多舵面飛機電力作動系統協調控制策略研究

李成茂, 石山, 劉德鵬

(空軍工程大學 航空航天工程學院, 陜西 西安 710038)

多舵面飛機電力作動系統協調控制策略研究

李成茂, 石山, 劉德鵬

(空軍工程大學 航空航天工程學院, 陜西 西安 710038)

隨著大型飛機舵面結構布局的變化,傳統的集中式結構飛控系統難以滿足舵面協調過程中準確性的要求。為此引入多智能體的概念,將單個舵面等效為一個智能體,構建分布式電力作動系統的多智能體系統結構。采用聯盟式體系結構,分別對聯盟內部分體式舵面智能體的同步聯動控制、不同聯盟間舵面協調偏轉控制進行控制策略的設計,并建立仿真模型。仿真結果表明,舵面能夠準確地收斂到給定的舵面協調偏轉狀態,并且該策略能有效抑制舵面負載干擾引起的協調偏轉率波動,解決了傳統集中式飛控系統多舵面協調控制準確性不好的問題。

多舵面; 多智能體; 電力作動系統; 協調控制

0 引言

隨著主動控制技術的發展,現代大型飛機大多具有多操縱面布局結構[1]。空客公司的A320 有5對擾流片、2對副翼和2對升降舵;A340有6對擾流片和4對副翼;A380則更進一步增加到8對擾流片。波音公司的飛機大部分也具有多操縱面布局結構,如B777的多塊擾流片和襟翼[2]。多操縱面布局結構已經成為大型飛機的發展趨勢。傳統的集中式結構電傳飛控系統難以滿足舵面協調與管理過程中實時性、準確性的要求[3],為此,國內外一些技術驗證機及新一代飛機逐步采用分布式電傳飛控系統的結構設計。多智能體系統具有較好的靈活性和適應性,能夠通過智能體局部的智能行為以及對多信息融合實現整體資源的優化,并能動態地適應任務需求來保持操作的響應。本文主要將多智能體技術應用到飛機電力作動系統控制結構與控制方法的改進中,構建分布式電力作動系統的多智能體系統結構,以探索是否能滿足多操縱面布局協調性的要求。

1 智能體的結構設計

國外許多先進飛機逐步采用了多操縱面設計(如空客A380[4]),即將一個傳統的單體式舵面分成幾個小的分體式舵面,每個小的分體式舵面可由獨立的電力作動器驅動,從而降低了對單臺電力作動器的可靠性、體積、散熱等的要求。

1.1 單個智能體結構設計

每個舵面均由控制器、驅動電機、傳動裝置等電力作動器組成,將單個舵面等效為一個智能體,各組成部分間的關系如圖1所示。

圖1 舵面智能體的基本組成Fig.1 Component of control surface agent

舵面智能體應具有高度的自規劃、自組織、自適應能力,以適應復雜動態環境中的工作,使其在能夠完成自身舵面偏轉驅動的前提下,通過與其他舵面智能體的通信協作,提升舵面電力作動系統整體的協調控制性能。舵面智能體主要由環境感知模塊、通信模塊、執行模塊、控制模塊、規則庫等功能模塊組成,其功能框圖如圖2所示。

圖2 舵面智能體的功能框圖Fig.2 Functional block diagram of control surface agent

1.2 多智能體系統的結構設計

以單個舵面智能體為基礎,引入多智能體系統的概念,構建分布式電力作動系統的多智能體系統結構。本文采用聯盟式的多智能體系統體系結構,對電力作動系統的多智能體系統結構進行了設計,如圖3所示。圖中：智能體間的連線代表通信的路徑;箭頭代表信息傳遞的方向。

圖3 電力作動系統的多智能體系統結構Fig.3 The structure of multi-agent electromechanical actuation system

聯盟內部舵面智能體的確定主要依據舵面安裝的特點,即將同一個舵面內的各分體式舵面組成同一個聯盟,各分體式舵面均由獨立的電力作動器驅動,視為一個獨立的智能體,各分體式舵面智能體地位平等且相互獨立,彼此間通過分布式的局部通信實現信息的交互與協作。不同聯盟間通過協助智能體進行遠程通信,以實現信息的交互與協作,協助智能體可以由聯盟內部任意分體式舵面智能體擔任。不同聯盟間協作關系的確定由上層管理智能體(飛控計算機或飛行控制與伺服控制分離下的電力作動器智能控制中心)根據飛機當前飛行狀態所需操縱舵面決定,是動態變化的。

