辅助动力装置多级嵌套有限状态机控制方法_付荧鑫.pdf

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，则应退出起动控制状态，进入停车控制状态。图1各工作状态之间的切换关系图2各模式之间的切换关系图3各控制状态之间的切换关系初始化状态正常工作状态飞机继电器下电初始化完成下电下电严重故障严重故障下电禁止状态初始模式上电自检模式满足设置时间上电自检完成维护测试模式连续工作模式维护测试完成APU未运转或维护命令有效控制空闲起动条件满足停车信号取消起动控制状态停车控制状态停车信号有效或保护性停车停车信号有效或保护性停车停车信号有效且冷降完成或保护性停车起动成功APU掉转稳态控制状态392023.7电脑编程技巧与维护在稳态控制状态下，可实现加载电功率及气功率控制功能。在该状态下，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，则应退出稳态控制状态，进入停车控制状态；如果APU转速掉转至特定的转速点以下，且满足起动控制状态进入条件，则应退出稳态控制状态，重新进入起动控制状态，控制APU加速。在停车控制状态下，控制APU停止运转。在该状态下，如果停车指令取消，APU停止运转后，满足控制空闲状态进入条件，则应退出停车控制状态，重新进入控制空闲状态；系统因严重故障而保护性停车，当故障清除后，待APU停止运转后，应重新进入控制空闲状态。3.4四级工作模式定义四级工作模式，在稳态控制状态下，将稳态运行工作状态设置为空载模式、环控（ECS）模式与主发（MES）模式3种模式。各工作模式之间的切换关系如图4所示。空载模式为稳态控制状态下的缺省运行模式，在该模式下APU不提供引气功率。引气命令有效等引气条件满足时，退出空载模式，进入ECS模式运行。在ECS模式下，按照来自飞机环控系统的引气命令控制APU为空调系统提供压缩空气。在该模式下，如果主发起动命令有效，且满足MES模式进入条件，应退出ECS模式，进入MES模式。在MES模式下，按照最大功率控制APU为大发起动提供引气功率。在该模式下，如果主发起动命令无效，且满足ECS模式进入条件，则应退出MES模式，进入ECS模式运行。在ECS模式或MES模式下，当停车命令有效或系统出现严重故障等满足退出条件时，应退出引气模式，进入空载模式运行。4控制结果针对某型辅助动力装置电子控制器，采用上述方法进行控制仿真，设置二级控制模态下，初始模式维持时间为1s；设置在三级控制模态下，将起动控制状态向稳态控制状态切换的转速点设置为95%；设置在三级控制模态下，将APU停止运转的转速判定条件设置为小于7%。在环境测试设备上对该控制方法进行功能性能可靠性验证，通过环境测试设备正常起动APU。如图5所示，辅助动力装置硬件在回路仿真系统中，从起动APU开始，转速信号逐步上升直至达到100%后保持稳定，整个过程均在多级嵌套有限状态机方法的控制下进行。仿真结果表明，能够通过该方法正常起动APU并保持稳定、可靠的运行。5结语采用多级嵌套式有限状态机的控制方法，对于每一级有限状态机，设计了各状态之间的切换逻辑，保证状态的唯一性和确定性。对有限状态机进行多级细化，可以使控制方法的设计更加具有层次性，同时细化出规模适中的有限状态机，使控制方法的设计更加清晰独立。硬件在回路仿真系统界面进行仿真试验，发现该控制逻辑在全工况下均实现了控制辅助动力装置稳定、可靠的运行。该方法在不同控制状态下，控制目标的策略是独立的，降低了控制策略的复杂性，提高了系统的模块化设计，具有易维护和扩展的优点。参考文献1杨恒辉,白洁,赵刚.辅助动力装置控制技术研究J.航空计算技术,2023,53(1):118-122.2杨帆,彭凯,周宇晨,等.辅助动力装置全权限数图4各工作模式之间的切换关系图5硬件在回路仿真系统界面稳态控制空载模式退出引气条件满足引气条件满足引气模式ECS模式MES模式大发起动指令有效大发起动指令无效(下转第47页)402023.7电脑编程技巧与维护控系统研究及试车验证J.测控技术,2018,37(12):8-11.3姚华.航空发动机全权限数字电子控制系统M.北京:航空工业出版社,2014.4陈李飞,张晓斌,高朝晖.基于状态机控制的飞机供 电 系 统 仿 真J.电 子 设 计 工 程,2014,22(22):28-31.5童霏,薛飞.基于有限状态机原理的工作流组件实现方法J.自动化应用,2021(1):65-67.6黄祺晟,杨纪明,周章文,等.航空发动机数字式电子控制器综合测控系统设计J.空军工程大学学报（自然科学版）,2020,21(4):23-28.7杨娟,任仁良,韩勇.飞机辅助动力装置电起动系统模型设计及仿真J.计算机仿真,2018,35(1):61-65.数是15，所以生成混淆矩阵15的二维矩阵），随后使用算法1（谱聚类算法）对C1515进行聚类（聚类个数k=3）。聚类后为每个音频打上相应的标签，并作为新的分类任务Task2，将原始的分类任务（15类）Task1和新的分类任务（3类）Task2作为多任务学习，设计了如图2（b）的增强的神经网络结构。为了跟vgg模型形成对比，在增强的神经网络模型中采用表1的参数。音频中每个频谱图预测完成后，使用投票算法投票选出最终预测的类别。5.5模型集成将使用D3数据集训练的增强神经网络模型记为M3；将使用D4数据集训练的增强神经网络模型记为M4；将测试集中同一个音频的频谱图在M3、M4中前向传播，并对两个模型最终预测向量进行按行求和，得到概率值最大者为预测的标签；将集成后的模型记为M。5.6实验结果及分析使用以上方法进行实验，在4折交叉验证的基础上，每个模型训练3次，并求出各模型的平均值和标准差，不同网络模型测试精度对比如表2所示。相较于vgg模型，M3增加了隐式数据，在误差逆传播时Task2增加了共享层向Task2精度更准的方向调整，这会使模型在共享层提取到vgg模型忽略的特征。6结语相比vgg模型，基于谱聚类的增强神经网络模型降低了过拟合的风险，增强了模型鲁棒性。如表3所示，该模型在该数据集公开的ASC相关研究中，测试精度仅低于Korea University的使用模型。基于谱聚类的增强神经网络模型在声音场景识别任务中取得了良好的实验结果。该方法具有普适性，可以为单任务学习模型创建多任务，并具有良好的实验性能。在模型中，谱聚类算法的结果奠定了多任务学习的基础。聚类的个数和聚类算法都可以影响模型性能。是否还可以探索更好的聚类算法，使模型性能更优呢？这是今后的研究方向。参考文献1CARUANA R.Multitask learning J.Autonomous a-gents and multi-agent systems,1998,27(1):95-133.2廖正和.基于MATLAB的声音信号分析与处理系统的研究J.数字通信世界,2015(10):28-29.3TIWARI V.MFCC and its applications in speaker recog-nitionJ.Intermational journal on emerging technolo-gies issn,2010,1(1):19-22.网络模型测试精度（均值标准差）Baseline（vgg）73.90.71增强神经网络模型模型M378.360.83集成模型M81.640.64单位：%表2不同网络模型测试精度对比研究机构主要技术测试精度官网排名基于谱聚类的增强神经网络模型谱聚类、多任务学习、聚类81.64-Korea University生成对抗网络（GAN）83.31Seoul National University改进的卷积块（convolution block）80.42表3基于谱聚类的增强神经网络模型与公开的ASC相关研究的测试精度对比单位：%(上接第40页)47