CN102852647B - 一种小型涡喷发动机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型涡喷发动机控制系统及方法，该系统包括涡喷发动机、电子控制单元、燃油泵、启动电机、燃气阀、燃油阀、启动气阀、点火器、气压传感器、启动按钮和急停按钮。其中涡喷发动机的工作状态包括停止态、启动态和运行态。本发明通过对涡喷发动机的各个状态采用不同的控制方法，可高精度、大范围控制涡喷发动机的涡轮转速，从而拓宽涡喷发动机的工作范围，提高涡喷发动机的环境适应能力和可靠性。

Description

一种小型涡喷发动机控制方法

技术领域

本发明涉及航空电子控制技术领域，尤其涉及小型涡喷发动机控制系统及方法。 

背景技术

随着航空技术的发展，航空器对推进系统的性能提出了越来越高的要求。涡喷发动机作为一种主要的航空推进发动机，其性能主要取决于两个方面：一是涡喷发动机本身的设计水平及其制造的工艺水平；二是涡喷发动机控制系统的设计水平。因此，对于同一台涡喷发动机，其控制系统的设计水平对其性能有决定性的影响。 

囿于当时的技术水平，传统涡喷发动机控制器多采用机械液压式控制器。尽管由机械液压式控制器所组成的涡喷发动机控制系统具有可靠性高、抗干扰能力强等优点，然而，现代航空推进系统控制变量日益增多，飞行条件和工作状态的变化范围越来越宽广，对经济性、可维护性的要求越来越高，对控制性能的要求越来越严苛，这种由机械液压控制器所组成控制系统日益难以满足要求。因此，当前涡喷发动机控制系统的发展方向侧重于数字式控制系统设计与研制。尽管已有文献涉及，但多侧重于涡喷发动机整个工作过程的一个方面，例如起动过程或者稳态，或者多囿于某些特殊环境的特殊工作状态等，又例如地面试车等。鲜有对涡喷发动机的各种工作状态(如起动、稳态、加速、减速、自动停车、停车、冷转等)以及各种工作环境(如地面试车、低空、中空、高空)的完整解决方案。 

发明内容

(一)要解决的技术问题 

本发明的目的在于提供一种适应于多种工作环境的小型涡喷发动机控制系统及其控制方法，解决现有控制系统精度低、体积大、质量重、工作范围窄的技术问题。 

(二)技术方案 

为解决上述的技术问题，本发明提供了一种涡喷发动机控制系统，该系统包括：电子控制单元(ECU)、丙烷气罐、燃气阀、航空煤油箱、启动气罐、燃油阀、启动气阀、燃油泵、涡喷发动机、启动电机、转速传感器、点火器、气压传感器、温度传感器、启动按钮和急停按钮。 

所述丙烷气罐储存丙烷气，供所述涡喷发动机启动时使用；所述燃气阀控制所述丙烷气的通断；所述航空煤油箱储存航空煤油，供所述涡喷发动机工作时使用；所述燃油阀控制所述航空煤油的通断；所述启动气罐储存高压启动气体，供所述涡喷发动机启动时带动涡轮旋转；所述启动气阀控制所述启动气体的通断；所述燃油泵用于控制所述涡喷发动机的喷油量；所述启动电机用于带动所述涡喷发动机的涡轮旋转；所述转速传感器用于采集所述涡喷发动机的涡轮转速信号；所述点火器用于控制燃气或燃油的点火；所述气压传感器用于采集所述涡喷发动机的排气压力；所述温度传感器用于采集所述涡喷发动机的排气温度；所述启动按钮用于控制所述涡喷发动机的启动；所述急停按钮用于控制所述涡喷发动机急停。 

所述电子控制单元包括转速信号调理电路、温度补偿放大电路、气压信号调理电路、大气压力传感器、数字信号隔离电路、电源状态监测电路、隔离式DC/DC变换电路、电源、驱动电流检测电路、电机驱动电路、启动继电器、点火继电器、燃油继电器、燃气继电器、通信接口电路和中央控制器；其中，所述转速信号调理电路与所述转速传感器相连接，对转速信号进行调理，使得所述中央控制器获取所述涡喷发动机的涡轮转速信号；所述温度补偿放大电路与所述温度传感器相连接，对所述温度传感器传回的电压信号进行补偿和放大，获取所述涡喷发动机的排气温度；所述气压信号调理电路与所述气压传感器相连接，对所述气压传感器传回的电压信号进行调理，使得所述中央控制器获取所述涡喷发动机的尾喷管排气压力；所述大气压力传感器与所述中央控制器相连接，使得所述中央控制 器获取所述涡喷发动机工作环境的大气压力；所述数字信号隔离电路与所述启动按钮、所述急停按钮相连接，并向所述中央控制器传送启动信号和急停信号；所述电源状态监测电路与电源相连接，对电源的输出电压、输出电流和健康状况进行实时监测，并向所述中央控制器传送电源监测信号；所述隔离式DC/DC变换电路与所述电源相连接，为所述电子控制单元提供能源，并对所述电源因负载、温度、健康状况所引起的扰动进行隔离；所述电流检测电路与所述电机驱动电路相连接，实时检测所述燃油泵的工作电流，并向所述中央控制器传送所述燃油泵的工作电流信号；所述电机驱动电路与所述燃油泵相连接，所述中央控制器向其传输PWM信号，从而驱动并控制所述燃油泵的转速；所述启动继电器与所述启动气阀、所述启动电机相连接，将所述中央控制器给出的开关量信号转化为所述启动气阀、所述启动电机的功率驱动信号；所述点火继电器与所述点火器相连接，将所述中央控制器给出的开关量信号转化为所述点火器的功率驱动信号；所述燃油继电器与所述燃油阀相连接，将所述中央控制器给出的开关量信号转化为所述燃油阀的功率驱动信号；所述燃气继电器与所述燃气阀相连接，将所述中央控制器给出的开关量信号转化为所述燃气阀的功率驱动信号；所述通信接口电路用于与外部设备交互信息；所述中央控制器对所述涡喷发动机各个状态进行实时监测和控制。 

