近年來，隨著航空技術(shù)的持續(xù)突破與低空經(jīng)濟(jì)的蓬勃興起，無人機(jī)已從單一的軍事偵察裝備演變?yōu)閺V泛應(yīng)用于物流配送、農(nóng)林植保、測繪勘探、應(yīng)急救援等民用領(lǐng)域的關(guān)鍵載體。據(jù)產(chǎn)業(yè)研究機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，2025年全球無人機(jī)市場規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，其中工業(yè)級無人機(jī)占比顯著提升，對動(dòng)力系統(tǒng)的效能、可靠性和續(xù)航能力提出了更為嚴(yán)苛的要求。在無人機(jī)動(dòng)力技術(shù)演進(jìn)的過程中，電動(dòng)化成為重要發(fā)展方向。電動(dòng)無人機(jī)具有污染小、噪聲低、運(yùn)行平穩(wěn)、響應(yīng)快速等顯著優(yōu)勢，但其續(xù)航時(shí)間受到當(dāng)前電池能量密度與容量的根本性制約。即便采用最先進(jìn)的鋰離子電池，純電動(dòng)無人機(jī)的續(xù)航里程普遍難以滿足日益增長的長航時(shí)作業(yè)需求，這一“續(xù)航焦慮”成為制約行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。

一、無人機(jī)增程式電推進(jìn)系統(tǒng)趨勢分析

1.1 無人機(jī)增程式電推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展背景

在此背景下，混合動(dòng)力技術(shù)路線重新進(jìn)入研究者的視野。與單純依賴電池供能的純電方案不同，油電混合動(dòng)力系統(tǒng)通過整合內(nèi)燃機(jī)與電池兩種能量源，在保留電動(dòng)驅(qū)動(dòng)優(yōu)勢的同時(shí)，借助化石燃料的高能量密度大幅延長續(xù)航里程。其中，增程式電推進(jìn)系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)簡潔、控制相對獨(dú)立、對現(xiàn)有技術(shù)繼承性好等特點(diǎn)，成為混合動(dòng)力無人機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。該系統(tǒng)采用串聯(lián)式混合動(dòng)力構(gòu)型，發(fā)動(dòng)機(jī)僅用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，所產(chǎn)生的電能或直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、或存入蓄電池，車輪始終由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。這種“發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組”與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完全解耦的架構(gòu)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)可以始終運(yùn)行在高效經(jīng)濟(jì)區(qū)，有效規(guī)避了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)在變工況下油耗高、排放差的問題。

從全球技術(shù)發(fā)展趨勢來看，增程式電推進(jìn)系統(tǒng)正從邊緣技術(shù)方案走向主流。2024年發(fā)布的《通用航空裝備創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)施方案（2024-2030年）》明確將混合動(dòng)力列為重點(diǎn)發(fā)展方向，要求突破高效能量管理、減排降噪等關(guān)鍵技術(shù)。在國際范圍內(nèi)，各大航空強(qiáng)國紛紛布局混合動(dòng)力飛行器研發(fā)，以搶占未來城市空中交通的技術(shù)制高點(diǎn)?？梢灶A(yù)見，在未來相當(dāng)長一段時(shí)期內(nèi)，增程式電推進(jìn)系統(tǒng)將成為連接傳統(tǒng)燃油動(dòng)力與純電動(dòng)力、乃至氫能動(dòng)力之間的重要技術(shù)橋梁。

1.2 能量管理策略的發(fā)展需求與技術(shù)挑戰(zhàn)

增程式電推進(jìn)系統(tǒng)的核心在于協(xié)調(diào)管理發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組與電池組之間的能量流動(dòng)，使系統(tǒng)在各種飛行工況下都能保持高效、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行狀態(tài)。這一協(xié)調(diào)功能由能量管理策略承擔(dān)，其控制效果直接決定了整機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力響應(yīng)特性和飛行安全性。

早期的能量管理策略多借鑒地面混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域的研究成果，主要包括恒溫器策略、功率跟隨策略、等效燃油消耗最低策略等。恒溫器策略以電池SOC為唯一控制目標(biāo)，當(dāng)SOC低于設(shè)定下限時(shí)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)以恒定功率充電，高于上限時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。該策略控制簡單，但對電池充放電循環(huán)要求較高，且發(fā)動(dòng)機(jī)啟停頻繁不利于壽命。功率跟隨策略根據(jù)負(fù)載需求動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)隨負(fù)載變化，雖能減少電池深度充放電，但發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁變工況導(dǎo)致燃油經(jīng)濟(jì)性下降。等效燃油消耗最低策略將電池電能消耗折算為等效燃油消耗，通過實(shí)時(shí)優(yōu)化求解功率分配，理論上可實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)，但其計(jì)算復(fù)雜度高、對模型精度依賴強(qiáng)，工程應(yīng)用難度較大。

