文摘

新战略航空发电机的控制通过滑动提出多方面的选择,有一个关联的创新智能能源管理策略用于有效的权力交接两个航空负载提供能量来源,有不同的功能和优先级。发电机用于航空应用程序涉及几个机器,包括一个主发电机和励磁机。标准监管机构(π或PID-like)通常用于发电机电压的整流用于供应高压直流总线。监管是通过作用于直流/直流转换器,励磁机的励磁电压。摘要发电机绕组的电压是美联储通过使用二阶滑模控制器,这会导致一个稳定、健壮(干扰)操作和快速收敛到所需的参考。通过使用这种策略,能量管理策略提出了动态变化的电压设置点,为了明智地转移两个电压总线。为了显示提供了详细的仿真结果的有效性提出了能量管理策略在不同的场景中。

1。介绍

更多的电动飞机的框架1),一个伟大的对生成阶段,重点是指提供新的“绿色”发电机的可能性,也就是说,发电机和减轻重量,从而减少燃料消耗。除了增加功率密度和减少重量的结构,新改进的生成阶段多电飞机也涉及控制阶段,可进行各种优化目标(例如,管理创新的设备噪声和振动机上(2])。

通常,同步机作为发电机使用。产生的电压发生器是加载在一个交流总线分布式。此外,整流器或自耦变压器整流单元(ATRU),并从交流总线派生的直流总线。控制策略,论文的要点之一,致力于维持发电机电压(反过来,直流电压总线)在一个规定的水平。注意规定的水平,尽管相对小时间常数的视野,从长远来看可能会有所不同;因此达到所需的直流总线电压在有限时间和跟踪慢变引用(设定值)。电压输出设定值的改变的动机是不同的。例如,考虑以下场景:(我)三相电阻负载是直接连接到发电机输出功率调节是理想的(电阻负载功率调节相当于电压调节)。(2)一个不受控制的AC / DC整流器使用,例如,一个ATRU,提供一个直流总线电压需要监管。(3)突然改变转子转速的发生;然后整个整流电压变化补偿。

上述情况下,可以通过改变励磁机的励磁电压发生器的(因此)。

假设发电机轴旋转速度恒定,调节发电机的输出电压是由不同的发电机磁场绕组电流,通过发电机控制单元(GCU部件)。GCU部件通常是基于一个标准的控制器,即比例(3](P)或比例积分(PI)控制器(4]或领先-落后补偿器(5]。然而,它已被证明6这个标准,和一般线性控制器,有一个基本的限制:只达到想要的设置点渐近,理论上无限的时间。此外,基于线性控制理论,其中大部分是生产当地的结果在实际设备上,这通常是非线性系统。相比之下,变结构控制(VSC) [7)是非线性切换控制器以他们的能力在有限时间达到设定值。此外,VSC非常健壮,因为他们的设计是模范自由;,没有需要发电机参数的估计和测定的准确值数学方程的参数调节发电机的行为。最后,VSC工作在非线性直接设置。最近使用VSC技术控制开关磁阻发电机(8)和独立的绕线转子同步发电机(9]。然而,由此造成的控制律切换两个固定水平之间的一个变量,不可预测的频率,这个缺点促使研究人员寻找一个光滑的版本的VSC控制,通过插入一个积分器的输出控制器,控制动作,连续的,尽管一个不连续的导数,可以由标准实现PWM调节器。这种方法后,在10)控制的永磁同步发电机系统和一个二阶滑模控制器,通过使用一个supertwisting算法(11]。然而,在所有前面的方法发电机系统被认为是一个独立的系统被建模为一个动态系统相对程度(12]。相反,本文的模型生成器,也包括过滤器用于整流、相对二度和一个扭转控制算法用于第一次。