优选地，所述燃油泵为齿轮电机泵。 

优选地，所述启动电机的电机轴与所述涡喷发动机的主轴相连接。 

优选地，所述外部设备为上位机或自动驾驶仪。 

为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种涡喷发动机控制系统的控制方法，所述涡喷发动机的工作状态包括停止态、启动态和运行态，该方法包括： 

当所述涡喷发动机处于停止态时，若收到所述启动按钮发来的启动信号，或由外部设备经所述通信接口电路发来的启动指令，则所述涡喷发动机的状态转换为启动态； 

当所述涡喷发动机处于启动态时，若收到所述急停按钮发来的急停信号，或由外部设备经由通信接口电路发来的停车指令，或由所述涡喷发动机本身超温、超转、超时所产生的保护逻辑动作时，则所述涡喷发动机的 状态转换为停止态；若无异常，启动成功后，所述涡喷发动机的状态转换为运行态； 

当所述涡喷发动机处于运行态时，若在收到所述急停按钮发来的急停信号，或外部设备经由通信接口电路发来的停车指令，或由所述涡喷发动机本身超温、超转、超时所产生的保护逻辑动作时，则所述涡喷发动机的状态转换为停止态，不直接转换为启动态。 

当所述涡喷发动机处于启动态时，所述控制方法包括如下步骤： 

步骤M1：所述中央处理器在收到所述启动按钮发来的启动信号，或由所述外部设备经由所述通信接口电路发来的启动指令时，开启启动电机或启动气阀，开启点火器，所述涡喷发动机的工作状态变为启动态；所述电子控制单元实时检测所述涡喷发动机的涡轮转速信号，若所述涡轮转速信号大于第一转速，则执行步骤M2，否则等待； 

步骤M2：当所述涡轮转速信号大于所述第一转速时，所述电子控制单元立即关闭所述启动电机或启动气阀，所述点火器保持开启状态；所述电子控制单元实时检测所述涡喷发动机的涡轮转速信号，若所述涡轮转速信号小于第二转速，则执行步骤M3，否则等待； 

步骤M3：当所述涡轮转速信号小于所述第二转速时，所述电子控制单元立即开启所述燃气阀，所述点火器保持开启状态；所述电子控制单元实时检测所述涡喷发动机的排气温度，若所述排气温度大于第一点火正常温度，则执行步骤M6，否则等待；若超过第一时间未能检测到所述排气温度大于所述第一点火正常温度，则执行步骤M4； 

步骤M4：当第一次点火失败，第二次点火从步骤M4开始，所述电子控制单元重新开启所述启动电机或启动气阀，开启所述点火器；所述电子控制单元实时检测所述涡喷发动机的涡轮转速信号，若所述涡轮转速信号大于所述第一转速，执行步骤M5，否则等待； 

步骤M5：所述燃气阀、点火器保持开启状态，关闭所述启动电机或启动气阀，所述电子控制单元实时检测所述涡喷发动机的排气温度，若所述排气温度大于所述第一点火正常温度，执行步骤M6，否则等待；若超过第二时间未能检测到所述排气温度大于所述第一点火正常温度，则关闭 所述燃气阀、燃油阀、启动气阀、燃油泵、启动电机和点火器；所述涡喷发动机停止工作，转换为停止态； 

步骤M6：所述电子控制单元再次开启所述启动电机或启动气阀，所述电子控制单元实时检测所述涡喷发动机的排气温度和涡轮转速信号，若检测到所述涡喷发动机的排气温度大于第二点火正常温度且涡轮转速信号大于第三转速，执行步骤M7，否则等待； 

步骤M7：所述电子控制单元开启所述燃油阀，按照第一预设控油规律控制所述燃油泵，关闭所述点火器；所述电子控制单元实时检测所述涡喷发动机的涡轮转速信号，若所述涡轮转速信号大于第四转速，执行步骤M8，否则等待； 

步骤M8：当所述涡轮转速信号大于所述第四转速时，关闭所述燃气阀，关闭燃料气，按照所述第一预设控油规律控制所述燃油泵，所述涡喷发动机的涡轮转速不断提高；所述电子控制单元实时检测所述涡喷发动机的涡轮转速信号，若所述涡轮转速信号大于第五转速，执行步骤M9，否则等待； 