將這些地面車輛的能量管理策略直接移植至無人機(jī)系統(tǒng)時(shí)，面臨諸多特殊挑戰(zhàn)。首先，無人機(jī)飛行工況具有顯著的時(shí)變特征，起飛、巡航、機(jī)動(dòng)、降落等階段功率需求差異懸殊，且變化速率快、波動(dòng)幅度大。其次，無人機(jī)作為飛行器，其動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)直接作用于機(jī)身姿態(tài)穩(wěn)定性，任何功率波動(dòng)都會(huì)通過旋翼系統(tǒng)傳遞為飛行姿態(tài)擾動(dòng)，這就要求能量管理策略必須具備優(yōu)異的抗擾動(dòng)能力。再次，航空發(fā)動(dòng)機(jī)與車用發(fā)動(dòng)機(jī)在工作特性、響應(yīng)特性、安全約束等方面存在本質(zhì)差異，特別是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中必須考慮停留時(shí)間約束，以避免發(fā)動(dòng)機(jī)因工況急劇變化而發(fā)生喘振、超溫等故障。

面對上述挑戰(zhàn)，研究者開始探索更具自適應(yīng)能力的智能控制方法。模糊控制以其不依賴精確數(shù)學(xué)模型、可嵌入專家經(jīng)驗(yàn)、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，在混合動(dòng)力能量管理領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢。然而，單一模糊控制器往往難以同時(shí)兼顧功率分配與工況調(diào)節(jié)的雙重目標(biāo)。針對這一問題，本文研究的雙模糊能量管理策略通過分層控制架構(gòu)，分別對電池充電功率和發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)進(jìn)行獨(dú)立模糊控制，既保證了電池SOC維持在合理范圍，又實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)調(diào)節(jié)。為進(jìn)一步提升控制參數(shù)的匹配合理性，引入遺傳算法對模糊控制器的隸屬度函數(shù)和模糊規(guī)則進(jìn)行離線優(yōu)化，使控制策略在面對復(fù)雜飛行擾動(dòng)時(shí)仍能保持優(yōu)異的綜合性能。

二、無人機(jī)增程式電推進(jìn)系統(tǒng)核心構(gòu)造與原理

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)與工作原理

無人機(jī)增程式電推進(jìn)系統(tǒng)采用典型的串聯(lián)式混合動(dòng)力構(gòu)型，其核心組成包括航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)、ISG起動(dòng)/發(fā)電一體電機(jī)、蓄電池組、旋翼電動(dòng)機(jī)及對應(yīng)的電機(jī)控制器、以及能量管理控制系統(tǒng)。從能量流動(dòng)路徑來看，系統(tǒng)包含兩條并行且可相互補(bǔ)充的能量通道：燃油化學(xué)能經(jīng)由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再通過ISG電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能；電池組直接輸出儲(chǔ)存的電能。兩路電能經(jīng)直流母線匯合后，共同驅(qū)動(dòng)旋翼電動(dòng)機(jī)工作。

系統(tǒng)的工作模式根據(jù)飛行階段和能量狀態(tài)動(dòng)態(tài)切換。在啟動(dòng)階段，ISG電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)從蓄電池獲取電能，拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)直至發(fā)動(dòng)機(jī)成功點(diǎn)火啟動(dòng)，這一過程實(shí)現(xiàn)了無傳統(tǒng)起動(dòng)機(jī)的靜音、平穩(wěn)啟動(dòng)。在正常運(yùn)行階段，當(dāng)飛行負(fù)載功率較小時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)ISG電機(jī)發(fā)電，所發(fā)電能除滿足負(fù)載需求外，若有富余則向電池充電；當(dāng)飛行負(fù)載功率較大、超過發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組的最佳工作能力時(shí)，電池介入放電，與發(fā)電機(jī)組共同向負(fù)載供電，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)仍可維持在高效工作點(diǎn)而不必追隨峰值功率。在緊急情況下，即使發(fā)動(dòng)機(jī)因故停機(jī)，電池也可單獨(dú)維持飛行器短時(shí)運(yùn)行以確保安全返航。

這一構(gòu)型的核心優(yōu)勢在于發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的完全解耦。在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)方案中，發(fā)動(dòng)機(jī)必須直接響應(yīng)負(fù)載的瞬態(tài)變化，頻繁的變工況運(yùn)行導(dǎo)致油耗高、排放差、壽命短。而在增程式構(gòu)型中，發(fā)動(dòng)機(jī)僅需帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，其負(fù)載即為發(fā)電機(jī)，屬于相對平穩(wěn)的電氣負(fù)載。通過能量管理策略的調(diào)控，發(fā)動(dòng)機(jī)可以始終運(yùn)行在預(yù)設(shè)的高效經(jīng)濟(jì)區(qū)，轉(zhuǎn)速和負(fù)荷變化平緩，從而大幅提升燃油經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行可靠性。