本文中讨论的第二个主题是能源管理。它是众所周知的13],发电机分级是基于所谓的“5秒的”和“5分钟”“过载能力,这是一个真正的过载曲线的分段线性近似的发电机。大致说来,假设发电机能够承受大过载第一个5秒,5分钟的过载只是表明发电机可以提供最高水平的稳定状态。很明显,如果一个总负载连接到发电机等,经过短暂的最大持续时间5 s,它需要比额定功率,发电机尺寸增加。会,如果下面的5 s后功率保证,需要5分钟没有超大的相关功能,从而减少发电机的尺寸和重量。这个想法一直在利用(14)与理想配置发电机和一个电池。在本文中,我们选择另一个拓扑。我们考虑一个共同配置航空电气网络,两个(或更多)直流电压公交车由分离发电机通过接触器和一条线,报道在图1。之间的接触器直流线路通常是敞开的。通常,在失去一台发电机的情况下,关闭接触器是为了让积极的发电机提供电力负荷最初分配给错误的发电机。本文的思想是将权力交接发电机过载的情况下。提出能源管理策略是指一个架构两个直流总线介绍:一个关键的公共汽车时,拿一个不重要的。的实质性区别这些公交车连接负载有关:对临界载荷(CLs),电力需求必须满足满足5 s-5最小准则上面所讨论的,没有忍受长久的CL发电机过载。MEA方法后,尤其是指的支线飞机,4直流总线[是一个常见的体系结构15),所以它可以很容易地可以选择几个连接公交车和集中CLs ncl,分别。有鉴于此,能源管理逻辑是基于下面的步骤:(我)CLs总线上的过载检测后,关闭与ncl总线常用的接触器。(2)ncl总线电压的增加,同时减少的CLs总线电压,和在任何情况下保护标准mil - std - 704 f (16270]规定的操作电压直流系统(即。、直流总线电压范围内(250 - 280)伏)。这个动作允许电流转移从ncl CLs总线。(3)超载管理条件终止之前,相关的监管权力交付的CLs发电机在价值低于过载。这个动作是通过迭代寻找最优的ncl总线电压,因此获得适当的权力交接。(iv)检测过载条件结束,恢复额定电压的ncl巴士,开放之间的接触器两个公交车。

本文将介绍如何实现这种能量管理策略依靠一个健壮的滑动低级控制和高层主管代理,能够协调ncl总线的设定值变化反应发电机的过载条件与CLs有关。

总之,本文的创新贡献是双重的。首先,二阶滑动流形方法是用来控制相对学位制度造成考虑整改阶段。其次,一个新的监控系统设计和测试。

2。电力系统模型

图2描述了一个典型的三阶段无刷同步电机作为交流发电机。发电机是一个三级无刷同步电机组成的主发电机,励磁阶段,永磁发电机(体)17,18]。这三个基本的交流发电机连接在级联。体的输出提供了励磁机励磁,在励磁机的输出与输入的旋转整流桥。整流桥的直流电流传递给主发电机的转子。

从本质上讲,体和励磁电流的励磁机执行功率放大喂主发电机和忽视。发电机产生三相电压。为了简化数学描述,Clark-Park转换通常使用,将三相呈现正弦变化的系统一套两相静止(19]。使用这种简化,利用定子电流的两个组件和励磁电流作为状态变量(例如, )发电机的数学模型9] 在哪里 和(我) 电机转子速度(即次转子角速度,是极地对机器的数量);(2) 是电枢- - -分别设在电压;(3) 磁场绕组电压;(iv) 分别是定子和田间抗性;(v) 分别是定子和磁化电感;(vi) 是电感。

之间的关系,,,取决于负载的发电机。发电机的输出电压与AC / DC整流器桥,介绍了非线性系统,由于二极管的存在(参见[20.])。然而,交流侧电压波形的谐波分析表明,第一电压的谐波主要是代表形状。

模型整流器,详细描述基于混合模型的过程。具体来说,对于每个二极管整流状态机的一个状态被认为是(21]。这个描述,尽管准确和严格的从造型的角度来看,需要复杂的数学工具来评估反馈控制律的稳定性。然而,由于我们只是感兴趣的直流电压是恒定的情况下(或缓变)和控制设计是模范自由,一个简单的不可控整流器的模型方法,基于平均模型计算将电源的输入和输出整流(22(即。,assuming lossless diode bridge) is adopted. With this approach the average value of the rectified voltage和的平均值 发电机电压是相关的 为一个合适的常数(22根据负载。相同的参数应用到当前显示一个类似的关系适用于整流电流的平均值和的平均值 发电机电流;也就是说, 为一个合适的常数。为了减少脉动直流,一个过滤被认为是,如图3。

