用于对飞机电力系统进行高保真度建模的方法

摘要

本发明公开一种对飞机的电力系统进行高保真度建模的方法，所述方法包括：确定所述电力系统的电气、机械、热和EMI特性；使用至少一个基于电路的解算器对至少一个所述电气特性进行建模；以及与所述基于电路的解算器实时同步地使用基于场的解算器来对其余的电气、机械、热和EMI特性进行建模。

说明书

技术领域

本发明涉及一种对飞机电力系统进行建模的方法。

背景技术

新飞机电力系统的设计、开发和验证可能导致成本和前置时间(1ead times)增加，因为飞机电力负载、相关控制和保护的复杂性较高，并且此类系统对其要求也较高。较高成本和前置时间使得新飞机以及旧飞机升级变得难以承受。因此，飞机的传统设计、开发和验证方法的可行性日益降低。

目前，传统的传统电力系统开发方法需要将设计、建模、构造、测试和修改过程重复多次。这些重复过程进一步增加了开发的成本和时间，导致预算过大并且日程延后。通常，需要重复多次是因为设计模型缺少足够的保真度，因此无法准确预测设计的输出。

硬件在环(Hardware-in-the-Loop：HWIL)方法越来越多地被用于设计和开发飞机系统、子系统和部件，因为所述方法可以用于预测系统中的子系统和部件的性能，而无需构造这些子系统和部件。但是，为了使方法有效，还需要满足两个条件。一个是，HWIL方法中的模型必须是实时的；另一个是，模型必须具有足够的保真度。凭借着现有可用的方法，这两个要求无法同时满足。为了实现实时性，就必须牺牲模型的保真度和精度，或者反过来，获得较大的模型保真度和精度是以计算时间为代价的。这些权衡会大幅限制HWIL方法的有效性。

发明内容

本发明的一方面涉及一种对飞机的电力系统进行建模的方法。所述方法包括：确定所述电力系统的电气、机械、热和EMI特性；使用至少一个基于电路的解算器对至少一个所述电气特性进行建模；以及与所述基于电路的解算器同步使用基于场的解算器来对其余的电气、机械、热和EMI特性进行建模。

作为优选，所述基于场的解算器是有限元方法，所述方法包括：启动有限元系统的网格；形成矩阵，所述矩阵代表指示所述电力系统的所述特性的状态的多个方程；以及使用稀疏线性方程解算器解答所述矩阵。

作为优选，所述有限元方法是以下其中至少一项：有限元分析(FEA)、有限差分分析(FDA)和有限边界分析(FBA)。

作为优选，所述至少一个所述电气特性包括电力电子设备。

作为优选，要建模的所述电力系统是以下其中一项：电机、变压器、触点和电力电子设备。

作为优选，所述使用至少一个基于电路的解算器和使用基于场的解算器的步骤在基于GPGPU的超级计算系统上执行。

作为优选，第一基于电路的解算器代表直流到交流转换器。

作为优选，第一基于电路的解算器代表交流到交流转换器。

作为优选，第二基于电路的解算器代表交流到直流转换器。

作为优选，第二基于电路的解算器代表交流到交流转换器。

作为优选，进一步包括以下步骤：核对(collating)所述基于电路的解算器和所述基于场的解算器的输出。

作为优选，进一步包括以下步骤：基于所述输出实际设计、测试、鉴定和／或验证所述电力系统。

附图说明

在附图中：

图1是根据本发明实施例的混合组合场和电路建模方法的方框图。

图2是现有技术中基于GPGPU的硬件架构的图解，可以在所述架构上实施本发明的建模方法。

图3是根据本发明实施例的用于燃气涡轮发动机的电力系统架构的方框示意图，所述电力系统架构在实时高保真度模拟的情况下进行建模。

具体实施方式

在背景技术部分和以下说明中，为便于说明，将提出各种具体的细节以便透彻理解本说明书中所述的技术。但是，所属领域中的技术人员能够轻易地了解到，可以在不含这些具体细节的情况下实践示例性实施例。在其他情况中，图示的结构和装置是为了便于说明示例性实施例。

