飞行器的供能网络的优化全局管理方法以及相应的装置与流程

本发明涉及一种飞行器的供能网络的优化全局管理方法。本发明还涉及一种适用于实现本发明的方法的装置。

背景技术：

众所周知，飞行器包括多个供能设备，诸如推进发动机、非推进发动机、电源、能量转换器和能量储能装置。

全部这些供能设备形成了飞行器的供能网络。该能量为多样的并且包括各种能量形式，诸如电能、液动能量、气动能量和机械能。

在大多数飞行器中，尤其是在双发动机直升机中，发动机的推进功率在各发动机之间均匀分配以使得各发动机的磨损均匀。

在三发动机直升机中，在飞行的非关键阶段中，飞行员可以自行将一个发动机置于待机以降低燃料消耗。

换言之，当前存在的方法旨在对发动机的燃料消耗或者发动机的使用寿命进行优化。

也就是说，优化的方向被限制在一些特定类型的飞行器上。

另外，尚不存在使得能够对其他参数进行优化的方法，以上其他参数例如为飞行器内部声音舒适度、飞行器的隐匿性、飞行器的反应能力、飞行器的污染物排放以及通常对飞行器进行表征的任何参数。

此外，也不存在使得能够对飞行器的推进能量和非推进能量进行优化联合管理的方法。更加不存在在飞行器的推进系统中的各热力发动机或电力发动机或其他发动机之间进行能量优化的方法。

因此，发明人预期的提供一种飞行器的供能网络的优化全局管理方法。

技术实现要素：

本发明旨在提出一种飞行器的供能网络的优化全局管理方法。

特别地，本发明旨在提供能够适用于任何类型的飞行器、特别是直升机的方法。

本发明还旨在提供一种飞行器的供能网络的优化全局管理装置。

为此，本发明涉及一种飞行器的供能网络的优化全局管理方法，该飞行器包括多个供能设备，其特征在于，该方法包括：

-从多个预定目标中选择至少一个优化目标的步骤；

-接收表示所述供能设备的工作的信息的步骤，该信息被称为设备数据；

-接收表示所述飞行器的工作的信息的步骤，该信息被称为飞行器数据；

-根据所述设备数据和所述飞行器数据确定所述供能设备的工作设定点的步骤，该工作设定点适用于达到至少一个所选择的优化目标。

因此，根据本发明的方法使得能够为飞行器的供能网络的各供能设备提供特定的工作设定点，该特定的工作设定点用于满足从多个预定目标中预先选择的优化目标。工作设定点的确定取决于表示设备和飞行器的工作的信息。这使得能够确保设定点不会危及飞行安全。此外，这使得在任何的给定时刻，设定点都能够适应于飞行器的工作环境。

换言之，根据本发明的方法使得能够在约束下对例如飞行器的飞行员所选择的一个或更多个参数进行优化。因此，该方法使得能够以特定(均匀或非均匀)方式在各设备之间分配飞行器的能量，从而达到一个或更多个优化目标。

有利地且根据本发明，所述确定设定点的步骤包括：

-对所述供能设备满足的约束进行限定的子步骤，该约束取决于所述飞行器数据和每个选择的目标；

-针对每个供能设备收集可能的工作模式的子步骤，该可能的工作模式取决于所述约束和所述设备数据；

-针对每个供能设备从所述可能的工作模式中选择工作模式。

根据本发明的这一方面，供能设备的工作设定点由三个连续步骤来确定。

第一步骤(所述限定约束子步骤)是由飞行器数据和所要达到的目标表征的飞行器的环境在网络的设备上施加特定约束的步骤。例如，如果飞行器处于关键飞行阶段，则在推进发动机上施加一些特定约束，诸如强制工作在额定速率下。

第二步骤(所述收集子步骤)是根据在之前步骤中施加的约束和表示设备状态的数据来建立可能的工作模式的受限列表的步骤。例如，如果推进发动机的温度接近该推进发动机的限制温度，则不能预先选择一些工作模式。

