CN113032901A - 一种飞机舱门运行功率优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种飞机舱门运行功率优化方法，该方法针对电机通过一定的传动方式带动舱门运行的作动系统，利用遗传算法产生离散点序列，并进行二阶多项式插值来设计舱门的运行轨迹，在仿真模型中模拟舱门运行过程以求得每条运行轨迹对应的运行功率峰值，从而对舱门运行轨迹进行自动寻优。通过本发明提供的飞机舱门运行功率优化方法，解决了相关技术中运行轨迹对应的功率不平稳问题或轨迹设计中调节效率低的问题，并预防了可能出现的转速超限问题。

Description

一种飞机舱门运行功率优化方法
技术领域
本发明属于多电飞机技术领域，具体涉及一种功率优化方法。
背景技术
多电化甚至全电化是公认的飞机的发展趋势，飞机的多电技术具有结构简单、重量轻、可靠性高、维护性好、使用费用低、机上接口简单、能源利用率高、污染排放少、易于能量传输和管理等一系列优点，目前多电技术已经在F-35、B787、A380等型号的飞机上获得了应用和验证。
舱门是多电技术中机电作动器与电静液作动器的应用对象之一，作为飞机上需要反复开关的大开口区域，与乘客、货物的安全直接相关，其运行过程中功率的平稳与否一方面会影响航空供电系统的稳定性，另一方面会影响驱动器、电机、减速机的使用寿命。
然而目前针对飞机舱门的结构设计研究较多，其运行功率方面的研究较少。工程上常用的S型运行轨迹和正弦加减速运行轨迹效果仅在于使舱门运行过程中各构件速度变化平缓，并无功率方面的考虑。有研究利用三次样条插值算法在离散点序列的基础上构造运行轨迹，来降低舱门的运行功率，但三次样条插值对应的离散点数值较多，手动调节离散点数值的效率较低，不利于寻优。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种飞机舱门运行功率优化方法，该方法针对电机通过一定的传动方式带动舱门运行的作动系统，利用遗传算法产生离散点序列，并进行二阶多项式插值来设计舱门的运行轨迹，在仿真模型中模拟舱门运行过程以求得每条运行轨迹对应的运行功率峰值，从而对舱门运行轨迹进行自动寻优。通过本发明提供的飞机舱门运行功率优化方法，解决了相关技术中运行轨迹对应的功率不平稳问题或轨迹设计中调节效率低的问题，并预防了可能出现的转速超限问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
步骤1：设置遗传算法参数，包括迭代次数、样本数量、限制条件和收敛条件；
步骤2：生成舱门运动仿真模型；设定目标函数；预设功率特定值，该功率特定值的数量级至少高于舱门正常运行功率两个数量级以上；
步骤3：采用遗传算法生成离散点序列；以离散点序列作为优化变量，应用遗传算法调用目标函数；
步骤4：在舱门运动仿真模型中对离散点序列进行插值构造舱门运行轨迹，模拟舱门作动系统按照所构造的舱门运行轨迹运行，输出实时运行功率，记录舱门运行过程中实时运行功率的最大值；
步骤5：在舱门运动仿真模型中输出步骤4得到的舱门运行轨迹对应的舱门电机实时转速和舱门实时运行速度；
在目标函数中判断舱门实时运行速度的最大值是否超过舱门运行速度上限和舱门电机实时转速的最大值是否超过舱门电机转速上限：若舱门实时运行速度的最大值小于等于舱门运行速度上限且舱门电机实时转速的最大值小于等于舱门电机转速上限，则将舱门运行过程中实时运行功率的最大值作为目标函数的返回值；若舱门实时运行速度的最大值大于舱门运行速度上限或舱门电机实时转速的最大值大于舱门电机转速上限，则将预设功率特定值作为目标函数的返回值；
步骤6：重复执行步骤3到步骤5，当满足收敛条件或达到迭代次数时，停止迭代过程，得到最终的离散点序列，经插值得到最优舱门运行轨迹。
优选地，所述对离散点序列进行插值采用二阶多项式插值。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的飞机舱门运行功率优化方法，解决了相关技术中运行轨迹对应的功率不平稳问题或轨迹设计中调节效率低的问题，并预防了可能出现的转速(速度)超限问题。
附图说明
图1为本发明飞机舱门作动机构功率传递示意图。
图2为本发明飞机舱门运行功率优化方法框架示意图。
图3为本发明目标函数流程图。
图4为本发明舱门运动仿真模型框架示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明提出了一种飞机舱门运行功率优化方法，解决了相关技术中运行轨迹对应的功率不平稳问题或轨迹设计中调节效率低的问题，并预防了可能出现的转速(速度)超限问题。
如图1所示，一种飞机舱门运行功率优化方法，包括以下步骤：
步骤1：设置遗传算法参数，包括迭代次数、样本数量、限制条件和收敛条件；
步骤2：生成舱门运动仿真模型；设定目标函数；预设功率特定值，该功率特定值的数量级至少高于舱门正常运行功率两个数量级以上；
步骤3：采用遗传算法生成离散点序列；以离散点序列作为优化变量，应用遗传算法调用目标函数；
步骤4：在舱门运动仿真模型中对离散点序列进行二阶多项式插值构造舱门运行轨迹，模拟舱门作动系统按照所构造的舱门运行轨迹运行，输出实时运行功率，记录舱门运行过程中实时运行功率的最大值；
步骤5：在舱门运动仿真模型中输出步骤4得到的舱门运行轨迹对应的舱门电机实时转速和舱门实时运行速度；
在目标函数中判断舱门实时运行速度的最大值是否超过舱门运行速度上限和舱门电机实时转速的最大值是否超过舱门电机转速上限：若舱门实时运行速度的最大值小于等于舱门运行速度上限且舱门电机实时转速的最大值小于等于舱门电机转速上限，则将舱门运行过程中实时运行功率的最大值作为目标函数的返回值；若舱门实时运行速度的最大值大于舱门运行速度上限或舱门电机实时转速的最大值大于舱门电机转速上限，则将预设功率特定值作为目标函数的返回值；
步骤6：重复执行步骤3到步骤5，当满足收敛条件或达到迭代次数时，停止迭代过程，得到最终的离散点序列，经二阶多项式插值得到最优舱门运行轨迹。
具体实施例：
图1为飞机舱门作动机构功率传递示意图，多电飞机上的舱门作动机构为机电作动器或电静液作动器，均为电机通过一定的传动方式连接舱门。舱门运行过程中，舱门需求的功率、传动机构需求的功率、电机转子需求的功率均由电机提供，而电机需求的功率则由航空供电系统提供，因此舱门运行需求功率的稳定会利于航空供电系统的可靠性。
图2为飞机舱门运行功率优化方法框架示意图，离散点序列为遗传算法的优化目标变量，遗传算法不断生成离散点序列带入目标函数进行运算，目标函数则调用舱门运动仿真模型模拟舱门运动过程，将实时功率峰值作为返回值。当遗传算法运算结果满足收敛条件或迭代次数达到预设值时则停止运算，输出最终的目标变量。
本发明的方法基础之一为插值算法，每个离散点序列经插值后可得一条运行轨迹，每条运行轨迹会对应一个舱门运行功率峰值。遗传算法的应用可以在舱门运行功率峰值降低的方向上对离散点序列进行自动寻优，摆脱了手动调节运行轨迹时带来的效率较低的问题。
图3为目标函数流程图，目标函数将遗传算法生成的离散点序列赋值给舱门运动仿真模型，接着调用仿真模型运行，仿真模型运行结束后，对仿真模型输出的实时转速(速度)和实时功率取最大值，判断实时转速(速度)的最大值是否超过预设上限，该上限为电机转速(速度)上限和/或舱门转速(速度)上限；若未超过，则取运行功率的最大值作为目标函数的返回值；若超过，则将预设特定值作为目标函数的返回值，该数值的数量级远超舱门正常运行功率的数量级。
通过将离散点序列赋值给仿真模型，可以改变仿真模型中舱门的运行轨迹，当输出的转速(速度)最大值超过预定限制时，意味着当前计算的运行轨迹已经不在舱门作动系统允许实现的范围内，此时返回数量级远超舱门正常运行功率的预定值，可以使得遗传算法计算的离散点对应的轨迹只会收敛在舱门作动系统允许的范围内。
图4为仿真模型框架示意图，时钟源输出时钟信号输入轨迹计算模块对目标函数所赋值的离散点序列进行插值计算，输出舱门在当前时刻的位置，舱门位置信号输入动力学分析模块，基于舱门机械结构的数学模型，计算舱门作动机构各构件的转速(速度)、系统负载转矩、功率。仿真模型在运行过程中输出实时转速(速度)和实时功率至目标函数。
由于舱门作动系统的动力来源为电机，而电机的转矩与电流直接相关，电流可以突变，因此电机的输出转矩可以突变，其带动舱门作动系统运行时系统的加速度可以突变，所以对需要设计的运行轨迹要求为二阶导数存在，用二阶多项式插值算法对离散点序列插值即可，相对PVT插值算法中常用的三次样条插值可以减少计算量。