示例性实施例将参考附图进行描述。这些附图中示出了实现本说明书中所述的模块、方法或计算机程序产品的具体实施例的特定细节。但是，附图不得视作以任何方式限制本发明。所述方法和计算机程序产品可以提供在任何机器可读介质上，以便完成操作。实施例可以使用现有计算机处理器实施，或者通过为所述目的或其他目的设置的专用计算机处理器实施，或者通过硬连线系统实施。

如上所述，本说明书中所述的实施例可以包括计算机程序产品，所述计算机程序产品包括机器可读介质，以便执行或者在其上存储机器可读指令或数据结构。此类机器可读介质可以是任何可用的介质，所述介质可被通用计算机或专用计算机或者具有处理器的其他机器访问。例如，此类机器可读介质可以包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储器、磁盘存储器或其他磁性存储装置，或者其他任何介质，此类介质可用于执行或存储机器可执行指令或数据结构形式的所需程序代码，并且可被通用计算机或专用计算机或者具有处理器的其他机器访问。当通过网络或其他通信连接(硬连线、无线，或者硬连线或无线的组合)将信息传输到或者提供给特定机器时，机器将适当地将所述连接视为机器可读介质。因此，任何此类连接均可适当地称为机器可读介质。上述项的组合也包括在机器可读介质的范围内。例如，机器可执行指令包括指令和数据，所述指令和数据使通用计算机、专用计算机或专用处理机器执行特定功能或功能组。

实施例将在一般方法步骤的上下文中进行描述，所述方法步骤能够在一个实施例中由包括诸如程序代码等机器可执行指令的程序产品执行，例如，所述程序产品采用由联网环境中的机器执行的程序模块的形式。通常，程序模块包括例程、程序、对象、部件、数据结构等，其具有执行特定任务或执行特定抽象数据类型的技术效应。机器可执行指令、相关数据结构和程序模块代表用于执行本说明书中所述的方法步骤的程序代码的实例。此类可执行指令或相关数据结构的特定序列代表用于在此类步骤中执行所述功能的对应操作的实例。

通过与具有处理器的一个或多个远程计算机进行逻辑连接，可以在联网环境中实践实施例。逻辑连接可以包括局域网(LAN)和广域网(WAN)，在本说明书中，所述网络仅用于说明，并非限定性的。此类联网环境在办公室范围或企业范围的计算机网络、内部网和互联网中十分常见，并且可使用各种不同的通信协议。所属领域中的技术人员将认识到，此类网络计算环境通常将包括许多类型的计算机系统配置，包括个人计算机、手持式装置、多处理器系统、基于微处理器或可编程的消费电子装置，网络PC、微型计算机、大型计算机等。

实施例也可以在分布式计算环境中实践，其中任务由通过通信网络连接(硬连线连接、无线连接，或者硬连线或无线连接的组合)的本地和远程处理装置执行。在分布式计算环境中，程序模块可以位于本地和远程存储装置中。

用于实现示例性实施例的全部或一部分的示例性系统可以包括计算机形式的通用计算装置，包括处理单元、系统存储器，以及将诸如系统存储器等系统部件连接到处理单元的系统总线。所述系统存储器可以包括只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)。所述计算机还可以包括用于从磁性硬盘中读取数据并向其中写入数据的磁性硬盘驱动器，用于从可移动磁盘中读取数据或者向其中写入数据的磁盘驱动器，以及用于从CD-ROM或其他光学介质等可移动光盘中读取数据或向其中写入数据的光盘驱动器。所述驱动器及其相关机器可读介质构成了非易失性存储器，用于存储机器可执行指令、数据结构、程序模块和其他计算机数据。

实施例中所公开方法的技术效应包括实时建模，以便在设计、构造和测试飞机电力系统的各个级时使用误差小于1％到3％的高保真度预测。具有此类高保真度的实时建模还能够提供第一产品和第一产品单元所需的快速鉴定和验证。