特别是,选择电容器降低纹波,而电感用于调整负载的功率因数。一个简单的计算表明,通过选择 负载是纯电阻(只要第一谐波而言)。这种近似假设,定子电流和电压之间的关系 对于一个给定的负载“等效”,(1)成为 在哪里 。上面的描述是一个获得在9)的情况下独立的发电机。注意,这个描述是有效的在发电机方面,也就是说,之前整流桥。

在续集中,由于大的电容值和速度电感器的存在将会被忽视。这个假设将反映在一个小模型误差,将抵消控制器的鲁棒性能力。

3所示。发电机的滑模控制

传统上,航空发电机中描述的人物2监管的输出电压通过使用GCU部件(发电机控制单元),嵌入一个直流/直流转换器由一个PI控制器。这经典的解决方案保证发电机270能够保持直流参考和拒绝常见的干扰。然而,对于能源管理的范围,这种方法就不满意,由于额外的需求相关的快速跟踪时变参考和需要在参考跟踪精度高。出于这个原因,我们研究利用滑模控制对提高控制舞台表演。滑动流形和相关滑模方法已经被使用多年来控制应用程序。有许多原因这些策略的成功应用,但最主要的是他们的能力来处理非线性和不确定的控制植物。事实上,滑模控制器是著名的为他们的强鲁棒性的属性,对未建模动态和外生未知的干扰。很明显,有一个代价高正确度和强鲁棒性特性:通常情况下,滑动流形策略,在高增益[23和不连续控制版本7),通常需要大型控制器带宽。减少控制器带宽,方便实现(例如,使用转换器和相对较低的开关频率)减少闭环系统性能;因此如果这个带宽性能权衡被认为太保守的不同的方法必须考虑(例如,自适应控制(24- - - - - -26])。然而他们在监控的集成结构仍然是调查和系统的使用与多个公交车是复杂的。

基本上,滑模背后的想法非常简单:它是足以制定控制目标和表演的一个合适的滑动流形由方程(组)的解(s) 所以如果如果系统状态演化被迫属于歧管自动满足所需的性能。显然,在实际实施滑动控制系统必须的状态驱动滑动流形和保存(即。必须保证,达到稳定阶段)和歧管上的运动必须局限于有限的子集(即。、稳定运动的歧管必须持有)。具体来说,所谓的等效控制是通过派生(见[7])或连续的派生(见[23])的滑动功能。相当于控制是真正需要满足设计规格但不能直接实现,因为它需要一个完美的系统(即知识。,完美的造型和零不确定性参数),这显然是不现实的。因此,高增益或切换的实现控制律设计,控制动作的平均伴随着等效控制。

自从控制目标是引导直流母线上的电压朝着一个参考价值,因此,考虑滑功能 为了定义控制策略,我们需要时间滑动函数的衍生品。注意,在图3的直流电压后整改(和忽视电感)是 在哪里 。因此滑动函数的导数 在上面的推导过程被认为是一个通用的参考电压,不一定是常数。请注意,控制输入没有出现在一阶导数的,显示的相对程度generator-rectifier-filter与输入和输出函数大于一个(27]。为了得到再一次的导数的表达式必须计算。近似地,总线电流有关发电机电流通过(4)。我们再次强调,这是一个粗糙的近似,将评估其有效性的强鲁棒性属性滑模方法。不难证明,推导两次,控制变量出现,特别是 在哪里 函数不是根据吗这是假定有界, 对于一些已知的常数 , 是一个常数。