2 協調控制策略設計

2.1 分體式舵面同步聯動控制策略

對于由n個分體式舵面智能體組成的舵面多智能體系統,各分體式舵面智能體通過總線互連,并在局部分布式通信的基礎上,以舵面偏轉角度為協調變量,通過相互協作實現舵面偏轉角度的同步聯動,以取得原單體式舵面偏轉的氣動效益。

定義協調變量為舵面偏轉角度θ,θi(t)為t時刻第i個分體式舵面智能體節點狀態,一致性分散化協調控制策略可以表示為:

(1)

式中:γi為有向圖中邊的加權系數;Ni為與第i個分體式舵面智能體節點所能獲相鄰分體式舵面智能體信息的狀態集合;gij為Ni相對應的通信連接關系,其表示為:

分體式舵面智能體協調的目標是使彼此間的信息狀態或行為達到一致,即各分體式舵面的偏轉能夠實現同步。對于任意分體式舵面智能體節點i,j,如果滿足式(2),則稱i,j能夠協調一致,即:

(2)

圖3所示舵面多智能體系統協調控制結構,為任意節點相互可達的強連通圖,且含有有向生成樹,分散化協調控制策略一致性收斂,即各分體式舵面智能體的偏轉角度動態收斂到γi的加權平均值:

(3)

由以上分析可以得出,在滿足圖3所示的協調控制結構及式(1)的分散化協調策略的基礎上,舵面作動系統的所有分體式舵面的偏轉角度能夠動態收斂到式(3)所示的輸出結果,亦即分體式舵面能夠動態的實現同步聯動。

2.2 舵面協調控制策略

θA(t)=kθB(t)

(4)

式中:θA(t),θB(t)分別為t時刻不同舵面的偏轉角度;k∈R為舵面協調偏轉率。考慮A,B舵面系統分別為由nA,nB個分體式舵面智能體組成的多智能體系統,不考慮舵面間協調控制時,由式(1)可知,A,B舵面系統各自的分散化協調控制策略分別為:

(5)

對于不同的聯盟,A,B舵面多智能體系統均為含有有向生成樹的強連通圖,則由式(3)可知,A,B舵面系統的任意分體式舵面智能體節點的偏轉角度分別動態收斂于:

(6)

當舵面內所有智能體狀態信息趨于一致,即舵面內所有分體式舵面均為同步聯動,則任意分體式舵面智能體均能代表舵面的信息狀態,即:

(7)

考慮舵面間協調控制的目的是使A,B舵面偏轉角度滿足式(4),亦即:

(8)

則式(5)中的分散化協調控制策略需調整為:

(9)

其中:

隨著信息技術發展速度的加快，現下社會的發展已離不開信息技術。教學的本質是為社會發展培養高素養、高能力人才，在小學開展信息技術課程可以培養學生的信息素養，全面提升學生綜合素養，為學生以后的成長和發展打下良好基礎。在新課程背景下，小學信息技術課程教學面臨著更大的挑戰，教師要打破傳統的教學思維和模式，進行創新教育，突出實踐教學的重要性，培養和提升學生的實踐操作能力。另外，教師還要提升教學效率和教學質量，激發學生的學習興趣，培養和提升學生的主動學習能力，為學生以后的學習和發展做好鋪墊。下文將簡要探討小學信息技術創新教育的重要性，以及探究新課程背景下小學信息技術創新教育的有效對策。

式中:i=4,j=3分別為圖3中A,B舵面多智能體系統協助智能體的個數;uA(t),uB(t)分別為舵面間的協調項,用于協調不同舵面的偏轉角度,可以用如下公式表示:

(10)

令:

