[发明专利]一种无人机的混合动力系统能量自适应控制方法及系统

说明书

本发明公开了一种无人机的混合动力系统能量自适应控制方法及系统，所述方法包括：获得控制对象的实时信号数据；在燃油发动机最优功率搜索模型中进行功率优化搜索处理，获得燃油发动机最优工作点；在负载功率估算模型中进行估算处理，获得下一时间段的估算负载功率；在自适应调整模型中进行自适应调整处理，获得锂电池荷电状态优化权重和燃油发动机力学权重；多目标能力管理模型中进行滚动优化设计处理，生成控制对象下一时刻的锂电池功率和下一时刻的燃油发动机功率；利用下一时刻的锂电池功率和下一时刻的燃油发动机功率对控制对象进行调整控制。在本发明实施例中，实现混合动力系统中的燃油经济性，并且兼顾能量消耗均衡性及切换过程的动态性能。

技术领域

本发明涉及无人机控制技术领域，尤其涉及一种无人机的混合动力系统能量自适应控制方法及系统。

背景技术

目前在无人机等通用无人机中，其能量来源主要有全电驱动、燃油发动机直接驱动和混合动力驱动。全电驱动无人机受到动力电池容量的限制，其续航里程和飞行时间都有限，燃油发动机直接驱动的无人机，在升空、下降和平飞等不同的功率需求阶段，发动机很多时候工作在低能效比工作状态下，且发动机系统的选型需要按最大需求功率进行选型。混合动力无人机将油动和电动组合在一起，可以提升无人机单种动力源在宽工况下的效率，因而能够大大提高无人机的续航时间，进而满足实际工作中长航时的需要。

能量管理系统是混合动力无人机研究的核心技术，直接影响整机的运行性能。能量管理控制策略依据飞机不同工作模式，结合各种动力源的特性，合理地控制发动机、电池组和电动机运行状态，动态分配多种能量源输出功率，让各动力源工作在高效区域，满足系统动力性和经济性。目前能量管理控制策略从形式上主要分为基于规则型能量管理策略和基于最优控制的能量管理策略。

基于规则的能量管理策略，包括确定规则和模糊规则。确定规则策略通过控制工作模式切换改变多能量源间输出功率分配比例，从而提高燃油经济性。针对小型低空长航时电动无人机功率需求，现有技术中设计了一款混合动力无人机，并根据规则策略将飞行任务划分为7种工作模式，在相同重量下该无人机的航时提高了1.2倍。模糊规则能量管理策略使用专家知识库设定规则，对混合动力系统运行过程中的电池剩余电荷量(SOC)和负载功率等信号进行模糊化，设立模糊规则库进行决策，最后得到各能量源的实际输出功率。基于规则的能量管理策略算法设计简单、计算量小、易于实现，但是其控制规则太依赖工程师的经验。混合动力无人机具有多种运行模式可以极大的提升无人机对不同工况的适应性，但发动机响应时间相较锂电池较长，使得无人机在模式切换过程中，电压出现波动，影响动力传动的平稳性。

基于优化算法的能量管理策略通过建立目标函数，对控制参数进行优化，分为基于全局和基于瞬时优化算法的能量管理策略。全局优化能量管理策略针对整个飞行工况，以燃油经济性为主要目标，应用动态规划算法(DP)、遗传算法等最优控制理论动态分配各能量源输出，使无人机飞行全过程性能达到最优。全局优化能量管理策略理论上可实现最优控制，但需要预知整个飞行工况，计算量较大。等效油耗最小(ECMS)管理策略将电池电能消耗等效为发动机燃油消耗量，控制电池与发动机的输出功率使得瞬时等效燃油消耗最小，但充放电等效转换系数只能适用于特定工况。现有技术中根据各既定工况求解对应的最优等效转换系数，然后通过辨识实际运行工况来确定对应的等效转换系数。但以上方法中并没有研究混合动力系统中各种能源消耗之间的能量平衡，这样会导致无人机在飞行任务结束时锂电池能量过于充足或者出现耗尽的情况，从而影响无人机安全飞行。

从以上文献分析来看，目前的大多数无人机或者车辆混合动力能量管理策略控制目标单一，主要追求系统经济性，而忽视了各能量消耗之间均衡性以及切换过程的动态性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种无人机的混合动力系统能量自适应控制方法及系统，实现混动系统中的燃油经济性，并且兼顾能量消耗均衡性及切换过程的动态性能。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种无人机的混合动力系统能量自适应控制方法，所述方法包括：