2.2 ISG起動(dòng)/發(fā)電一體電機(jī)的核心作用

ISG電機(jī)是增程式電推進(jìn)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)的核心執(zhí)行部件，其技術(shù)性能直接決定了系統(tǒng)的整體效率。ISG是集成式啟動(dòng)/發(fā)電一體機(jī)的英文縮寫，其根本特征在于將啟動(dòng)電機(jī)和發(fā)電機(jī)功能集成于單一電機(jī)單元，并直接與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸剛性連接，取代了傳統(tǒng)的飛輪和起動(dòng)機(jī)。

從機(jī)械集成方式來看，ISG電機(jī)位于發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱（若存在）之間，其轉(zhuǎn)子與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出端直接相連，實(shí)現(xiàn)機(jī)電深度融合。這種集成式設(shè)計(jì)帶來多重技術(shù)優(yōu)勢：其一，能量傳遞路徑短、效率高，避免了皮帶傳動(dòng)帶來的機(jī)械損失和功率限制；其二，響應(yīng)速度快，電機(jī)轉(zhuǎn)矩可直接作用于曲軸，實(shí)現(xiàn)毫秒級的動(dòng)力輔助或發(fā)電調(diào)節(jié)；其三，結(jié)構(gòu)緊湊，軸向集成有利于飛行器減重；其四，啟動(dòng)過程平順無頓挫，改善了駕駛體驗(yàn)和系統(tǒng)耐久性。

在增程式系統(tǒng)中，ISG電機(jī)承擔(dān)著三重核心功能。第一，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)系統(tǒng)接收到啟動(dòng)指令時(shí)，電池通過逆變器向ISG電機(jī)供電，使其作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，輸出轉(zhuǎn)矩拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)至點(diǎn)火轉(zhuǎn)速。與傳統(tǒng)啟動(dòng)電機(jī)相比，ISG電機(jī)的啟動(dòng)過程更為平順，且可在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中隨時(shí)實(shí)現(xiàn)快速重啟。第二，發(fā)電功能。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，ISG電機(jī)切換為發(fā)電機(jī)模式，將發(fā)動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)整流逆變后向直流母線供電。此時(shí)的發(fā)電功率可根據(jù)能量管理策略的指令靈活調(diào)節(jié)。第三，功率補(bǔ)償與能量回收。當(dāng)飛行器需要爬升或加速時(shí)，ISG電機(jī)可瞬時(shí)切換為電動(dòng)機(jī)模式，利用電池能量向負(fù)載提供輔助功率；在飛行器下降減速時(shí)，旋翼電動(dòng)機(jī)可工作于發(fā)電狀態(tài)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能經(jīng)ISG電機(jī)（此時(shí)不工作）的路徑存入電池，但更多情況下是依靠旋翼電動(dòng)機(jī)自身的再生制動(dòng)功能。

從技術(shù)演進(jìn)角度看，ISG電機(jī)已發(fā)展出多種技術(shù)路線。按電機(jī)類型可分為永磁同步電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)等，其中永磁同步電機(jī)因功率密度高、效率高而在航空領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)。按冷卻方式可分為風(fēng)冷和液冷，對于持續(xù)大功率輸出的航空應(yīng)用，液冷方案更為可靠。近年來，隨著新材料和新工藝的引入，航空級高速電機(jī)取得突破性進(jìn)展：高硅鋼片與分段斜極結(jié)構(gòu)使鐵損降低40%；碳纖維約束與金屬套筒雙重保護(hù)技術(shù)確保磁鋼在超高轉(zhuǎn)速下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；微米級噴嘴冷卻系統(tǒng)將繞組溫度控制在105℃以內(nèi)。這些技術(shù)進(jìn)步為增程式電推進(jìn)系統(tǒng)向更高功率密度、更優(yōu)可靠性發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)支撐。

2.3 航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)與電池系統(tǒng)的匹配特性

在增程式電推進(jìn)系統(tǒng)中，航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)作為一次能源轉(zhuǎn)換裝置，其工作特性對系統(tǒng)整體性能具有決定性影響。本文介紹的系統(tǒng)采用一款對置式雙缸二沖程航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)具有功率密度高、結(jié)構(gòu)簡單、易于維護(hù)等特點(diǎn)，在小功率航空動(dòng)力領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。該型發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的萬有特性數(shù)據(jù)顯示，其最低燃油消耗率區(qū)域出現(xiàn)在中等轉(zhuǎn)速、中等負(fù)荷的特定區(qū)間，能量管理策略的核心目標(biāo)之一即是使發(fā)動(dòng)機(jī)盡可能長時(shí)間駐留于該高效經(jīng)濟(jì)區(qū)。