步骤M9：当检测到所述涡轮转速信号大于第五转速时，按照第二预设控油规律控制所述燃油泵；所述电子控制单元实时检测所述涡喷发动机的涡轮转速信号，若所述涡轮转速大于第一阈值，执行步骤M10，否则等待；若所述涡轮转速信号超过启动时间尚未达到第一阈值，则关闭所述燃气阀、燃油阀、启动气阀、燃油泵、启动电机和点火器；所述涡喷发动机停止工作，转换为停止态； 

步骤M10：当检测到所述涡轮转速信号大于第一阈值时，采用PID算法控制所述燃油泵，实现涡轮转速信号的闭环控制；若所述涡轮转速大于第一阈值且小于第二阈值，并且维持超过第三时间，状态转换为运行态，否则继续调节。 

优选地，所述第一阈值为0.98Ng，第二阈值为1.02Ng，其中，Ng为地面慢速。 

优选地，所述第一预设控油规律的表达式为： 

Q＝f₁(n)＝a·n⁴+b·n³+c·n²+d·n+e    NS3＜n＜NS5 

其中，Q表示燃油泵的流量，n表示涡喷发动机的涡轮转速，NS3表示第三转速，NS5表示第五转速，a，b，c，d，e为常数； 

优选地，所述第二预设控油规律的表达式为： 

$Q_k=Q_{k-1}+C_1.\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}}$ NS5＜n＜0.98Ng 

其中，Q_k-1表示k-1时刻的流量，Q_k表示k时刻的流量，dn/dt表示涡轮转速信号n的变化率，C₁为常数，n表示涡喷发动机的涡轮转速，NS5表示第五转速，Ng表示地面慢速。 

当所述涡喷发动机处于运动态时，所述控制方法包括： 

步骤R1：所述涡喷发动机成功启动后，首先对各个传感器的状态进行诊断，若存在故障则直接转入步骤R5，若没有故障，则执行步骤R2； 

步骤R2：所述电子控制单元实时采集所述涡喷发动机的涡轮转速信号； 

步骤R3：所述电子控制单元实时采集所述涡喷发动机的排气温度； 

步骤R4：所述电子控制单元实时采集气压传感器、大气压力传感器的信号、由电源状态监测电路传过来的电压信号、电流信号，以及由驱动电流检测电路传来的驱动电流信号； 

步骤R5：响应外部设备经由通信接口电路传来的指令；若为停车指令，则执行步骤R6；若为给定转速指令则执行步骤R7； 

步骤R6：正常停车是必须先控制所述涡喷发动机的涡轮转速降到地面慢速，然后关闭所述燃油阀和燃油泵；紧急停车则直接关闭所述燃油阀和燃油泵，转为停止态； 

步骤R7：若收到固定转速指令则直接将该系统的给定转速设置为预设的固定值，若收到步进转速指令则将系统的给定转速设置为当前给定转速与步进值的和； 

步骤R8：执行PID控制算法。 

优选地，所述PID控制算法的表达式为： 

$u=K_p.e+K_i.\∫e.\mathrm{dt}+K_d.\frac{\mathrm{de}}{\mathrm{dt}}$

其中，e为转速误差，u为PID控制器输出； 

K_p为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数，由增益预置法来确定，采用增益预置法来确定，所述增益预置法是根据涡喷发动机控制系统在不同工作点采用不同K_p、K_i、K_d值的一种方法，其表达式为， 

当n_k-1＜n＜n_k时， 

$K_P=K_{P(k-1)}+\frac{K_{P\left(k\right)}-K_{P(k-1)}}{n_k-n_{k-1}}.(n-n_{k-1})$

$K_i=K_{i(k-1)}+\frac{K_{i\left(k\right)}-K_{i(k-1)}}{n_k-n_{k-1}}.(n-n_{k-1})$

$K_d=K_{d(k-1)}+\frac{K_{d\left(k\right)}-K_{d(k-1)}}{n_k-n_{k-1}}.(n-n_{k-1})$

其中，n为转速，n_k-1为第k-1工作点的转速，n_k为第k工作点的转速，K_P(k-1)是第k-1工作点的比例系数，K_P(k)是第k工作点的比例系数，K_i(k-1)是第k-1工作点的积分系数，K_i(k)是第k工作点的积分系数，K_d(k-1)是第k-1工作点的微分系数，K_d(k)是第k工作点的微分系数。 

(三)有益效果 

本发明所提供的小型涡喷发动机控制系统及方法具有以下特点：一是能高精度、大范围控制涡喷发动机的涡轮转速，从而拓宽涡喷发动机的工作范围，提高涡喷发动机的环境适应能力和可靠性；二是能实现对涡喷发动机各个工作状态的控制，包括停止态、启动态和运行态；三是系统结构简单、质量轻、造价低廉、容易制造，为涡喷发动机的大规模使用提供助力；四是运行及维护成本低廉。 