飞机电力系统包括电机、变压器、触点、电力电子设备等。通常，所述系统的建模仅基于电路方法，所述方法会忽略在对每个电路元件内出现的所有电磁现象进行建模时产生的电场和磁场效应。在所述方法中，只计算诸如电流和电压等电路变量。但实际上，代表飞机电力系统的机器和变压器以及类似元件的控制方程并不是基于电路的，而是基于场的。例如，在分析电力系统时，要考虑到由电场耦合和磁场耦合所引起的辐射效应时，就必须求解麦克斯韦方程组。麦克斯韦方程组是一组互相关联的偏微分方程，其将电磁场与系统的电流和电荷分布以及材料特性关联。用于解决场问题的多种已知方法包括有限元分析(FEA)、有限差分分析(FDA)、有限边界分析(FBA)、矩量法(MoM)等。所述等式对实际的物理特性，例如，磁性、机械、热和电磁干扰现象进行建模。

由于其复杂性，控制偏微分方程通常经过必要的简化，并且近似为一组基于电路的方程，以便能够在合理时间内通过可用的计算资源解答。近似可能导致建模计算中存在大量误差，导致预测错误地反映最终构造和测试硬件的参数和性能。由于近似误差，因此设计和开发需要重复多次进行，导致成本增加并且日程延后。

图1是根据本发明实施例的混合组合场和电路建模方法的方框图，所述方法排除了上述问题。所述对飞机100的电力系统进行建模的方法需要确定多个特性，例如电气110、机械112、热114和电磁干扰116特性。可以根据实施方案确定其他特性，并将其整合到建模系统中。特性110、112、114、116是对模型进行的初始处理，并且将在118中输入到处理器中。

对飞机电力系统的动力电子设备的建模，处理器可以在120中使用诸如电力电子设备电路解算器等基于电路的解算器来对一些电气特性进行建模。120中的电力电子设备电路解算器是基于电路的解算器，可以对直流到交流转换器或者交流到交流转换器进行建模。电力电子设备电路解算器所得的解将为一组电流和电压值，表示飞机电力系统的电力电子设备的运行值和特性。飞机电力系统中可以使用电力电子设备电路解算器建模的元件包括电机、变压器、触点和电力电子设备。可以通过此方式对其他电气装置进行建模，具体取决于实施方案。

包括但不限于其他电气、机械、热和EMI特性的其余特性将使用基于场的方法同步建模。根据本发明的实施例，电气特性可以进一步使用步骤120中的电压和电流值进行精细化。基于场的解算器是有限元方法，所述方法至少拥有三个不同的计算步骤。所述步骤包括启动有限元系统的网格，例如步骤122、132、134、136和138；形成矩阵以表示有限元系统的状态特性，例如步骤124、140、144、148和152等；以及线性方程解算器，例如步骤126、142、146、150和154。基于场的解算器可以是任何类型的公知有限元方法，例如有限元分析、有限差分分析或有限边界分析。也可以根据实施方案使用其他方法。

所述处理器可以通过形成有限元系统的网格来启动有限元方法，例如步骤122、132、134、136和138。所述网格是使所建模结构的表面离散化的一系列节点。通常，节点的密度取决于所建模结构或过程的本地复杂性；动态或高度可变的已知区域中密布节点。

根据所启动的网格来形成矩阵，例如步骤124、140、144、148和152。所述矩阵代表指示有限元系统的特定状态的多个方程。要对飞机电力系统进行建模，特性可以是在118中初始输入到处理器中的电气110、机械112、热114和EMI116特性。网格的每个节点均使用一系列描述节点处所需特定的状态的场方程来进行建模。在每个节点中，形成场方程集，使得这些方程取决于一些有限的附近节点集；形成有限元系统的特性的稀疏矩阵(sparse matrix)表示。

随后，处理器可以使用稀疏线性方程解算器对矩阵解答，例如步骤126、142、146、150和154。稀疏线性方程解算器可以更新并解答矩阵，以生成有限元系统的每个节点处的基于场的特性的估计值。处理器可以执行后处理，例如步骤128、156、158、160和162，以将所得解格式化为可用或可显示的值，从而整合到其他建模工作中。

如图1所示，对于根据本发明实施例的飞机电力系统的电磁装置，例如电机或变压器，存在五个场问题。场问题和所得的解算器描述了对飞机电力系统建模至关重要的电气、机械应力、热、EMI和机械动力特性。这五个场问题中的每个问题都在本发明方法100的独立路径中解答。