因为相对程度的系统输出函数是两个,一个二阶滑模策略28必须使用。在本文中,我们提出了一种新的控制策略。 与 和 ,在那里 和 是最低的估计和最大直流电流的值发电机电流的分量,分别。可以表明,此控制律的基本原理是一样的著名扭控制算法(28]。具体来说,选择一个正定李雅普诺夫函数 结果的时间导数有界 这是一个方程完全相同的形式的李雅普诺夫函数(6章操作)。从这一点上稳定的证明遵循相同的步骤(6章操作)。闭环系统稳定,保证收敛的附近来在有限的时间。请注意,只有一个很粗略的估计的参数和需要,这促使滑模控制的强鲁棒性的属性:基本上,它是一个模范自由的方法,模型的细节可以忽略。唯一需要的是相对程度的信息。此外,正如在任何扭曲算法,滑动函数的导数计算或估计。

的总体方案提出了滑模控制调节器绕线转子起动发电机(WRSG)在图给出4。

发电机的三相输出电压的转换组件通过使用克拉克变换。然后滑动功能(8)计算及其时间导数(近似)。例如,可以使用不同的接近黎凡特高通滤波器,数值推导,或限定时间微分器(29日]。接下来,控制律(12)计算。在实际应用中,励磁电压将使用直流/直流转换器产生的由一个合适的控制策略(例如,PWM,滑模(30.)或高增益31日),但在本文中,我们将不会解决这个问题。

详细的示意图在军刀模拟器控制单个发电机如图5。

到目前为止我们已经考虑一个发生器由一个控制器控制。可以考虑不同发电机相连,每个控制自己的控制器,如图1对于两个发电机。在这种情况下,重要的是要设计一个高级控制器(主管)协调每个滑动控制器的作用。

4所示。能源管理监控系统

管理者可以被定义为一个控制器在更高层次级参考跟踪控制。有几个著名的例子可以发现在过程控制(例如,SCADA系统(32]或佩特里网主管(33]),而在航空监管系统是最近的引入,尤其是指能源管理范围(34,35]。主管的目标可以取决于应用程序要求;在这种情况下,我们的监控系统可以被描述为一个自动机演化三个州之间根据过载条件,因此为底层控制器提供一个变量设置点,也就是说,在图4。

我们的场景中考虑两个公交车,每个由自己的发电机。两个公交车之一是“关键”巴士,在介绍中提到的,而另一个是“被”汽车。其中最关键的观点是,在过载的情况下关键的公共汽车,被一个叫做,帮助前者。这是通过增加电压的非关键的巴士,在降低电压的关键,因此,可以从被流到关键总线通过接触器和连接线。权力的流动是受下垂样貌(36]策略;即NCL发电机的电压是线性增加,CL发电机的电压下降(以同样的速度),直到电力供应从NCL CL足以清除过载。在这一点上,两个引用阻止不同。以上策略是实现如图6。首先CL一侧的力量估计过滤直流电压和电流的乘积的CL生成器。估计处理权力由一个自动机生产正确的公交车的参考电压。注意,自动机意识到限制MIL标准规定的最小和最大电压和停止增加(或减少)的引用是否会违反了这些限制。

接下来,如果过载的原因(例如,因为一些负载断开关键总线)两个公交车上的初始条件相同的引用是恢复。

到目前为止讨论的能源管理自动机详细图7。

三个量来定义:(我)OVTH:这里的过载检测阈值,定义为等于千瓦;(2)PSAFE:过载结算值,定义为等于千瓦;(3) :过载状态调节值越低,在这里定义为等于千瓦

据能源管理逻辑接收作为输入,即权力的滤波估计交付的CLs生成器,并产生输出逻辑条件管理过载。自动机开始在国家“Nonoverload”仍然存在,直到检测到过载条件;例如, 。然后进入“过载”状态,电压引用改变了CL参考电压与通过减少线性斜率同时增加的NCL电压的斜率。在这里 规定是一个斜坡,必须选择交易快速权力交接(这需要大带宽控制器吗)和一个缓慢的转移(与所需的5 s恢复能力)。在选择模拟运动是有用的。