附图说明

图1是根据本发明的一种小型涡喷发动机控制系统的总体结构图； 

图2是根据本发明的一种小型涡喷发动机控制系统中电子控制单元的示意图； 

图3是根据本发明的一种小型涡喷发动机控制系统中涡喷发动机工作流程图； 

图4是根据本发明的一种小型涡喷发动机控制系统中启动态控制工作流程图； 

图5是根据本发明的一种小型涡喷发动机控制系统中运行态控制工作流程图； 

图6是根据本发明的一种小型涡喷发动机控制系统中的PID控制算法原理框图。 

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。 

图1是根据本发明的一种小型涡喷发动机控制系统的总体结构图。 

如图1所示，该系统包括：电子控制单元(Electronic Control Unit，ECU)1、燃气阀2、丙烷气罐3、航空煤油箱4、启动气罐5、燃油阀6、启动气阀7、燃油泵8、涡喷发动机9、启动电机10、转速传感器11、点火器12、气压传感器13、温度传感器14、启动按钮15、急停按钮16。所述燃气阀2控制丙烷气的通断。所述丙烷气罐3储存丙烷气，供涡喷发动机9启动时使用。所述航空煤油箱4储存航空煤油，供涡喷发动机9工作时使用。所述燃油阀6控制航空煤油的通断。所述启动气罐5储存高压启动气体，供涡喷发动机9启动时带动涡轮旋转，从而使得涡喷发动机9获得初始动能。所述启动气阀7控制启动气体的通断。所述燃油泵8为齿轮电机泵，通过控制其转速来控制涡喷发动机9的喷油量，从而实现对涡喷发动机9的转速控制。所述涡喷发动机9是整个控制系统的控制对象。所述启动电机10的功能和启动气罐5的功能相同，装配时，其电机轴与涡喷发动机9的主轴相连接，带动涡喷发动机9的涡轮旋转，从而使得涡喷发动机9获得初始动能。所述转速传感器11采集涡喷发动机9的涡轮转速信号n。所述点火器12控制燃气或燃油的点火。所述气压传感器13采集涡喷发动机的排气压力P₂。所述温度传感器14采集涡喷发动机的排气温度T₅。所述启动按钮15控制涡喷发动机9的启动，长按此按钮超过规定时间T_st后，发出启动信号，本发明所述的控制系统将启动涡喷发动机(前提是涡喷发动机处于停止态)。所述急停按钮16控制涡喷发动机9急 停，长按此按钮超过规定时间T_stop后，发出急停信号，本发明所述的控制系统将急停涡喷发动机(前提是涡喷发动机处于运行态)。由于涡喷发动机9正常启动时，一般采用电机启动或者气启动，所以只要装配有启动电机10，或者装配有启动气罐5和启动气阀7就可以启动涡喷发动机9。无需专门说明，专业人士可根据实际系统的需要自行选择启动方式，或者可以理解为根据需要作相应的修改。 

图2是根据本发明的一种小型涡喷发动机控制系统中的电子控制单元的示意图。 

如图2所示，电子控制单元包括：转速信号调理电路101、温度补偿放大电路102、气压信号调理电路103、大气压力传感器104、数字信号隔离电路105、电源状态监测电路106、隔离式DC/DC变换电路107、电源108、驱动电流检测电路109、电机驱动电路110、启动继电器111、点火继电器112、燃油继电器113、燃气继电器114、通信接口电路115、中央控制器116。所述转速信号调理电路101与转速传感器11相连接，对转速信号进行调理，使得中央控制器116获取涡喷发动机的涡轮转速信号n。所述温度补偿放大电路102与温度传感器14相连接，对温度传感器14传回的电压信号进行补偿和放大，获取涡喷发动机的排气温度T₅。所述气压信号调理电路103与气压传感器13相连接，对气压传感器13传回的电压信号进行调理，使得中央控制器116获取涡喷发动机的尾喷管排气压力P₂。所述大气压力传感器104与中央控制器116相连接，使得中央控制器116获取涡喷发动机工作环境的大气压力P₁。所述数字信号隔离电路105与启动按钮15、急停按钮16相连接，并向中央控制器116传送启动信号和急停信号。所述电源状态监测电路106与电源108相连接，对电源的输出电压、输出电流和健康状况进行实时监测，并向中央控制器116传送电源监测信号。所述隔离式DC/DC变换电路107与电源108相连接，为整个ECU提供能源，并对电源108因负载、温度、健康状况所引起的扰动进行隔离。所述电流检测电路109与电机驱动电路110相连接，实时检测燃油泵8的工作电流，并向中央控制器116传送燃油泵8的工作电流信号。所述电机驱动电路110与燃油泵8相连接，中央控制器116向其传输PWM信号，从而驱动并控制燃油泵8的转速。所述启动继电器111与启动气阀7或启 动电机10相连接，将中央控制器116给出的开关量信号转化为启动气阀7和启动电机10的功率驱动信号。涡喷发动机正常启动时，一般采用电机启动或者气启动，本发明为了提高该控制系统的环境适应性，两者均能支持。所述点火继电器112与点火器12相连接，将中央控制器116给出的开关量信号转化为点火器12的功率驱动信号。所述燃油继电器113与燃油阀6相连接，将中央控制器116给出的开关量信号转化为燃油阀6的功率驱动信号。所述燃气继电器114与燃气阀2相连接，将中央控制器116给出的开关量信号转化为燃气阀2的功率驱动信号。所述通信接口电路115是ECU与外界信息交互的接口，可与上位机、自动驾驶仪等外部通信、控制设备相连。所述中央控制器116是整个ECU的核心，转速信号调理电路101、温度补偿放大电路102、气压信号调理电路103、大气压力传感器104、数字信号隔离电路105、电源状态监测电路106、隔离式DC/DC变换电路107、电源108、驱动电流检测电路109、电机驱动电路110、启动继电器111、点火继电器112、燃油继电器113、燃气继电器114、通信接口电路115均与其相连，中央控制器116对整个涡喷发动机各个运行状态进行实时监测和控制，并在其中实现本发明所述的控制方法。 