蓄電池作為系統(tǒng)的能量緩沖單元，承擔(dān)著削峰填谷的關(guān)鍵職能。在各類蓄電池中，鋰離子電池憑借其高比能量、長循環(huán)壽命、低自放電率等優(yōu)勢，成為無人機(jī)增程式系統(tǒng)的首選。電池的荷電狀態(tài)是能量管理最重要的狀態(tài)變量之一，其變化不僅反映系統(tǒng)能量的盈余與虧缺，更直接關(guān)系到飛行安全。為確保飛行器在任務(wù)結(jié)束后仍有足夠電能安全降落，能量管理策略必須將SOC維持在預(yù)設(shè)的合理范圍內(nèi)，避免深度放電。

發(fā)動(dòng)機(jī)與電池之間的匹配關(guān)系體現(xiàn)在多個(gè)層面。功率匹配層面，發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率應(yīng)略高于巡航功率需求，以便在巡航時(shí)有富余功率向電池充電；電池的峰值放電功率應(yīng)能滿足起飛、爬升等短時(shí)大功率需求。能量匹配層面，電池容量需根據(jù)任務(wù)剖面中純電飛行段的需求確定，同時(shí)要考慮作為應(yīng)急備份的能量冗余。動(dòng)態(tài)匹配層面，發(fā)動(dòng)機(jī)的響應(yīng)速度相對較慢（秒級），而電池的響應(yīng)速度極快（毫秒級），能量管理策略需充分利用電池的快速響應(yīng)特性補(bǔ)償負(fù)載瞬變，為發(fā)動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)調(diào)節(jié)爭取時(shí)間。

三、增程式電推進(jìn)系統(tǒng)能量管理策略

3.1 多點(diǎn)邏輯門能量管理策略

多點(diǎn)邏輯門能量管理策略是基于規(guī)則的控制方法在混合動(dòng)力系統(tǒng)中的典型應(yīng)用，其基本思想是根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)（主要是負(fù)載功率和電池SOC）查表確定發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組的輸出功率。該策略的核心邏輯可概括為一組預(yù)先設(shè)定的“條件-動(dòng)作”規(guī)則，每條規(guī)則對應(yīng)特定的功率分配方案。

具體到本文介紹的無人機(jī)增程式系統(tǒng)，多點(diǎn)邏輯門策略的控制規(guī)則設(shè)計(jì)如下：實(shí)時(shí)監(jiān)測旋翼電動(dòng)機(jī)需用功率與電池SOC兩個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)量，將需用功率劃分為大于11kW和小于11kW兩個(gè)區(qū)間，將SOC劃分為小于30%、30%-60%、60%-90%、大于90%四個(gè)區(qū)間，組合形成8種運(yùn)行狀態(tài)，每種狀態(tài)對應(yīng)一個(gè)ISG電機(jī)發(fā)電功率設(shè)定值。例如，當(dāng)需用功率大于11kW且SOC大于90%時(shí)，ISG電機(jī)發(fā)電功率設(shè)定為9kW；當(dāng)需用功率小于11kW且SOC處于30%-60%時(shí)，發(fā)電功率設(shè)定為10kW。

ISG電機(jī)的發(fā)電功率確定后，需將其轉(zhuǎn)換為發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。由于ISG電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)同軸剛性連接，電機(jī)轉(zhuǎn)速即為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。根據(jù)ISG電機(jī)的功率-轉(zhuǎn)速特性曲線（不同功率下對應(yīng)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速），可由目標(biāo)發(fā)電功率查得目標(biāo)轉(zhuǎn)速。隨后，采用PID控制器對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，通過調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度使實(shí)際轉(zhuǎn)速跟蹤目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

多點(diǎn)邏輯門策略的突出優(yōu)點(diǎn)是簡單直觀、易于實(shí)現(xiàn)、計(jì)算負(fù)擔(dān)小，在工況相對固定的場景下可取得較好的控制效果。但其局限性同樣明顯：規(guī)則依賴人工經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，難以保證全局最優(yōu)；控制規(guī)則離散化導(dǎo)致功率分配存在跳變，易引起系統(tǒng)抖動(dòng)；固定參數(shù)的PID控制器難以適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)這種非線性、時(shí)變系統(tǒng)的控制需求；缺乏對發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)過程的精細(xì)考慮，在面對飛行擾動(dòng)時(shí)魯棒性不足。

3.2 雙模糊能量管理策略

針對多點(diǎn)邏輯門策略的固有局限，本文研究的雙模糊能量管理策略采用分層模糊控制架構(gòu)，分別對電池充電功率和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)實(shí)施獨(dú)立模糊控制，實(shí)現(xiàn)能量管理與工況調(diào)節(jié)的協(xié)調(diào)優(yōu)化。