第三步骤(所述选择子步骤)是针对每个设备从各工作模式的受限列表中选择模式的步骤。该模式与各设备的设定点相关联。所述设定点能够是不同类型的。设定点例如能够与推进发动机的功率水平、转矩或速率有关。设定点还能够与发动机的温度设定点有关。设定点更能够与达到特定的发动机状态的设定点有关。例如，在直升机的涡轮轴发动机的情况下，所要达到的状态是在MTOP(maximum take-off power，最大提取功率)下已知的状态或特定待机状态，以及通常为适用于达到所选择的优化目标的任何发动机状态。

有利地，根据本发明的方法还包括对表示各所选择的优化目标相对于默认目标的增益的数值进行计算的步骤。

该步骤使得能够例如为飞行员提供所预期的优化目标相对于默认目标的效果的指示。

有利且根据该变型，所述默认目标旨在根据需求以最优方式在所述供能设备之间分配推进功率。

默认目标是根据现有技术的方法所预期的常规目标。因此，本发明使得能够提供通过针对各推进发动机之间的最优功率分配所选择的工作模式获得的优点的指示。

有利地，并且根据本发明，每个优化目标用于预定时间段。

根据该变型，预期的优化目标用于预定的时间段。

有利且根据本发明的这一变型，所述预定的时间段从包括以下各项的组中选择：时间点、所述飞行器的一次飞行期间的预定时间间隔、与所述飞行器的整个一次完整飞行对应的时段、与所述飞行器的全部使用对应的时段。

这使得可以选择期望的优化的持续时间段。例如，可以试图对供能网络的性能进行瞬时优化。还可以实现飞行器的整个任务的全局优化。还可以实现飞行器的整个使用寿命的全局优化。

在对飞行器的整个任务或者整个使用寿命的全局优化的情况下，该方法所实现的算法有利地整合在用于任务准备或机队管理的工具中。所述工具例如安装在飞行器操作员或飞行器整合员的客户设施中，或者甚至可以经由发动机制造商服务的互联网门户来访问。

有利且根据本发明，所述多个预定目标至少包括以下目标：

-使所述供能网络的所述设备的燃料消耗最小化的目标；

-根据需求以最优方式在所述供能网络的推进设备之间分配推进能量的目标；

-使所述供能网络的所述推进设备的过渡性能最大化的目标；

-使在起飞阶段类型的短时期间飞行器的性能最大化的目标；

-使设备的健康监视的运行精确度提高的目标；

-使设备的维护成本最小化的目标；

-更改设备的维护工作的目标；

-使飞行器产生的外部噪声最小化的目标；

-使飞行器内部的噪声最小化的目标；

-使飞行器的表面红外辐射最小化的目标；

-使污染物排放最小化的目标；

-使振动水平最小化的目标。

根据本发明的方法因此使得能够对特定数量的参数进行优化，参数包括与燃料消耗有关的参数、与飞行器的工作成本有关的参数以及与飞行器的排放有关的参数。

有利且根据本发明，所述多个供能设备至少包括以下设备：

-飞行器的推进发动机；

-非推进发动机；

-电源；

-能量转换器。

本发明还涉及一种飞行器的供能网络的优化全局管理设备，包括多个供能设备，其特征在于，该设备包括：

-用于从多个预定目标中选择至少一个优化目标的模块；

-用于接收表示所述供能设备的工作的信息的模块，该信息被称为设备数据；

-用于接收表示所述飞行器的工作的信息的模块，该信息被称为飞行器数据；

-用于根据所述设备数据和所述飞行器来确定所述供能设备的工作设定点的模块，该工作设定点适于达到至少一个所选择的优化目标。

贯穿全文，所称的模块指的是单独编译且单独使用或者链接到程序的其他模块的软件部件、软件程序子组件，或者是硬件部件，又或者是硬件部件和软件子程序的结合。此类型的硬件部件能够包括应用专用集成电路(更普遍地为缩写ASIC)，或者可编程软件电路或者等效电路。通常，模块因此为使得能够提供功能的(软件和/或硬件)部件。