处理器至少部分基于在步骤120中电力电子设备电路解算器计算得出的电压和电流值，通过在步骤122中启动有限元系统的网格来对电气特性进行建模。处理器随后在步骤124中形成矩阵，以表示飞机电力系统的电气特性的状态。处理器随后在步骤126中更新和解答基于场的电气特性的矩阵。处理器在步骤128中对数据进行后处理以将格式化所得的输出。处理器随后可以在步骤130中实施其他基于电路的解算器，以便根据基于场的电气特性计算动力电子设备的一组电压和电流值。电力电子设备电路解算器130是基于电路的解算器，可以对交流到直流转换器或者交流到交流转换器进行建模。

处理器部分基于在步骤130中由电力电子设备电路解算器计算得出的电压和电流值，以及在步骤118中输入的所建模系统的初始特性，通过在步骤132中启动有限元系统的网格来对机械应力特性进行建模。处理器随后在步骤140中形成矩阵，以表示飞机电力系统的机械应力特性的状态。处理器随后在步骤142中更新并解答基于场的机械应力特性的矩阵。处理器在步骤156中对数据进行后处理，以格式化所得的输出。

在对机械应力特性进行建模的同时，处理器部分基于在步骤130中由动力电子设备电路解算器计算得出的电压和电流值，以及在步骤118中输入的所建模系统的初始特性，通过在步骤134中启动有限元系统的网格来对热特性进行建模。处理器随后在步骤144中形成矩阵，以表示飞机电力系统的热特性的状态。处理器随后在步骤146中更新并解答基于场的热特性的矩阵。处理器在步骤158中对数据进行后处理，以格式化所得的输出。

在对机械应力特性和热特性进行建模的同时，处理器部分基于在步骤130中由动力电子设备电路解算器计算得出的电压和电流值，以及在步骤118中输入的所建模系统的初始特性，通过在步骤136中启动有限元系统的网格来对EMI特性进行建模。处理器随后在步骤148中形成矩阵，以表示飞机电力系统的EMI特性的状态。处理器随后在步骤150中更新并解答基于场的EMI特性的矩阵。处理器在步骤160中对数据进行后处理，以格式化所得的输出。

在对机械应力特性、热特性和EMI特性进行建模的同时，处理器部分基于在步骤130中由动力电子设备电路解算器计算得出的电压和电流值，以及在步骤118中输入的所建模系统的初始特性，通过在步骤138中启动有限元系统的网格来对机械动力特性进行建模。处理器随后在步骤152中形成矩阵，以表示飞机电力系统的机械动力特性的状态。处理器随后在步骤154中更新并解答基于场的EMI特性的矩阵。处理器在步骤162中对数据进行后处理，以格式化所得的输出。

处理器在步骤164中针对每个系统特性，从后处理的数据整理基于电路的解算器和基于场的解算器的输出，以形成所得系统的最终模型。基于根据本发明实施例的建模方法，对电气166、机械168、热170和EMI特性的建模估计提供了对所建模的飞机电力系统的准确表示。基于本发明方法的高保真度实时输出，能够进行进一步操作，例如实际设计、测试、鉴定和／或验证电力系统。

在本发明的一个实施例中，建模方法在基于通用图形处理单元(GPGPU)的超级计算群集200上执行。图2示出了可以远程访问的此类群集的实例。例如，群集的每个节点210、212、214可以是HP wx9400工作站，所述工作站可以配备具有1MB L2缓存和1GHz超传输连接的2.4GHz AMD Opteron双核2216处理器216，以及DDR2-667的8GB(4x2GB)存储器224。每个节点210、212、214具有两个PCIe Gen1x16插槽218、220，以及一个PCIe x8插槽226。所述两个x16插槽218、220用于连接到一个Tesla S1070计算系统(4GPGPUs)222，并且x8插槽226用于连接到InfiniBand QDR适配器228。