3.2.1 能源管理模糊控制

雙模糊策略的第一層為能源管理模糊控制器，其功能是在滿足負(fù)載功率需求的前提下，合理分配發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組的發(fā)電輸出，確定向電池充電的功率大小?？刂破鞯妮斎肓繛殡姵豐OC和旋翼電動(dòng)機(jī)需用功率，輸出量為電池充電倍率（0-1.0對應(yīng)充電電流0-30A）。

輸入變量的模糊化處理充分考慮無人機(jī)實(shí)際飛行工況特征。電池SOC的工作范圍設(shè)定為10%-90%，劃分為5個(gè)模糊子集：NB（負(fù)大）、NS（負(fù)?。?、O（中）、PS（正?。?、PB（正大）。在中間區(qū)域（20%-80%）采用三角形隸屬度函數(shù)精細(xì)劃分，在兩端（<10%或>90%）采用梯形隸屬度函數(shù)實(shí)現(xiàn)飽和約束。對于需用功率輸入，根據(jù)飛行任務(wù)統(tǒng)計(jì)特征確定其分布規(guī)律：8-10kW和10-12kW是兩個(gè)最主要的功率區(qū)間，占總飛行時(shí)間的87%，在這兩個(gè)區(qū)間采用高斯型隸屬度函數(shù)以提高控制靈敏度；大于14kW的功率區(qū)間雖出現(xiàn)時(shí)間較短（約9.8%），但對應(yīng)起飛、最高航速等關(guān)鍵階段，采用梯形隸屬度函數(shù)保證控制響應(yīng)。

模糊推理規(guī)則的設(shè)計(jì)遵循以下基本原則：當(dāng)SOC較低時(shí)應(yīng)加大充電功率，當(dāng)SOC較高時(shí)應(yīng)減小充電功率甚至?xí)和３潆?；?dāng)需用功率較小時(shí)，可適當(dāng)增加充電功率以充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)富余能力；當(dāng)需用功率較大時(shí)，應(yīng)減小充電功率甚至讓電池放電，優(yōu)先保障負(fù)載需求。模糊推理采用Mamdani模型，解模糊化采用重心法，使輸出量隨輸入連續(xù)平滑變化。

為避免因負(fù)載功率高頻波動(dòng)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁調(diào)節(jié)，在能源管理模糊控制器輸入端對需用功率進(jìn)行一階低通濾波處理，濾除高頻分量，使進(jìn)入控制器的功率信號反映負(fù)載的宏觀變化趨勢而非瞬態(tài)波動(dòng)。

3.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)管理模糊控制

通過能源管理模糊控制器獲得目標(biāo)充電功率后，將其與當(dāng)前需用功率相加即得到ISG電機(jī)目標(biāo)發(fā)電功率。根據(jù)ISG電機(jī)的功率-轉(zhuǎn)速特性曲線，將目標(biāo)發(fā)電功率轉(zhuǎn)換為發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速。雙模糊策略的第二層——發(fā)動(dòng)機(jī)管理模糊控制器——即以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速對目標(biāo)轉(zhuǎn)速的快速準(zhǔn)確跟蹤為控制目標(biāo)。

與傳統(tǒng)PID控制采用固定增益參數(shù)不同，模糊PID控制器可根據(jù)轉(zhuǎn)速偏差和偏差變化率實(shí)時(shí)調(diào)整PID參數(shù)（比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)），使控制器在不同工況下都能保持良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)精度?？刂破鞯妮斎肓繛檗D(zhuǎn)速偏差和偏差變化率，經(jīng)模糊化后根據(jù)模糊規(guī)則推理得出PID參數(shù)的調(diào)整量。

模糊規(guī)則的設(shè)計(jì)基于對發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制過程的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知：當(dāng)偏差較大時(shí)，應(yīng)增大比例作用以快速減小偏差；當(dāng)偏差中等時(shí)，應(yīng)適當(dāng)引入積分作用以消除穩(wěn)態(tài)誤差；當(dāng)偏差較小時(shí)，應(yīng)增加微分作用以防止超調(diào)和振蕩。轉(zhuǎn)速變化率則用于預(yù)判偏差的變化趨勢，當(dāng)偏差正在快速增大時(shí)即使當(dāng)前偏差不大也應(yīng)提前加強(qiáng)控制作用。

3.2.3 基于遺傳算法的控制參數(shù)優(yōu)化

模糊控制器的性能高度依賴于隸屬度函數(shù)的形狀分布和模糊規(guī)則的設(shè)定，而這些參數(shù)的傳統(tǒng)確定方法多依賴專家經(jīng)驗(yàn)，存在主觀性強(qiáng)、難以保證最優(yōu)的問題。為解決這一局限，本文引入遺傳算法對雙模糊能量管理策略的控制參數(shù)進(jìn)行離線優(yōu)化。