如果CL中注入力量足以清除过载,引用保持不变和国家“超载管理”进入。为了避免喋喋不休,一个阈值被认为是, 。

最后,如果需要功率低于“安全”水平,PSAFE自动机考虑紧急情况结束后,重置初始电压水平和断开两个公交车。

5。仿真结果

该滑模控制和相关能源管理策略对航空发电机详细SABER仿真环境中进行测试。发电机参数的典型值在航空应用中被发表在表1,而控制器参数表2。

第一套模拟进行了指nonsupervised控制和一个发电机,为了测试滑模控制策略的有效性跟踪不同所需的电压。具体来说,逐步改变参考直流总线电压已经实施,设置点270 V、250 V、280 V在最初的时候, 年代和在 年代,分别。一个纯电阻负载连接到直流总线,吸收27千瓦额定电压270 V。使用上面的控制律获得的结果在图所示8,整流后的直流电压(蓝色)显示,相比之下,想要的设置点(绿色)。模拟表明,发电机,快速到达阶段,遵循准确参考电压在有限的时间。在图9控制信号,也就是说,吩咐发电机磁场电压,显示在一个短的时间间隔。很显然,扭曲算法实施只有四个电压水平。

接下来,底层控制器的鲁棒性。第二组的模拟,一个常数引用是实施和负载突然变化的名义值27千瓦到33千瓦至21日千瓦,最后回到初始值千瓦。结果呈现在图10,显示了强鲁棒性的属性滑模策略。基本上,控制器能够抵消扰动和迅速恢复规定的基准电压。变焦第一负载变化如图11。

下一组模拟是用来检查该能量管理策略的有效性。在这种情况下,一个不同的、更复杂的模拟试验台,包括两个发电机。发电机的电力电缆连接,模仿与电阻1Ω,输电线路电感10μh .军刀示意图如图12。

如上所述,发电机过载的水平 千瓦的定义,不同的负载有巴士上被认为是至关重要的。第一个场景是呈现在图13。从一个稳态条件,电力由27个千瓦发电机,如图13 (b);因此,低于OVTH,被插入到一个额外的负载 年代,要求功率超过OVTH。能量管理算法对过载条件下通过减少直流关键总线电压,如图13 (c),同时增加的非关键总线电压,如图13 (d),直到提供的电力发电机减少值低于至关重要。注意,这个临时退化的表现不会影响负载连接到直流总线,因为直流总线电压保持在规定的利润(16]。此外,能力退化发生在5 s的过载检测,因此符合能源管理目标。最后,在 年代,删除额外的负载和发电机过载条件清除。出于这个原因,关键和非关键总线电压恢复的名义V条件由能源管理系统。当前注入的非关键总线关键总线如图(13日)时间和状态机图13 (e)。

接下来,第二个场景配置被认为是和结果呈现在图14。一开始这个场景,正好是前一个,直到时间 年代,在这两种场景自动机状态”超载管理。“现在不同于第一个场景中,一个新的负荷介绍了导致另一个过载(例如, OVTH)发生。然后主管会自动回到“超载”,如图14 (e),总线上的关键参考电压降低,同时增加的电压被公共汽车,和更多的电流提供从非关键总线,如图(14日)。在 年代,过载(总线电源管理图14 (b)减少到),最后,在 年代的总负载恢复到其初始值,超载是清除和自动机回到初始状态;因此,引用两个公交车都恢复到270 V。

6。结论

在本文中,一种新型控制策略对航空发电机的上下文中提出并使用一个创新能源管理策略,采用获得两个发电机在不同总线之间的权力交接由总线接触器连接。首先,系统结构被描述,由两个主要的三相发电机,励磁装置。发电机的输出电压是由不可控整流器整流和生产航空的主要直流总线电压电网络。两个公交车视为最小配置讨论可能的能量管理策略。摘要支柱之一是引入激励器的滑模控制器,控制同步发电机的转子磁场和间接直流总线电压。控制策略已经被用来作为基础来获得一个有效的能源管理逻辑实现,针对面临的自动发电机过载。基于自动机的主管提出管理关键总线上的过载。考虑可能出现的不同情况,并进行分析。详细在SABER仿真软件的仿真结果表明该方法的有效性和构成一个坚实的基础为后续实验验证该能量管理策略和相关的滑模控制。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。