Claims (2)

1.一种飞机舱门运行功率优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：设置遗传算法参数，包括迭代次数、样本数量、限制条件和收敛条件；
步骤2：生成舱门运动仿真模型；设定目标函数；预设功率特定值，该功率特定值的数量级至少高于舱门正常运行功率两个数量级以上；
步骤3：采用遗传算法生成离散点序列；以离散点序列作为优化变量，应用遗传算法调用目标函数；
步骤4：在舱门运动仿真模型中对离散点序列进行插值构造舱门运行轨迹，模拟舱门作动系统按照所构造的舱门运行轨迹运行，输出实时运行功率，记录舱门运行过程中实时运行功率的最大值；
步骤5：在舱门运动仿真模型中输出步骤4得到的舱门运行轨迹对应的舱门电机实时转速和舱门实时运行速度；
在目标函数中判断舱门实时运行速度的最大值是否超过舱门运行速度上限和舱门电机实时转速的最大值是否超过舱门电机转速上限：若舱门实时运行速度的最大值小于等于舱门运行速度上限且舱门电机实时转速的最大值小于等于舱门电机转速上限，则将舱门运行过程中实时运行功率的最大值作为目标函数的返回值；若舱门实时运行速度的最大值大于舱门运行速度上限或舱门电机实时转速的最大值大于舱门电机转速上限，则将预设功率特定值作为目标函数的返回值；
步骤6：重复执行步骤3到步骤5，当满足收敛条件或达到迭代次数时，停止迭代过程，得到最终的离散点序列，经插值得到最优舱门运行轨迹。
2.根据权利要求1所述的一种飞机舱门运行功率优化方法，其特征在于，所述对离散点序列进行插值采用二阶多项式插值。
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