則滿足圖3所示舵面通信結構的舵面多智能體系統能夠實現協調控制。

3 仿真試驗

3.1 仿真模型

假設所有舵面均由機電作動器驅動,在Matlab/Simulink中搭建機電作動器的仿真模型,搭建了A,B舵面電力作動系統及其協調控制的系統仿真模型。舵面A協調控制仿真模型由4個分體式舵面仿真模塊組成,構成舵面A聯盟式多智能體系統結構。模型的建立主要借鑒了多電機相鄰偏差耦合控制的結構[6],同步控制器為速度前饋PID控制器,偏差補償控制器為PID控制器。聯盟內部分體式舵面智能體通過分布式的局部通信進行協作,以實現同步聯動。

舵面A,B組成的電力作動系統協調控制仿真模型中,不同的舵面模型代表不同的聯盟,不同聯盟間通過協助分體式舵面智能體進行遠程通信,以一定的協調偏轉率進行舵面偏轉角度的協調偏轉。仿真模型中取協調控制器為PID控制器。

假設機電作動器與舵面通過鉸鏈連接,機電作動器直線位移與舵面偏轉角度的關系為M=5 (°)/mm[7]。考慮舵面電力作動系統的協調性會受各傳動軸的驅動特性不匹配、負載的擾動、電機參數變化等因素的影響,而機電作動器的工作特性主要由驅動電機表征,各舵面電力作動系統驅動電機取不相同的工作參數,用以模擬不同舵面電力作動系統在實際工作過程中存在的差異。

3.2 分體式舵面同步聯動控制試驗

圖4為輸入階躍指令信號未進行協調控制時,舵面A各分體式舵面偏轉角度仿真曲線。從圖中可以看出,由于驅動電機轉子端等效負載轉矩、阻尼系數等參數的差異,舵面A中各分體式舵面的偏轉角度存在一定的偏差,沒有滿足同步聯動的作動要求,降低了舵面的氣動效益。圖5為進行協調控制時,舵面A各分體式舵面偏轉角度仿真曲線,圖中舵面A各分體式舵面偏轉角度協調一致,具有較好的同步聯動控制性能。

圖4 未進行協調控制時舵面A分體式舵面偏轉角度曲線Fig.4 Split type control surface deflection angle curves of control surface A without coordinated control

圖5 協調控制時舵面A分體式舵面偏轉角度曲線Fig.5 Split type control surface deflection angle curves of control surface A with coordinated control

圖6為兩種控制方式下,舵面A中分體式舵面2,4偏轉角度偏差對比曲線。可以看出,進行協調控制時二者間的偏差要明顯小于未進行協調控制,從而證明本文所設計的分體式舵面同步聯動控制策略能夠改善分體式舵面的同步偏轉性能,提高分體式舵面偏轉的氣動效益。

圖6 分體式舵面2,4偏轉角度偏差對比曲線Fig.6 Deflection angle deviation curves of split type control surface 2 and 4

3.3 舵面協調控制試驗

取舵面協調偏轉率k=2,輸入斜坡指令信號,斜率分別為:RA=18,RB=9,舵面內各分體式舵面協調控制,并在0.1 s時給舵面A中分體式舵面2突加模擬負載。任取舵面A,B中一分體式舵面偏轉狀態表征舵面A,B實際偏轉,舵面間不進行協調控制和進行協調控制的偏轉角度仿真曲線如圖7和圖8所示。

圖7 未進行協調控制時A,B舵面偏轉角度曲線Fig.7 Deflection angle curves of control surface A and B without coordinated control

圖8 協調控制時A,B舵面偏轉角度曲線Fig.8 Deflection angle curves of control surface A and B with coordination control

從圖7中可以看出,舵面間未進行協調控制時,舵面A偏轉角度曲線無法準確跟蹤指令信號,且易受負載擾動的影響,舵面B則能較好地跟蹤指令信號,但舵面A受擾動引起的偏轉狀態的變化無法傳遞到舵面B中。圖8中,舵面間進行協調控制,舵面A偏轉角度曲線較好地跟蹤指令信號,并通過與舵面B的協作有效地抑制了舵面負載擾動對舵面偏轉的影響。

