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辅助动力装置多级嵌套有限状态机控制方法_付荧鑫.pdf
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1、2023.7电脑编程技巧与维护1概述辅助动力装置(APU)是一种用于提升输出轴功率和增压气源的小型燃气涡轮发动机,主要功能包括带动主发动机起动、驱动发电机和液压泵为飞机提供电能、气源和液压能等1。当主发动机出现故障时,辅助动力装置会提供飞行所必需的能源,并且在主发动机启动前或者关闭后为飞机提供所需要的电源和气源,能够极大地提升飞机的自主保障能力与安全性能,是运输类飞机不可缺少的装置之一。目前辅助动力装置控制系统已由机械液压方式或模拟电子方式向全权限数字电子控制方式转换2。辅助动力装置控制系统被控对象众多、时序复杂、工作模态多且各模态之间具有切换、兼容、连锁等多种转换动作,因此辅助动力装置电子控
2、制器(ECU)可以稳定、可靠、安全地工作且能覆盖辅助动力装置全工况3。对于以事件驱动的控制方式,有限状态机(FSM)是非常有效的设计模型,可以使得系统在任意时刻都处于特定的状态45。以多级嵌套式有限状态机的方法定义和实现辅助动力装置电子控制器的控制功能。通过对辅助动力装置运行工况的分析,可以将辅助动力装置工作过程分解为不同的工作状态,并组合成有限状态机,从而制定相应的控制策略,并在某型辅助动力装置电子控制器上进行仿真验证,结果表明,该控制逻辑结构清晰、设计灵活,可实现系统稳定、可靠的运行,且具有易于建立和维护的优势。2电子控制器控制功能电子控制器应根据来自飞机操作显示面板的起动、停车、引气开关
3、及来自机电管理计算机的数据信息,完成APU运行控制,并对APU及电子控制器自身的运行状态进行监控,当检测到影响APU本体安全的故障时,控制APU会进行保护性停车。有限状态机是表示有限个状态及这些状态之间的转移和动作等行为的数学模型,是一种具有离散输入输出系统的模型,可以根据任意时刻的输入,快速、有效地判断当前的输出状态6,即有限状态机由一定数目的状态及相互之间的转移条件组成,在一个时刻只能处于给定数目状态中的一个。当一个事件发生导致某个转移条件满足时,有限状态机将会产生一个输出,从而控制输出状态的转移。对于复杂系统,基本的有限状态机建模可能状态、事件判别不明确,会导致系统效率低下且难于验证和维
4、护,因此需要对基本的有限状态机建模进行补充7。多级嵌套有限状态机是解决复杂系统控制输出问题的有效设计模型。3多级嵌套有限状态机控制方法在此设计了一种多级嵌套式有限状态机的控制方法。该方法将APU控制系统的整个工作过程根据不同工况划分为多个不同的独立状态,在每个独立的状态下设计对应的控制策略,根据不同的控制状态会选择不同的控制策略,并进行对应的控制决策计算,最终将控制指令输出到控制执行机构,从而实现对目标的控制。根据上述方法的思想,多级嵌套有限状态机控制方法会将工作状态进行分级递进处理。例如,在一级工作状态下根据电子控制器自身的基础工作状态,根据APU使用场景具体设计二级运行模式;在二级运行模式
5、下,根据APU的运行状态进行细化,形成三级控制模态,以此类推。3.1一级工作状态定义一级工作状态,将电子控制器的工作状态划分为初始化状态、正常工作状态及禁止状态3种工作状态。各工作状态之间的切换关系如图1所示。辅助动力装置多级嵌套有限状态机控制方法付荧鑫,徐杰,高博(航空工业西安航空计算技术研究所,西安710065)摘要:对辅助动力装置的控制实现采用多级嵌套有限状态机方法,可以兼顾电子控制器自身的工作状态与辅助动力装置不同的使用场景及运行状态,并对电子控制器工作模态进行离散化处理。与传统方法相比,该方法提高了系统的可扩展性,针对不同的控制模态自适应制定相应的控制策略,可以满足不同工况下的控制需
6、求,降低了控制策略的复杂性,同时提高了电子控制器软件的模块化设计程度和系统的可靠性。运用辅助动力硬件在回路仿真系统对该方法进行验证,结果表明该方法可以保证辅助动力装置稳定、可靠的运行。关键词:辅助动力装置;多级嵌套有限状态机;控制系统38DOI:10.16184/prg.2023.07.0052023.7电脑编程技巧与维护在电子控制器加电后,首先会进入初始化状态运行,完成参数初始化及初始化自检后,根据初始化自检结果,进行具体的一级工作状态选择。在初始化状态下,如果检测到ECU存在严重故障等,满足禁止状态的进入条件,此时会立即退出初始化状态,进入禁止状态运行;反之进入正常工作状态运行。在正常工作
7、状态下,如果检测到ECU存在严重故障等,满足禁止状态进入条件,则会立即退出正常工作状态,进入禁止状态;如果触发了飞机继电器下电事件,满足初始化状态的进入条件,则会立即退出正常工作状态,进入初始化状态。3.2二级运行模式定义二级运行模式,在正常工作状态下,将电子控制器状态具体设计为初始模式、上电自检模式、连续工作模式及维护测试模式4种模式。各工作模式之间的切换关系如图2所示。初始模式为二级运行模式下的缺省运行模式,在初始模式下完成控制器的参数及内存的初始化操作。初始化操作完成后,将满足上电自检模式进入条件,此时应退出初始模式,进入上电自检模式。在上电自检模式下完成系统及ECU自身部分资源的上电自
8、检。在上电自检模式下,系统完成上电自检后,若各项参数正常且满足连续工作模式进入条件,则会退出上电自检模式,进入连续工作模式。在连续工作模式下完成APU的控制及工作自检。在连续工作模式下,当APU还未运转且机上维护命令有效时,如果满足维护测试模式进入条件,则应退出连续工作模式,进入维护测试模式。在维护测试模式下完成机上地面维护测试。在维护测试模式下,当维护测试完成后,当APU各项指标值满足连续工作模式进入条件时,会立即退出维护测试模式,进入到连续工作模式并保持运行。3.3三级控制模态定义三级控制模态,在连续工作模式下,根据辅助动力装置运行工况,将辅助动力装置运行控制状态具体划分为控制空闲状态、起
9、动控制状态、停车控制状态及稳态控制状态4种控制状态。各控制状态之间的切换关系如图3所示。控制空闲状态为连续工作模式下的缺省运行状态。在控制空闲状态下,APU未运转,等待接收控制命令。此时如果起动命令有效,且满足起动控制状态进入条件,则应退出控制空闲状态,进入起动控制状态;如果停车命令有效或系统严重故障,且满足停车控制状态进入条件,则应退出控制空闲状态,进入停车控制状态。在起动控制状态下,控制APU加速至稳态转速。在该状态下,如果APU加速至稳态转速后,且满足稳态控制状态进入条件,则应退出起动控制状态,进行稳态控制状态;如果停车命令有效或系统严重故障,且满足停车控制状态进入条件,则应退出起动控制
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