根据本发明的装置的选择模块有利地实现根据本发明的方法中的选择步骤，并且根据本发明的方法中的选择步骤有利地由根据本发明的装置的选择模块实现。

同样，飞行器数据和设备数据接收模块有利地实现根据本发明的方法中的接收飞行器和设备数据的步骤，并且所述步骤有利地由根据本发明的装置的接收模块实现。

同样，设定点确定模块有利地实现根据本发明的方法中的确定设定点的步骤，并且确定设定点的步骤有利地由根据本发明的装置的确定模块实现。

有利地，根据本发明的装置包括人机交互界面，该人机交互界面适用于与所述选择模块交互以使得操作员能够借助于人机交互界面来选择优化目标。

有利且根据本发明，所述设定点确定模块包括：

-用于限定所述供能设备要遵守的约束的子模块，该约束取决于所述飞行器数据和每个选择的目标；

-用于针对每个供能设备收集可能的工作模式的子模块，该可能的工作模式取决于所述约束和所述设备数据；

-用于针对每个供能设备从所述可能的工作模式中选择工作模式的子模块。

有利地，根据本发明的装置还包括用于对表示每个选择的优化目标相对于默认目标的增益的数值进行计算的模块。

有利且根据本发明，所述人机界面配置为向操作员提供信息，该信息表示所述约束、和/或所述可能的工作模式、和/或所选择的工作模式、和/或所确定的设定点、和/或所述表示每个目标的增益的数值。

人机界面因此使得诸如飞行器的飞行员之类的操作员能够选择一个或更多个优化目标，所选择的一个或更多个优化目标则与飞行器施加的任何约束一同由设定点确定模块进行考虑，从而限定各供能设备的适合于达到这些目标的工作模式。

有利地，所述人机界面还使得能够为操作员提供表示设备的工作模式的信息。

所述信息例如经由飞行器航空电子设备显示在仪器面板的专门部分上。所述信息例如以综合指示符的形式被提供，该综合指示符使得操作员能够核实推进发动机工作在该推进发动机的验证额定限制内，从而核实与诸如电动机、储能装置和控制电子设备相关联的设备也工作在该设备的验证额定限制(特别是热限制)内，并且访问与选择的优化和相关的增益有关的信息。

本发明还涉及一种飞行器的供能网络的优化全局管理方法，并且涉及相应的装置，该装置的特征在于与之前或下文中所述的一些或全部特征的结合。

附图说明

通过阅读以下以非限定方式给出的说明并参照附图，本发明其他目的、特征和优点将变得明显，在附图中：

图1为根据本发明的一个实施例的飞行器的供能网络的优化全局管理方法的示意图；

图2为根据本发明的一个实施例的飞行器的供能网络的优化全局管理装置的示意图。

具体实施方式

根据本发明的方法包括从多个预定目标中选择至少一个优化目标的步骤10。

所述方法还包括接收设备数据21和飞行器数据20的步骤11，设备数据表示供能设备的工作，飞行器数据表示飞行器的工作。

最后，该方法包括确定供能设备的工作设定点22的步骤12，该工作设定点适用于达到所选择的优化目标。

根据本发明的方法有利地由根据本发明的装置实现。如图2所示，该装置包括从多个预定目标中选择至少一个优化目标19的模块40、接收飞行器数据20的模块41、接收设备数据21的模块42以及确定供能设备的工作设定点22的模块43。

在以下详尽说明中，所讨论的飞行器是直升机，该直升机包括至少两个涡轮轴发动机。每个涡轮轴发动机包括气体发生器，该气体发生器具有自由涡轮或者具有刚性连接到输出轴上的涡轮，该涡轮被设置为由气体发生器驱动旋转。每个自由涡轮或者连接涡轮的输出轴适用于将功率输送变速箱(下文中为缩写PTG，power transmission gearbox)运动，该功率输送变速箱转而驱动直升机的旋翼，该旋翼配备有例如具有可变桨距的叶片或者其他机电或液动部件。除涡轮轴发动机之外，直升机的供能网络还包括储能装置、变换器和非推进发动机。

