按钮，可强制关闭辅助能源系统，不受自动控制逻辑限制，操作界面维持“手动”模式；
再次按压“自动”按钮，可使系统重新进入“自动”工作模式，操作界面变为“自动”模式。
7.根据权利要求5所述的一种适用于无人机的辅助能源控制方法，所述的“自动”工作模式下，系统控制器控制辅助能源系统起动的方法为：
第一步、系统控制器监测并判断无人机同时满足下面三个条件：
“主发电机故障”或“重要汇流条故障”为真；
“加载”信号为真且持续时间≥1s；
轮载信号为“空中”且持续时间≥1s；
第二步、系统控制器进行下述逻辑判断
气压高度有效且Hp＜6800m时，
发动机转速≤98.3％，起动辅助能源系统；
发动机转速＞98.8％，关闭辅助能源系统；
98.3％＜发动机转速≤98.8％时，将辅助能源系统动力离散输出保持。
8.根据权利要求7所述的一种适用于无人机的辅助能源控制方法，所述的第二步还包括以下逻辑判断：
若气压高度有效且Hp≥6900m时，
发动机转速≤96.5％，起动辅助能源系统；
发动机转速＞97％，关闭辅助能源系统；
96.5％＜发动机转速≤97％时，将辅助能源系统动力离散输出保持。
9.根据权利要求7所述的一种适用于无人机的辅助能源控制方法，所述的第二步还包括以下逻辑判断：
若气压高度无效或者6800≤Hp＜6900，保持辅助能源系统动力离散输出保持。
10.根据权利要求5所述的一种适用于无人机的辅助能源控制方法，所述的“自动”工作模式下，系统控制器控制辅助能源系统关闭的方法为：辅助能源系统自动起动后，若满足以下任一条件且持续时间≥1s，则关闭辅助能源系统，否则保持辅助能源系统上一状态：
“加载”信号为假；
轮载信号为“地面”。
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