圖9為兩種控制方式下,舵面協調偏轉率的對比曲線。可以看出,采用協調控制的舵面協調偏轉率曲線能夠更加快速、準確地收斂到給定的舵面協調偏轉狀態,并能有效抑制舵面負載干擾引起的協調偏轉率波動。結果表明,舵面協調控制策略提高了舵面協調偏轉的準確性。

圖9 協調偏轉率k對比曲線Fig.9 Curves of deflection rate k

4 結束語

本文根據多舵面飛機電力作動系統結構特征,結合多智能體系統構建分體式電力作動系統的多智能體系統結構,并設計了分體式舵面同步聯動控制策略及舵面偏轉控制策略。本文提出的協調控制策略提高了多舵面電力作動系統協調控制的準確性;由于各舵面作動節點均為智能體,能夠自主地進行通信協作,該控制策略也能有效地提高舵面電力作動系統的智能性及自動化程度。此外,本文僅針對兩個舵面的協調控制進行了研究,但研究成果完全可以適用于多個舵面協調控制的情況。

[1] 嚴仰光,秦海鷗,龔春英,等.多電飛機與電力電子[J].南京航空航天大學學報,2014,46(1):11-18.

[2] Chakraborty I,Jackson D,Trawick D,et al.Electric control surface actuator design optimization and allocation for the more electric aircraft[R].AIAA-2013-4283,2013.

[3] 占正勇,劉林.分布式電傳飛行控制系統結構發展分析[J].飛行力學,2009,27(6):1-4.

[4] 張巍,朱耀忠.“多電”控制舵面作動器——下一代運輸機的一個方案[J].電力電子,2006(4):15-18.

[5] Wang J,Xin M.Flocking of multi-agent system using a unified optimal control approach[J].Journal of Dynamic Systems,Measurement,and Control,2013,135(6):5-11.

[6] 劉艷.多電機同步控制系統控制策略研究[D].沈陽:沈陽工業大學,2013.

[7] Chakraborty I,Jackson D,Trawick D,et al.Development of a sizing and analysis tool for electro hydrostatic and electromechanical actuators for the more electric aircraft[R].AIAA-2013-4282,2013.

(編輯：李怡)

《飛行力學》正式開通在線辦公系統

為加快科技期刊信息化建設步伐,實現期刊數字化出版和網絡化傳播,《飛行力學》編輯部于2015年8月已正式開通在線辦公系統(網址為:http://fhlx.cbpt.cnki.net)。該系統具有作者在線投稿、編輯在線采編、專家在線審稿等功能。

投稿過程簡單方便。首次在線投稿時,請先在該網站進行注冊,并按要求填寫相關信息,注冊成功后方可投稿。投稿時,請務必認真閱讀《征稿簡則》、《版權協議》等資料,然后按要求填寫并上傳《版權協議》,同時上傳原稿全文和保密審查證明。

歡迎大家使用作者投稿系統。投稿過程中,若遇到其他疑問請聯系編輯部(Tel:029-86838449;Email:fxlxbjb@163.com)進行咨詢。

《飛行力學》編輯部

Research on coordinated control strategy of electromechanical actuation system for multiple control surfaces aircraft

LI Cheng-mao, SHI Shan, LIU De-peng

(Aeronautics and Astronautics Engineering College, AFEU, Xi’an 710038, China)

With the changes in the structure of the layout of large aircraft control surfaces, the traditional centralized structure of the flight control system can not meet accuracy requirements in the rudder coordination process. To solve this problem, the concept of multi-agent was introduced and a single rudder was equivalent to an intelligent agent to build a distributed multi-agent system structure of electromagnetic actuation system. The coordinated control strategy of split type actuator synchronous linkage control and the control surface coordinated control respectively were designed with federated architecture, and the simulation model was established. Simulation results show that the rudder can accurately converge to a given coordinate rudder deflection state, and the strategy effectively suppress interference caused by fluctuations in load rudder deflection rate coordination, solved the problem of poor coordinated control surface accuracy of traditional flight control system.

multiple control surfaces; multi-agent; electromechanical actuation system; coordinated control

2015-01-12;

2015-04-30;

時間:2015-06-24 15:03

李成茂(1990-)，男，湖北黃石人，碩士研究生，研究方向為飛行控制及仿真。

V227

A

1002-0853(2015)05-0476-05