当然，下文中结合这样的直升机所述的实施例同样能够适于其他类型的飞行器。

优化目标选择模块优选地为人机界面，该人机界面使得诸如管理飞行器的飞行的飞行员或地勤工程师等操作员能够选择一个或更多个优化目标。例如，根据一个实施例，数字开关被用于从多个提出的目标中选择一个目标。该界面优选地还包括用于以综合标识符的形式显示信息27的屏幕，该综合标识符使得操作员能够注意到确定模块43确定的设定点。该界面优选地还使得能够提供与飞行器的供能网络的各供能设备的工作状态有关的信息。

根据附图中的实施例，设备数据21包括来自飞行器的供能网络的热力发动机的数据21a、来自飞行器的供能网络的电力、液动、气动和点火机械装置的数据21b、以及来自能量储能装置的数据21c。

模块43确定的设定点22包括热力发动机的设定点22a和非热力发动机的设定点22b。

此外，用于确定设定点22a、22b的模块43优选地包括用于限定飞行器的网络的供能设备要遵守的约束的子模块51，该约束取决于飞行器数据20和每个选择的目标19。所述子模块51实现根据本发明的方法中的约束限定步骤14。

模块43还包括用于针对每个设备收集可能的工作模式的子模块52，该可能的工作模式取决于子模块43提供的约束25以及设备数据21a、21b、21c。所述子模块52实施根据本发明的方法中的收集可能的工作模式的步骤15。

最后，用于确定设定点的模块还包括用于针对每个供能设备从子模块52发送的可能的工作模式的列表26中选择工作模式的子模块53。所述子模块53实现根据本发明的方法中的选择工作模式的步骤16。

根据各个变型，一些模块能够合并成单个模块以使得确定约束的算法、收集可能的工作模式的算法和选择算法能够合并到发动机侧或飞行器侧上。因而可以采用各种架构。

此外，根据本发明的装置包括用于对选择的目标19相对于能量的均匀分配的默认目标的增益的数值进行计算的模块。该计算模块优选地为识别所选择的工作模式的子模块53。

根据本发明的一个实施例，多个可选择的预定目标包括燃料消耗有关的目标、与飞行器的工作成本有关的目标以及与飞行器的排放有关的目标。

根据本发明的一个实施例，与燃料消耗有关的目标包括以下目标19：(i)使所述供能网络的设备的燃料消耗最小化的目标；(ii)以最优方式在供能网络的推进设备之间分配推进能量的目标；(iii)使供能网络的推进设备的过渡性能、特别是在起飞阶段型的短时阶段期间的过渡性能最大化的目标。

(i)使燃料消耗最小化的目标

当选择使网络的设备的燃料消耗最小化的目标时，模块41、42接收的飞行器数据20和设备数据21如下：

-提供的任务概览(时段、距离、飞行海拔/水平)；

-飞行条件(温度、压强、速率)；

-飞行器的实时质量；

-距地面的高度；

-(P3，电、机械、热)功率提取水平；

-发动机调整参数；

-健康监视参数(储能装置的充电状态、储能装置的温度、启动电机的温度等)。

用于确定输出设定点的模块43配置为提供以下设定点：

-用于在发动机之间分配功率的设定点；

-根据预定的待机制度被置于待机状态的一个或更多个发动机的以每分钟转速(rpm)表示的速率设定点，该类型的待机制度例如为相同申请人提交的专利申请FR1363316中所述的待机制度；