图3是根据本发明的一种小型涡喷发动机控制系统中的涡喷发动机工作流程图。 

如图3所示，所述涡喷发动机9主要有三种工作状态：停止态S1、启动态S2、运行态S3。所述停止态S1系指涡喷发动机9处于停车状态，燃气阀2关闭，燃油阀6关闭，启动气阀7关闭，燃油泵8关闭，启动电机10关闭，点火器12不点火。启动态S2系指涡喷发动机9启动过程(由停止态S1向运行态S3过渡)的工作状态，控制系统中的各个部分按照启动态控制方法所给出的控制规律工作。运行态S3系指涡喷发动机9启动成功后，在指定转速(地面慢速或者空中慢速)以上稳定运行的工作状态，控制系统中的各个部分按照运行态控制方法所给出的控制规律工作。所述三种状态之间的切换按照如下规律进行：①当涡喷发动机9处于停止态S1时，收到启动按钮15发来的启动信号或者由上位机等外部设备经由通信接口电路115发来的启动指令时，涡喷发动机9的状态转换为启动态S2；②涡喷发动机9处于启动态S2时，只有收到急停按钮16发来的急停信号、 外部设备经由通信接口电路115发来的停车指令、由涡喷发动机9本身超温、超转、超时所产生的保护逻辑动作，才转换为停止态S1，若无异常，启动成功后，其状态转换为运行态S3；③涡喷发动机9处于运行态S3时，在收到急停按钮16发来的急停信号、外部设备经由通信接口电路115发来的停车指令、由涡喷发动机9本身超温、超转、超时所产生的保护逻辑动作，才转换为停止态S1，不能直接转换为启动态。 

图4是根据本发明的一种小型涡喷发动机控制系统中启动态控制步骤的流程图。 

如图4所示，所述启动态控制步骤包括： 

步骤M1，ECU在收到启动按钮15发来的启动信号或者由上位机等外部设备经由通信接口电路115发来的启动指令时，开启启动电机10或启动气阀7，开启点火器12，涡喷发动机9的工作状态变为启动态S2。ECU实时检测涡喷发动机9的涡轮转速信号n，若涡轮转速信号n大于NS1(第一转速)，则执行步骤M2，否则等待。 

步骤M2，当涡轮转速信号n大于NS1(第一转速)时，ECU立即关闭启动电机10或启动气阀7，点火器12保持开启状态。ECU实时检测涡喷发动机9的涡轮转速信号n，若涡轮转速信号n小于NS2(第二转速)，则执行步骤M3，否则等待。 

步骤M3，当涡轮转速信号n小于NS2(第二转速)时，ECU立即开启燃气阀2，点火器12保持开启状态。ECU实时检测涡喷发动机9的排气温度T₅，若T₅大于第一点火正常温度TEMP1，则执行步骤M6，否则一直等待。若超过T1时间未能检测到T₅大于第一点火正常温度TEMP1，则说明第一次点火失败，执行步骤M4。 

步骤M4，当第一次点火失败，第二次点火从步骤M4开始，ECU重新开启启动电机10或启动气阀7，开启点火器12，ECU实时检测涡喷发动机9的涡轮转速信号n，若涡轮转速信号n大于NS1(第一转速)，则执行步骤M5，否则等待。 

步骤M5，燃气阀2、点火器12保持开启状态，关闭启动电机10或启动气阀7，ECU实时检测涡喷发动机9的排气温度T₅，若T₅大于第一点火正常温度TEMP1，则执行第六步，否则等待。若超过T2时间未能检 测到T₅大于第一点火正常温度TEMP1，则说明第二次点火也失败了，则关闭燃气阀2，燃油阀6，启动气阀7，燃油泵8，启动电机10，点火器12。涡喷发动机9停止工作，转换为停止态S1。 

步骤M6，ECU再次开启启动电机10或启动气阀7，ECU实时检测涡喷发动机9的排气温度和T₅涡轮转速信号n，若检测到涡喷发动机9的排气温度T₅大于TEMP2且涡轮转速信号n大于NS3(第三转速)，则执行步骤M7，否则等待。 

步骤M7，ECU开启燃油阀6，按照第一预设控油规律控制燃油泵8，关闭点火器12，ECU实时检测涡喷发动机9的涡轮转速信号n，若涡轮转速信号n大于NS4(第四转速)，则执行步骤M8，否则等待。所述第一预设控油规律用表达式(1)表示： 

Q＝f₁(n)＝a·n⁴+b·n³+c·n²+d·n+e    NS3＜n＜NS5    (1) 

其中Q表示燃油泵的流量，在一定的工作范围内，其正比于电机驱动电路110的输入PWM信号的占空比。n表示涡喷发动机的涡轮转速，a，b，c，d，e为常数，式(1)说明当转速在NS3(第三转速)和NS5(第五转速)之间时，燃油泵根据转速供油，具体形式与涡喷发动机的具体实现相关，不同的涡喷发动机采用不同的形式，通过实验或计算的方法来确定。 