基于GPGPU的超级计算群集200的优点在于，如图1所示等的大型基于场的解算器可以分布到多个GPGPU中，以实现快速并行处理。矩阵信息和大型稀疏线性方程解答均使用合适的算法分布到多个GPGPU中，并且同时计算。根据本发明的方法，就计算复杂性而言，在功能上有三个不同的处理组。第一组最小型，是在步骤120和130中用于电子设备和动力电子设备中的基于电路的解算器。第二组将初始化网格，例如步骤128、132、134、136和138；处理和更新矩阵信息，例如步骤124、140、144、148和152，并对结果进行后处理，例如步骤128、156、158、160和162。第三组最大，将解答稀疏线性方程，例如步骤126、142、146、150和154。

图3是根据本发明实施例的用于燃气涡轮发动机的电力系统架构40的方框示意图，所述电力系统架构在实时高保真度模拟的情况下进行建模。现代燃气涡轮发动机的系统架构40的复杂性有助于在上下文中加入图1所示的建模方法，以及用于计算所述方法的基于GPGPU的超级群集的必要性。所述系统架构40包括多个发动机系统，在本说明书中图示为至少包括左发动机系统42和右发动机系统44。左和右发动机系统42、44可以大体上相同；因此，出于简明性的考虑，将仅详细描述左发动机系统42。左发动机系统42可以包括燃气涡轮发动机的HP线圈26和LP线圈28，尽管系统架构40也可以具有其他发动机应用。本说明书中图示的左发动机系统42使用两个转子(spool)，即HP转子26和LP转子28提供的机械动力。系统架构40可以进一步包括飞机的辅助电力单元(APU)46以及外部电源(EPS)48。如本说明书中所示，APU46和EPS48分别具有直流输出50、52。

在示例性系统架构40中，左发动机系统42包括第一自耦变压器单元(ATU)集成发电机56，其在本说明书中图示为ATU集成起动发电机56，所述发电机被配置成从HP转子26提供的机械动力生成可变频率(VF)交流电，并且第二ATU集成发电机58被配置成从LP转子28提供的机械动力生成恒定频率(CF)交流电。

ATU集成起动发电机56包括发电部分60和ATU部分62。通过将变电所需的电气绕组集成到发电部分60的电气绕组上，ATU部分62与发电部分60形成一体。

HP线圈26可以通过HP驱动组件操作性地与ATU集成起动发电机56连接，所述HP驱动组件具有机械连接到HP线圈26的输入端，以及机械连接到发电部分62的输出端。ATU集成起动发电机56可以安装并连接到附件齿轮箱64。在附件齿轮箱64中，也可以将电力传输到其他发动机附件。ATU集成起动发电机56的发电部分60将HP转子26提供的机械动力转换成电力，并且形成具有三相输出的电源66。ATU集成起动发电机56的ATU部分62用于将电源66的三相输出转换成九相电力输出68，并且提高电源的电压。

ATU集成起动发电机56还向飞机提供起动功能。或者，位于左发动机系统42的HP侧上的ATU集成发电机56可以包括不向飞机提供起动功能的发电机。在这种情况下，可以设置连接到附件齿轮箱60的单独起动电动机，以便为飞机执行起动功能。此外，左发动机系统42可以包括多个发电机，所述发电机从HP转子26获取机械动力以输出电力，从而提供冗余度。

ATU集成发电机58包括发电部分70和ATU部分72。LP转子28可以通过LP驱动组件操作性地连接到ATU集成发电机58，所述LP驱动组件具有机械连接到LP转子28的输入端，以及机械连接到发电部分70的输出端。恒速驱动器(CSD)74可以机械连接到ATU集成发电机58，并且以恒定速度驱动发电部分70。ATU集成发电机58的发电部分70将HP转子28提供的机械动力转换成电力，并且形成具有三相输出的电源76。ATU集成发电机58的ATU部分72用于将电源76的三相输出转换成九相电力输出78，并且提高电源的电压。基于CSD，电源66、76将具有恒定频率。

本发明方法与传统建模方法之间的重要差异在于，可以实时地实现高保真度建模。凭借着多核微型处理器、现场可编程门阵列(FPGA)处理器、图形处理单元(GPU)、基于通用GPU(GPGPU)的超级计算群集在计算功能和计算速度方面的极大进步，现在即可实现范式(paradigm)转换，以允许用户从电路近似移动到场计算中。

本说明书使用各个实例来揭示本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何器件或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书界定，并可包含所属领域的技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包含的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也应在权利要求书的范围内。