-非推进系统的设备的工作设定点，诸如为涡轮轴发动机的处于待机模式的电力辅助电机供电的设定点。

此外，人机界面40配置为向飞行员提供以下信息：

-工作中的热力发动机的数量；

-选择的管理模式相对于与默认目标对应的对称管理模式的增益；

-对于飞行速率和海拔的建议；

-对于各发动机之间的气动和电功率提取分配的建议。

确定模块43指定的工作模式使得例如能够提供理想飞行速率以降低消耗和/或提供理想飞行海拔以降低消耗(例如，略微下降以使得发动机能够处于待机，略微爬升以使得一个或更多个发动机的热能利用水平上升)。

(ii)使推进系统的过渡性能最大化的目标

当选择使过渡性能最大化的目标以提高飞行器的反应能力、例如提高躲避障碍物的性能时，模块41、42接收的飞行器数据20和设备数据21如下：

-飞行条件(温度、压强)；

-(P3，电、机械、热)功率提取水平；

-调整发动机的内部参数；

-健康监视参数(储能装置的充电状态、储能装置的温度、启动电机的温度等)。

用于确定输出设定点的模块43配置为提供以下设定点：

-用于在发动机之间分配推进功率和非推进功率的设定点；

-以每分钟转速(rpm)处于待机中的一个或更多个发动机(初级和/或次级轴)的速率设定点；

-非推进系统的设备的工作设定点(诸如电和气动功率提取之类的子系统的管理)。

此外，人机界面40配置为向飞行员提供以下信息：

-飞行员信息(工作中的发动机数量)；

-管理模式相对于对称管理模式的增益。

这使得例如可以确保气体发生器上的机械功率提取被过渡疏导至一个或更多个涡轮发动机上的电功率提取。在此时间段内，这使得能够使用储电装置来确保供应的连续性，或者对在一个或更多个涡轮发动机上的气动功率提取进行过渡疏导(délestage transitoire)。这使得在该时间段内能够消除借此供电的舒适供能。这还使得能够为气体发生器的减速提供辅助以使得超速运行最小化。

在双发动机直升机的情况下，设定点能够用于提供将机械功率从储能装置注入发动机的气体发生器。在包括两个大型发动机和一个小型发动机的三发动机直升机的情况下，这些设定点能够用于提供将机械功率从小型发动机(和/或从储能装置)注入大型发动机的气体发生器。所述注入还能够是从大型发动机的气体发生器至小型发动机的自由涡轮或至储能装置的功率注入。

(iii)使起飞阶段类型的短时阶段期间飞行器的性能最大化的目标

当选择使推进设备的过渡性能(诸如在起飞阶段内)最大化的目标时，模块41、42接收的飞行器数据20和设备数据21如下：

-飞行条件(温度、压强)；

-飞行器的实时质量；

-距地面的高度；

-(P3、电、机械、热)功率提取水平；

-调整发动机的内部参数；

-健康监视参数(储能装置的充电状态、储能装置的温度、启动电机的温度等)。

用于确定输出设定点的模块43配置为提供以下设定点：

-用于在发动机之间分配推进功率和非推进功率的设定点；

-特定AEO(all engines operative，全部发动机可工作)或OEI(one engine inoperative，一个发动机不可工作)状态的发动机控制的授权(释放)；

-非推进系统的设备的工作设定点。

此外，人机界面40配置为向飞行员提供以下信息：

-工作中的发动机的数量和针对每个热动发动机授权的状态；

-管理模式相对于对称管理模式的增益。

该目标例如能够致使5至30秒的通过由储能装置或APU供电的电动机向气体发生器的功率注入、或直接通过热动发动机之一向其他热动发动机的功率注入。该目标还能够致使5至30秒的通过由储能装置或APU供电的电动机向自由涡轮轴的功率注入、或直接通过热动发动机之一向其他热动发动机的功率注入。该目标使得能够为各发动机限定不同的状态结构，该状态结构根据直升机的任务类型被激活。