遺傳算法優(yōu)化以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的快速平穩(wěn)為目標(biāo)，即最小化轉(zhuǎn)速跟蹤的累積誤差和超調(diào)量。以待優(yōu)化的模糊控制器參數(shù)（隸屬度函數(shù)的中心值、邊界值、模糊規(guī)則權(quán)重等）編碼為個(gè)體，隨機(jī)生成初始種群。每個(gè)個(gè)體對應(yīng)一組控制參數(shù)，將其代入仿真模型運(yùn)行指定工況，計(jì)算適應(yīng)度函數(shù)值（轉(zhuǎn)速跟蹤誤差的加權(quán)積分）。通過選擇、交叉、變異操作產(chǎn)生新一代種群，經(jīng)過多代進(jìn)化直至收斂到最優(yōu)解或滿意解。

以5秒內(nèi)目標(biāo)轉(zhuǎn)速變化900r/min的典型工況為例，經(jīng)遺傳算法優(yōu)化后的控制參數(shù)使發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速響應(yīng)更為迅速、超調(diào)更小、穩(wěn)態(tài)誤差更低。優(yōu)化后的雙模糊能量管理策略在后續(xù)仿真驗(yàn)證中表現(xiàn)出更優(yōu)的綜合性能。

四、湖南泰德航空增程式發(fā)電配套系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 企業(yè)技術(shù)積淀與核心優(yōu)勢

湖南泰德航空技術(shù)有限公司自2012年成立以來，始終聚焦于航空航天流體控制元件及系統(tǒng)研發(fā)領(lǐng)域，經(jīng)過十余年的持續(xù)積累，已成長為行業(yè)內(nèi)具有重要影響力的高新技術(shù)企業(yè)。公司總部位于長沙市雨花區(qū)，在株洲市天元區(qū)動(dòng)力谷建有現(xiàn)代化生產(chǎn)基地，形成了集研發(fā)、生產(chǎn)、檢測、測試于一體的全鏈條產(chǎn)業(yè)體系。

從發(fā)展歷程來看，湖南泰德航空成功實(shí)現(xiàn)了從貿(mào)易代理和航空非標(biāo)測試設(shè)備研制向航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)、無人機(jī)、靶機(jī)、eVTOL等飛行器燃油、潤滑、冷卻系統(tǒng)的創(chuàng)新研發(fā)轉(zhuǎn)型。這一轉(zhuǎn)型過程體現(xiàn)了企業(yè)對技術(shù)發(fā)展趨勢的準(zhǔn)確把握和持續(xù)投入的決心。公司已通過GB/T 19001-2016/ISO 9001:2015質(zhì)量管理體系認(rèn)證，累計(jì)獲得發(fā)明專利、實(shí)用新型專利和軟件著作權(quán)10余項(xiàng)，構(gòu)建了較為完善的知識產(chǎn)權(quán)體系。

湖南泰德航空的核心技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在三個(gè)層面。在流體控制層面，公司長期深耕航空燃油泵、閥元件及流體控制系統(tǒng)，掌握了微型高壓齒輪泵的低脈動(dòng)流道設(shè)計(jì)、智能調(diào)節(jié)閥的毫秒級閉環(huán)控制等關(guān)鍵技術(shù)。在熱管理層面，公司研發(fā)的微米級噴嘴冷卻系統(tǒng)和相變微膠囊技術(shù)，有效解決了高功率密度電機(jī)的散熱瓶頸。在系統(tǒng)集成層面，公司構(gòu)建了“流體控制+熱管理+智能控制”的三維技術(shù)體系，能夠?yàn)榭蛻籼峁暮诵牟考匠商紫到y(tǒng)的全流程解決方案。

4.2 無人機(jī)增程式發(fā)電配套系統(tǒng)的技術(shù)突破

面向蓬勃發(fā)展的低空經(jīng)濟(jì)市場，湖南泰德航空將增程式發(fā)電配套系統(tǒng)作為重點(diǎn)研發(fā)方向，取得了一系列重要技術(shù)突破。

在高速電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，公司研發(fā)的航空級高速電機(jī)實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)創(chuàng)新。材料層面，采用高硅鋼片與分段斜極結(jié)構(gòu)，使鐵損降低40%；熱管理層面，開發(fā)了微米級噴嘴精準(zhǔn)冷卻系統(tǒng)，將繞組溫度控制在105℃以內(nèi)，配合相變微膠囊蓄熱技術(shù)，使瞬時(shí)過載時(shí)的熱點(diǎn)溫度降低23℃。

在系統(tǒng)集成層面，湖南泰德航空打通了從核心部件到成套系統(tǒng)的全技術(shù)鏈條。燃油系統(tǒng)中，微型高壓齒輪泵通過專利流道設(shè)計(jì)將脈動(dòng)率降至最低，智能調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)燃油流量毫秒級閉環(huán)控制，控制誤差控制在±0.5%以內(nèi)。潤滑系統(tǒng)中，納米級過濾技術(shù)與自修復(fù)密封材料相結(jié)合，將泄漏風(fēng)險(xiǎn)降低80%，并與熱管理系統(tǒng)深度耦合使整體重量減輕15%。電機(jī)控制層面，采用SiC功率器件的集成式控制器配合深度學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)了控制參數(shù)的自適應(yīng)優(yōu)化。