步骤M8，当涡轮转速信号n大于NS4(第四转速)，关闭燃气阀2，关闭燃料气，依旧按照第一预设控油规律控制燃油泵8，涡喷发动机9的涡轮转速不断提高，ECU实时检测涡喷发动机9的涡轮转速信号n，若涡轮转速信号n大于NS5(第五转速)则执行步骤M9，否则等待。 

步骤M9，当检测到涡轮转速信号n大于NS5(第五转速)，按照第二预设控油规律控制燃油泵8，ECU实时检测涡喷发动机9的涡轮转速信号n，若涡轮转速信号n大于0.98Ng(Ng为地面慢速)，则执行步骤M10，否则等待。若涡轮转速信号n超过启动时间T_start尚未达到0.98Ng，则说明系统启动欠速超时，关闭燃气阀2，燃油阀6，启动气阀7，燃油泵8，启动电机10，点火器12。涡喷发动机9停止工作，转换为停止态S1。所述第二预设控油规律用表达式(2)表示： 

$Q_k=Q_{k-1}+C_1.\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}}$ NS5＜n＜0.98Ng    (2) 

其中Q_k-1表示k-1时刻的流量，Q_k表示k时刻的流量，dn/dt表示涡轮转速信号n的变化率，C₁为常数，可通过实验或计算的方法来确定。 

步骤M10，当检测到涡轮转速信号n大于0.98Ng，采用PID算法控制燃油泵8，实现涡轮转速信号n的闭环控制，所述PID控制算法的原理框图如图6所示，具体按照表达式(3)执行。若0.98Ng＜n＜1.02Ng维持超过时间T3，则认为涡喷发动机9成功启动，其状态转换为运行态S3，否则继续调节。PID控制算法按照表达式(3)执行 

$u=K_p.e+K_i.\∫e.\mathrm{dt}+K_d.\frac{\mathrm{de}}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

其中e＝n_c-n为转速误差(n_c为给定转速，n为转速)，u为PID控制器输出，K_p为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数。在涡喷发动机的工作包线内，K_p、K_i、K_d的值应工作点的不同而不同，在本发明中采用增益预置法来确定，所述增益预置法是根据涡喷发动机控制系统不同的工作点(在此系统中由涡轮转速n和排气温度T₅来确定)采用不同K_p、K_i、K_d值的一种方法，如表1所示，工作点与工作点之间采用线性插值求得对应的K_p、K_i、K_d值，每个工作点的取值通过实验方法来确定。 

表1增益预置表 

转速n	Kp	Ki	Kd
				工作点1(n1)	Kp1	Ki1	Kd1
工作点2(n2)	Kp2	Ki2	Kd2
				工作点3(n3)	Kp3	Ki3	Kd3
......	......	......	......
				工作点k-1(nk-1)	Kp(k-1)	Ki(k-1)	Kd(k-1)
工作点k(nk)	Kp(k)	Ki(k)	Kd(k)

当n_k-1＜n＜n_k时，由下式(4)、式(5)、式(6)来确定K_p、K_i、K_d的值。 

$K_P=K_{P(k-1)}+\frac{K_{P\left(k\right)}-K_{P(k-1)}}{n_k-n_{k-1}}.(n-n_{k-1})---\left(4\right)$

$K_i=K_{i(k-1)}+\frac{K_{i\left(k\right)}-K_{i(k-1)}}{n_k-n_{k-1}}.(n-n_{k-1})---\left(5\right)$

$K_d=K_{d(k-1)}+\frac{K_{d\left(k\right)}-K_{d(k-1)}}{n_k-n_{k-1}}.(n-n_{k-1})---\left(6\right)$

在整个十个步骤中，若ECU收到急停按钮16发来的急停信号、外部设备经由通信接口电路115发来的停车指令、由涡喷发动机9本身超温、超转、超时所产生的保护逻辑动作，则立即转换为停止态S1。 

图5是根据本发明的一种小型涡喷发动机控制系统中运行态控制步骤的流程图。 

如图5所示，所述运行态控制步骤包括： 

步骤R1，为传感器故障诊断，涡喷发动机9成功启动后，首先对各个传感器的状态进行诊断，若关键传感器存在故障则直接转入步骤R5，若各个传感器没有故障，则执行步骤R2。 

步骤R2，ECU实时采集涡喷发动机9的涡轮转速信号n，为下面的步骤做准备。 

步骤R3，ECU实时采集涡喷发动机9的排气温度T₅，为下面的步骤做准备。 

步骤R4，ECU实时采集其它传感器信号，包括气压传感器13、大气压力传感器104、由电源状态监测电路106传过来的电压信号、电流信号，以及由驱动电流检测电路109传过来的驱动电流信号。 

步骤R5，响应外部设备经由通信接口电路115传过来的各种指令，指令主要分为两类：①给定转速指令，含固定转速指令和步进转速指令；②停车指令，含自动停车和紧急停车两种。若为停车指令，则执行步骤R6；若为给定转速指令则执行步骤R7。 

