[發(fā)明專利]一種飛機電動環(huán)控系統(tǒng)能效優(yōu)化的控制方法

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• 申請日: 2022-11-14
• 公開（公告）號: CN116101496A
• 公開（公告）日: 2023-05-12
• 發(fā)明（設計）人: 鄭峰嬰;何中澤;張鏡洋;胡文超;傅杰城;金行健;朱文杰
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B64D13/06
• 分類號: B64D13/06;G05B13/04
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 奚幼堅

本發(fā)明公開了一種飛機電動環(huán)控系統(tǒng)(EECS)能效優(yōu)化的控制方法，將傳統(tǒng)的區(qū)域控制策略改變?yōu)槿兞績?yōu)化與雙目標控制的組合，以系統(tǒng)的性能系數(shù)(COP)為指標，通過求解不同工況下優(yōu)化變量的最優(yōu)解集來最大化COP。在此基礎上，通過控制器解算兩個控制量的值來滿足系統(tǒng)的性能需求。首先，建立一個GRNN模型，通過各工況下的大量離線數(shù)據(jù)訓練，使其能夠準確預測不同工況下系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)COP。隨后，DE算法在滿足部件性能約束的解空間內(nèi)搜尋最優(yōu)COP對應的優(yōu)化變量解集。最后，通過控制器在最優(yōu)的操作點下求解相應的控制量，從而實現(xiàn)能效優(yōu)化控制。

技術領域

本發(fā)明涉及飛機機艙環(huán)境控制，尤其涉及一種飛機電動環(huán)控系統(tǒng)(EECS)能效優(yōu)化的控制方法，屬于飛行器熱管理系統(tǒng)能效管控技術領域。

背景技術

飛機的環(huán)境控制系統(tǒng)通過向機艙提供空氣來實現(xiàn)通風和溫度控制的功能，為人類維持一個舒適的機艙環(huán)境。目前，大多數(shù)環(huán)境控制系統(tǒng)采用發(fā)動機引氣的方案，通過對空氣循環(huán)部件實施一系列控制技術和功率優(yōu)化技術，將其調(diào)整到適當?shù)臏囟群蛪毫σ怨獧C艙。然而，從發(fā)動機排出的空氣對發(fā)動機燃料消耗具有負面影響。為了確保發(fā)動機在經(jīng)濟模式下工作，通常將引氣的溫度和壓力設置為恒定值，這往往高于環(huán)境控制系統(tǒng)的實際需要，從而導致大量動力浪費。隨著飛行任務的復雜性和整機性能要求的不斷提高，這種方法受到越來越多的限制。電動環(huán)控系統(tǒng)(EECS)消除了傳統(tǒng)的氣動系統(tǒng)，并將氣源從發(fā)動機引氣轉(zhuǎn)換為由電動壓縮機壓縮的環(huán)境空氣。該系統(tǒng)采用兩級壓縮兩級膨脹的制冷方式，多組閥門協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)其內(nèi)循環(huán)狀態(tài)，電動壓氣機和電動風扇可以根據(jù)不同工況自由調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。對于同樣的飛行任務，可以通過各流道間不同的流量分配而實現(xiàn)同樣的控制目標，從而產(chǎn)生能效優(yōu)化的可能。然而，整個系統(tǒng)非線性強、執(zhí)行機構多且控制目標間存在強耦合作用，傳統(tǒng)的控制策略無法兼顧各控制通道間的協(xié)同作用，難以實現(xiàn)系統(tǒng)的能效最優(yōu)。

從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看，在控制策略方面，常用區(qū)域控制策略，即通過將EECS劃分為若干個功能獨立的區(qū)域來達到降階的目的，然后為每個區(qū)域獨立設計控制算法。優(yōu)化技術研究主要集中在組件級參數(shù)優(yōu)化和系統(tǒng)架構優(yōu)化。如部分學者分別通過熱流法和參數(shù)匹配法對制冷系統(tǒng)進行建模，并從最小起飛總重量和燃油損失的角度給出了系統(tǒng)的最優(yōu)結構和尺寸參數(shù)。但對于具體的系統(tǒng)和具體的任務要求，如何將優(yōu)化方法與控制方法相結合，通過調(diào)整系統(tǒng)的工作狀態(tài)達到優(yōu)化的目的，目前還缺乏成熟的理論體系和評價方法。

近些年來，人工神經(jīng)網(wǎng)絡的興起引起了學者的廣泛關注。神經(jīng)網(wǎng)絡在控制和優(yōu)化領域的獨特優(yōu)勢在于其對非線性函數(shù)的高精度逼近能力。在對象信息不足的優(yōu)化問題中，神經(jīng)網(wǎng)絡經(jīng)常被用作對象替代物。通過根據(jù)具體問題建立具有合適結構的神經(jīng)網(wǎng)絡，可以利用有限的數(shù)據(jù)高精度地逼近對象。結合數(shù)值優(yōu)化算法求解訓練好的神經(jīng)網(wǎng)絡模型，可以得到原問題的近似最優(yōu)解。目前在環(huán)控系統(tǒng)領域，運用神經(jīng)網(wǎng)絡進行相應的控制器及優(yōu)化器設計還鮮有報告，但在復雜系統(tǒng)以及復雜過程的優(yōu)化及控制問題中，神經(jīng)網(wǎng)絡已經(jīng)得到了廣泛應用，具有一定的借鑒意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術問題是針對上述背景技術的不足，提供了一種飛機電動環(huán)控系統(tǒng)(EECS)能效優(yōu)化的控制方法，采用如下技術方案：一種飛機電動環(huán)控系統(tǒng)能效優(yōu)化的控制方法，電動環(huán)控系統(tǒng)EECS通過額外配置一個電動機驅(qū)動的壓氣機壓縮環(huán)境空氣作為氣源，直接從環(huán)境大氣中引入空氣，電動機驅(qū)動壓氣機壓縮沖壓空氣，經(jīng)過初級散熱器冷卻后由壓氣機增壓，接著進入次級換熱器繼續(xù)冷卻，冷卻后的空氣經(jīng)冷凝器降溫除濕后，依次進入一級、二級渦輪冷卻器進行冷卻，最后獲得的冷卻空氣供入座艙以平衡熱載荷；

其特征在于：將傳統(tǒng)的區(qū)域控制策略改變?yōu)槿兞績?yōu)化與雙目標控制的組合，以EECS的制冷系數(shù)(COP)為指標，通過求解不同工況下優(yōu)化變量的最優(yōu)解集來最大化COP，在此基礎上，通過控制器解算兩個控制量的值來滿足系統(tǒng)的性能需求；首先，建立一個廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡模型，通過各工況下的大量離線數(shù)據(jù)訓練，預測不同工況下EECS的穩(wěn)態(tài)COP；隨后，差分進化算法在滿足部件性能約束的解空間內(nèi)搜尋最優(yōu)COP對應的優(yōu)化變量解集；最后，通過控制器在最優(yōu)的操作點下求解相應的控制量，從而實現(xiàn)能效優(yōu)化控制；