從應(yīng)用效果來看，湖南泰德航空研發(fā)的增程式發(fā)電配套系統(tǒng)可使eVTOL飛行器的航程從純電狀態(tài)下的150公里提升至400-500公里，足以覆蓋長沙至株洲、武漢至鄂州等典型城際航線。系統(tǒng)可兼容生物燃油、合成燃料等多種燃料類型，采用生物航油時(shí)全生命周期碳排放較傳統(tǒng)航空燃油降低80%以上。

4.3 適航認(rèn)證與產(chǎn)業(yè)化布局

在航空產(chǎn)品領(lǐng)域，技術(shù)性能與適航安全性同等重要。湖南泰德航空從研發(fā)伊始就將適航要求貫穿于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、測試全過程。公司基于標(biāo)準(zhǔn)化開展預(yù)認(rèn)證測試，完成了增程式發(fā)電配套系統(tǒng)在高低溫、振動(dòng)、濕熱等極端環(huán)境下的適應(yīng)性驗(yàn)證，建立了完整的故障模式與影響分析體系，確保單點(diǎn)故障不影響飛行安全。

在供應(yīng)鏈布局方面，湖南泰德航空依托株洲動(dòng)力谷生產(chǎn)基地，實(shí)現(xiàn)了增程式發(fā)電配套系統(tǒng)核心部件（包括高速電機(jī)、功率電子模塊等）的自主測試。通過燃油泵/閥部件的自主研發(fā)生產(chǎn)和本地化采購策略，系統(tǒng)成本壓縮至國際同類產(chǎn)品的70%左右。這種垂直整合的短鏈化模式不僅提升了交付速度（72小時(shí)內(nèi)可完成新平臺適配），更形成了快速迭代的技術(shù)壁壘。

從更宏觀的視角看，湖南泰德航空的技術(shù)演進(jìn)軌跡映射著中國航空工業(yè)的自主化進(jìn)程。在國際巨頭長期壟斷航空流體控制領(lǐng)域的背景下，公司成功實(shí)現(xiàn)eVTOL燃油/潤滑系統(tǒng)的完全國產(chǎn)化，其核心部件性能指標(biāo)接近國際先進(jìn)水平，為打破技術(shù)封鎖、保障產(chǎn)業(yè)鏈安全做出了積極貢獻(xiàn)。

五、總結(jié)與展望

5.1 研究總結(jié)

本文圍繞無人機(jī)增程式電推進(jìn)系統(tǒng)的能量管理策略問題，提出并深入研究了一種基于雙層模糊控制的能量管理策略。通過理論分析與仿真驗(yàn)證，得出以下主要結(jié)論：

第一，雙模糊能量管理策略采用分層控制架構(gòu)，將電池充電功率控制和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制分別交由獨(dú)立的模糊控制器處理，實(shí)現(xiàn)了能量管理與工況調(diào)節(jié)的協(xié)調(diào)優(yōu)化。上層能源管理模糊控制器根據(jù)SOC和需用功率確定充電功率，使電池SOC維持在合理范圍；下層發(fā)動(dòng)機(jī)管理模糊控制器采用模糊PID算法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的精確跟蹤，顯著提升了控制系統(tǒng)的自適應(yīng)能力。

第二，遺傳算法對模糊控制器參數(shù)的離線優(yōu)化可有效提升控制性能。經(jīng)優(yōu)化后的雙模糊策略相比優(yōu)化前，平均轉(zhuǎn)速誤差進(jìn)一步降低6.6%，三類擾動(dòng)下的轉(zhuǎn)速最大波動(dòng)量分別降低12.8%、8.3%和39.4%。這表明在依賴專家經(jīng)驗(yàn)確定模糊參數(shù)的基礎(chǔ)上，引入智能優(yōu)化算法可獲得更優(yōu)的控制效果。

第三，湖南泰德航空在增程式發(fā)電配套系統(tǒng)領(lǐng)域的研發(fā)實(shí)踐表明，該技術(shù)路線已具備從實(shí)驗(yàn)室走向工程應(yīng)用的成熟條件。其在高速電機(jī)、系統(tǒng)集成、適航驗(yàn)證等方面的突破，為增程式電推進(jìn)系統(tǒng)在eVTOL等新型飛行器上的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

5.2 未來發(fā)展趨勢

展望未來，無人機(jī)增程式電推進(jìn)系統(tǒng)及能量管理技術(shù)將呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：