步骤R6，为停车处理，正常停车是必须先控制涡喷发动机9的涡轮转速降到地面慢速，然后关闭燃油阀6和燃油泵8，紧急停车则直接关闭燃油阀6和燃油泵8，转为停止态S1。 

步骤R7，为给定转速处理，若收到固定转速指令则直接将该系统的给定转速设置为预设的固定值，若收到步进转速指令则将系统的给定转速设置为当前给定转速与步进值的和。 

步骤R8，执行PID控制算法。 

在上述八个步骤中，若ECU收到急停按钮16发来的急停信号、外部设备经由通信接口电路115发来的停车指令、由涡喷发动机9本身超温、超转、超时所产生的保护逻辑动作，则立即转换为停止态S1。 

下面举一个优选实施例来进一步说明本发明的系统和方法。在该优选实施例中，NS1为4100rpm(round per minute，转每分钟)，NS2为3000rpm，NS3为5800rpm，NS4为8000rpm，NS5为12800rpm，地面慢速Ng为35000rpm，TEMP1为100摄氏度，TEMP2为300摄氏度，T1为3.5秒，T2为6秒，T_start为90秒，T3为20秒，T_st为3秒，T_stop为3秒，C₁为10，a＝0.00023，b＝-0.0025，c＝0.1229，d＝-2.262，e＝32.61。实验表明，该优选实施例与传统技术相比，有以下几方面有益效果：一是对涡喷发动机的各个工作状态(启动态、运行态、停止态)均能够有效的全权限控制；二是同时支持电机启动和气启动方式，环境适应能力强；三是采用增益预置PID控制算法，在涡喷发动机各个工作点均能实现快速高精度控制，实验结果表明控制精度在1％以内；四是完善的故障保护功能，对于传感器故障、超温、超转等异常能够快速做出反应，从而保护整个系统。 

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (7)

1.一种涡喷发动机控制系统的控制方法，所述控制系统包括涡喷发动机、电子控制单元、燃气阀、燃油阀、燃油泵、启动气阀、启动电机、转速传感器、点火器、启动按钮和急停按钮；所述电子控制单元包括中央控制器、大气压力传感器、电源状态监测电路、驱动电流检测电路和通信接口电路；所述涡喷发动机的工作状态包括停止态、启动态和运行态；

其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：

当所述涡喷发动机处于停止态时，若收到所述启动按钮发来的启动信号，或由外部设备经所述通信接口电路发来的启动指令，则所述涡喷发动机的状态转换为启动态；

当所述涡喷发动机处于启动态时，若收到所述急停按钮发来的急停信号，或由外部设备经由通信接口电路发来的停车指令，或由所述涡喷发动机本身超温、超转、超时所产生的保护逻辑动作时，则所述涡喷发动机的状态转换为停止态；若无异常，启动成功后，所述涡喷发动机的状态转换为运行态；

当所述涡喷发动机处于运行态时，若在收到所述急停按钮发来的急停信号，或外部设备经由通信接口电路发来的停车指令，或由所述涡喷发动机本身超温、超转、超时所产生的保护逻辑动作时，则所述涡喷发动机的状态转换为停止态，不直接转换为启动态。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，当所述涡喷发动机处于启动态时，所述控制方法包括如下步骤：

步骤M1：所述中央控制器在收到所述启动按钮发来的启动信号，或由所述外部设备经由所述通信接口电路发来的启动指令时，开启启动电机或启动气阀，开启点火器，所述涡喷发动机的工作状态变为启动态；所述电子控制单元实时检测所述涡喷发动机的涡轮转速信号，若所述涡轮转速信号大于第一转速，则执行步骤M2，否则等待；

步骤M2：当所述涡轮转速信号大于所述第一转速时，所述电子控制单元立即关闭所述启动电机或启动气阀，所述点火器保持开启状态；所述电子控制单元实时检测所述涡喷发动机的涡轮转速信号，若所述涡轮转速信号小于第二转速，则执行步骤M3，否则等待；

步骤M3：当所述涡轮转速信号小于所述第二转速时，所述电子控制单元立即开启所述燃气阀，所述点火器保持开启状态；所述电子控制单元实时检测所述涡喷发动机的排气温度，若所述排气温度大于第一点火正常温度，则执行步骤M6，否则等待；若超过第一时间未能检测到所述排气温度大于所述第一点火正常温度，则执行步骤M4；

步骤M4：当第一次点火失败，第二次点火从步骤M4开始，所述电子控制单元重新开启所述启动电机或启动气阀，开启所述点火器；所述电子控制单元实时检测所述涡喷发动机的涡轮转速信号，若所述涡轮转速信号大于所述第一转速，执行步骤M5，否则等待；

步骤M5：所述燃气阀、点火器保持开启状态，关闭所述启动电机或启动气阀，所述电子控制单元实时检测所述涡喷发动机的排气温度，若所述排气温度大于所述第一点火正常温度，执行步骤M6，否则等待；若超过第二时间未能检测到所述排气温度大于所述第一点火正常温度，则关闭所述燃气阀、燃油阀、启动气阀、燃油泵、启动电机和点火器；所述涡喷发动机停止工作，转换为停止态；

步骤M6：所述电子控制单元再次开启所述启动电机或启动气阀，所述电子控制单元实时检测所述涡喷发动机的排气温度和涡轮转速信号，若检测到所述涡喷发动机的排气温度大于第二点火正常温度且涡轮转速信号大于第三转速，执行步骤M7，否则等待；