与燃料消耗的优化有关的其他类型的目标是可能的。例如，可以提供对监视发动机的健康的工作的精确度进行提高的目标。这样的目标旨在能够通过在有问题的发动机上以足够高的速率进行该工作并通过消除不精确因素(诸如，可切换到其他发动机上的空气渗出类型的非推进提取或电/机械功率提取)来改变发动机之间的功率分配，从而提高发动机健康监视的精确度。发动机健康监视工作还能够针对通过使用工作模式来监视振动健康来提高，这些工作模式使得能够使得发动机无法对准，以使得所述发动机处于特定状态或在各状态中进行扫描。

根据本发明的一个实施例，与使工作成本最小化的目标包括：(iv)使工作成本最小化的目标。

(iv)使工作成本最小化的目标

当选择使飞行器的工作成本最小化的目标时，模块41、42接收的飞行器数据20和设备数据21如下：

-飞行条件(温度、压强、速率)；

-飞行器的实时质量；

-乘客数量或载重；

-调整发动机的内部参数；

-健康监视参数(储能装置的充电状态、储能装置的温度、启动电机的温度等)；

-短周期疲劳的周期计数。

用于确定输出设定点的模块43配置为提供以下设定点：

-在发动机之间分配功率的设定点；

-以每分钟转速(rpm)表示的待机中的一个或更多个发动机(初级轴和/或次级轴)的速率设定点；

-非推进系统的设备的工作设定点(为转动模式下的电动机供电的设定点)。

此外，人机界面40配置为向飞行员提供以下信息：

-管理模式相对于对称管理模式的增益；

-飞行速率和海拔的建议。

该目标例如旨在使周期数量最小化或不超过涡轮发动机的特定内部温度。

与使成本最小化有关的其他类型的目标是可能的。例如，可以设法使发动机或飞行器的直接工作成本(维护成本和燃料成本的组合)最小化。还可以设法更改发动机或直升机的维护工作：在发动机之间使用非对称工作模式致使安装在同一飞行器中的发动机之间不同周期中的损伤和消耗。如果期望延迟发动机之一(例如，接近于限制中要求维护工作的一个限制的发动机)的维护工作，则可以想到将该发动机保持在备用状态以有利于就维护工作具有更多余度的发动机的逻辑。可以提出相似的模式以将直升机的PTG保持在备用状态，该相似的模式根据对应于各发动机的各输入之间的非对称水平以不同程度衰老。

本发明还提供了优化排放的逻辑。特别地，非常对称工作模式(通过发动机之间的功率分配)提供了一个或更多个自由度，从而使飞行器和飞行器的发动机的各签名最小化。

因此，根据本发明的一个实施例，提供了使外部噪声最小化的目标。基于各发动机和飞行器源的声学特征并且基于周围土地的绘制图的知识，可以在任何时刻确定发动机之间的功率分配，该功率分配使得给定点处感知到的噪声最小化。

根据本发明的一个实施例，提供了使内部噪声最小化的目标。基于各发动机和飞行器源的声学特征并且根据飞行器的传递特征，可以确定发动机之间的功率分配，该功率分配使飞行器内感知到的噪声最小化。

根据本发明的一个实施例，提供了使表面红外线(SIR)最小化的目标。借助于发动机性能模型和排放特征曲线，可以构建SIR估计量，该SIR估计量能够通过调节每个飞行阶段中各发动机之间的功率分配实现最小化。

根据本发明的一个实施例，提供了使污染物排放(CO2、CO、NOx、未燃烧的燃料等)最小化的目标。借助于发动机污染物排放模型，可以对瞬时污染物排放进行评估，该瞬时污染物排放能够通过调节每个飞行阶段中各发动机之间的功率分配实现最小化。如果引入一个系统来对污染物排放进行征税，可以对经济模型进行开发以在任务进行期间操作员应付的税款量进行评估。

根据本发明的一个实施例，提供了使振动水平最小化的目标。基于各发动机和飞行器激励源的振动特征和飞行器的传递特征，可以确定各发动机之间的功率分配，该功率分配使飞行器上给定点处的振动水平的最小化。

本发明并不仅限于所述实施例。特别地，其他优化目标和相关逻辑能够整合到根据本发明的装置和方法中。