控制策略向智能化深度演進(jìn)。本文研究的雙模糊控制仍屬于基于規(guī)則與智能優(yōu)化相結(jié)合的方法，而深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法正成為新的研究熱點(diǎn)。這類方法可通過與環(huán)境的持續(xù)交互自主學(xué)習(xí)最優(yōu)控制策略，在考慮發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)停留時(shí)間約束等復(fù)雜條件下展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢。未來，模型預(yù)測控制、深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)、多智能體協(xié)同控制等方法將更多地應(yīng)用于能量管理領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的全局優(yōu)化效果。

動(dòng)力系統(tǒng)向多能源融合方向發(fā)展。當(dāng)前增程式系統(tǒng)主要采用“活塞發(fā)動(dòng)機(jī)+電池”的能源組合，未來將逐步融入燃料電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)、太陽能等更多能源形式。湖南泰德航空已開始布局兼容生物燃油和氫能的技術(shù)路線，為向零碳動(dòng)力平滑過渡奠定基礎(chǔ)。多能源系統(tǒng)的能量管理將面臨更復(fù)雜的優(yōu)化決策需求，對控制策略提出更高挑戰(zhàn)。

能量管理與飛控系統(tǒng)走向深度融合。現(xiàn)有研究中能量管理多作為相對獨(dú)立的子系統(tǒng)，其控制目標(biāo)集中于燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力穩(wěn)定性。未來，隨著飛行器電動(dòng)化程度提高和分布式電推進(jìn)技術(shù)普及，能量管理系統(tǒng)與飛行控制系統(tǒng)的耦合將更加緊密。能量管理策略需綜合考慮飛行任務(wù)規(guī)劃、姿態(tài)控制需求、故障容錯(cuò)重構(gòu)等因素，實(shí)現(xiàn)“飛-推-能”一體化協(xié)同優(yōu)化。

綜上所述，無人機(jī)增程式電推進(jìn)系統(tǒng)作為破解續(xù)航瓶頸的有效技術(shù)路徑，正迎來快速發(fā)展期。雙模糊能量管理策略以其良好的自適應(yīng)性和魯棒性，在該領(lǐng)域展現(xiàn)出重要應(yīng)用價(jià)值。隨著控制理論、人工智能、電力電子等關(guān)聯(lián)技術(shù)的協(xié)同進(jìn)步，增程式電推進(jìn)系統(tǒng)的性能將持續(xù)提升，為低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入強(qiáng)勁動(dòng)力。

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湖南泰德航空技術(shù)有限公司于2012年成立，多年來持續(xù)學(xué)習(xí)與創(chuàng)新，成長為行業(yè)內(nèi)有影響力的高新技術(shù)企業(yè)。公司聚焦高品質(zhì)航空航天流體控制元件及系統(tǒng)研發(fā)，深度布局航空航天、船舶兵器、低空經(jīng)濟(jì)等高科技領(lǐng)域，在航空航天燃/滑油泵、閥元件、流體控制系統(tǒng)及航空測試設(shè)備的研發(fā)上投入大量精力持續(xù)研發(fā)，為提升公司整體競爭力提供堅(jiān)實(shí)支撐。

公司總部位于長沙市雨花區(qū)同升街道匯金路877號，株洲市天元區(qū)動(dòng)力谷作為現(xiàn)代化生產(chǎn)基地，構(gòu)建起集研發(fā)、生產(chǎn)、檢測、測試于一體的全鏈條產(chǎn)業(yè)體系。經(jīng)過十余年穩(wěn)步發(fā)展，成功實(shí)現(xiàn)從貿(mào)易和航空非標(biāo)測試設(shè)備研制邁向航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)、無人機(jī)、靶機(jī)、eVTOL等飛行器燃油、潤滑、冷卻系統(tǒng)的創(chuàng)新研發(fā)轉(zhuǎn)型，不斷提升技術(shù)實(shí)力。

公司已通過 GB/T 19001-2016/ISO 9001:2015質(zhì)量管理體系認(rèn)證，以嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)保障產(chǎn)品質(zhì)量。公司注重知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)和利用，積極申請發(fā)明專利、實(shí)用新型專利和軟著，目前累計(jì)獲得的知識產(chǎn)權(quán)已經(jīng)有10多項(xiàng)。湖南泰德航空以客戶需求為導(dǎo)向，積極拓展核心業(yè)務(wù)，與國內(nèi)頂尖科研單位達(dá)成深度戰(zhàn)略合作，整合優(yōu)勢資源，攻克多項(xiàng)技術(shù)難題，為進(jìn)一步的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

湖南泰德航空始終堅(jiān)持創(chuàng)新，建立健全供應(yīng)鏈和銷售服務(wù)體系、堅(jiān)持質(zhì)量管理的目標(biāo)，不斷提高自身核心競爭優(yōu)勢，為客戶提供更經(jīng)濟(jì)、更高效的飛行器動(dòng)力、潤滑、冷卻系統(tǒng)、測試系統(tǒng)等解決方案。