步骤M7：所述电子控制单元开启所述燃油阀，按照第一预设控油规律控制所述燃油泵，关闭所述点火器；所述电子控制单元实时检测所述涡喷发动机的涡轮转速信号，若所述涡轮转速信号大于第四转速，执行步骤M8，否则等待；

步骤M8：当所述涡轮转速信号大于所述第四转速时，关闭所述燃气阀，关闭燃料气，按照所述第一预设控油规律控制所述燃油泵，所述涡喷发动机的涡轮转速不断提高；所述电子控制单元实时检测所述涡喷发动机的涡轮转速信号，若所述涡轮转速信号大于第五转速，执行步骤M9，否则等待；

步骤M9：当检测到所述涡轮转速信号大于第五转速时，按照第二预设控油规律控制所述燃油泵；所述电子控制单元实时检测所述涡喷发动机的涡轮转速信号，若所述涡轮转速大于第一阈值，执行步骤M10，否则等待；若所述涡轮转速信号超过启动时间尚未达到第一阈值，则关闭所述燃气阀、燃油阀、启动气阀、燃油泵、启动电机和点火器；所述涡喷发动机停止工作，转换为停止态；

步骤M10：当检测到所述涡轮转速信号大于第一阈值时，采用PID算法控制所述燃油泵，实现涡轮转速信号的闭环控制；若所述涡轮转速大于第一阈值且小于第二阈值，并且维持超过第三时间，状态转换为运行态，否则继续调节。

3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述第一阈值为0.98Ng，第二阈值为1.02Ng，其中，Ng为地面慢速。

4.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述第一预设控油规律的表达式为：

Q=f₁(n)=a·n⁴+b·n³+c·n²+d·n+e   NS3<n<NS5

其中，Q表示燃油泵的流量，n表示涡喷发动机的涡轮转速，NS3表示第三转速，NS5表示第五转速，a，b，c，d，e为常数。

5.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述第二预设控油规律的表达式为：

$Q_k=Q_{k-1}+C_1\&CenterDot;\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}}\mathrm{NS}5<n<0.98\mathrm{Ng}$

其中，Q_k-1表示k-1时刻的流量，Q_k表示k时刻的流量，dn/dt表示涡轮转速信号n的变化率，C₁为常数，n表示涡喷发动机的涡轮转速，NS5表示第五转速，Ng表示地面慢速。

6.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，当所述涡喷发动机处于运行态时，所述控制方法包括如下步骤：

步骤R1：所述涡喷发动机成功启动后，首先对各个传感器的状态进行诊断，若存在故障则直接转入步骤R5，若没有故障，则执行步骤R2；

步骤R2：所述电子控制单元实时采集所述涡喷发动机的涡轮转速信号；

步骤R3：所述电子控制单元实时采集所述涡喷发动机的排气温度；

步骤R4：所述电子控制单元实时采集气压传感器、大气压力传感器的信号、由电源状态监测电路传过来的电压信号、电流信号，以及由驱动电流检测电路传来的驱动电流信号；

步骤R5：响应外部设备经由通信接口电路传来的指令；若为停车指令，则执行步骤R6；若为给定转速指令则执行步骤R7；

步骤R6：正常停车先控制所述涡喷发动机的涡轮转速降到地面慢速，然后关闭所述燃油阀和燃油泵；紧急停车则直接关闭所述燃油阀和燃油泵，转为停止态；

步骤R7：若收到固定转速指令则直接将该系统的给定转速设置为预设的固定值，若收到步进转速指令则将系统的给定转速设置为当前给定转速与步进值的和；

步骤R8：执行PID控制算法。

7.如权利要求2或6所述的控制方法，其特征在于，所述PID控制算法的表达式为：

$u=K_p\&CenterDot;e+K_i\&Integral;e\&CenterDot;\mathrm{dt}+K_d\&CenterDot;\frac{\mathrm{de}}{\mathrm{dt}}$

其中，e为转速误差，u为PID控制器输出；

K_p为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数，由增益预置法来确定，所述增益预置法是根据涡喷发动机控制系统在不同工作点采用不同K_p、K_i、K_d值的一种方法，所述增益预置法的表达式为，

当n_k-1<n<n_k时，

$K_P=-K_{P(k-1)}+\frac{K_{P\left(k\right)}-K_{P(k-1)}}{n_k-n_{k-1}}\&CenterDot;(n-n_{k-1})$

$K_i=K_{i(k-1)}+\frac{K_{i\left(k\right)}-K_{i(k-1)}}{n_k-n_{k-1}}\&CenterDot;(n-n_{k-1})$

$K_d=K_{d(k-1)}+\frac{K_{d\left(k\right)}-K_{d(k-1)}}{n_k-n_{k-1}}\&CenterDot;(n-n_{k-1})$

其中，n为转速，n_k-1为第k-1工作点的转速，n_k为第k工作点的转速，K_P(k-1)是第k-1工作点的比例系数，K_P(k)是第k工作点的比例系数，K_i(k-1)是第k-1工作点的积分系数，K_i(k)是第k工作点的积分系数，K_d(k-1)是第k-1工作点的微分系数，K_d(k)是第k工作点的微分系数。

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