CN103605393A - 一种为飞机发动机提供正负恒流源的通用闭环控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于发动机控制技术领域，特别是涉及一种实用性飞机发动机燃油电子控制系统。一种为飞机发动机提供正负恒流源的通用闭环控制系统，本闭环控制系统主要用于以电液伺服阀作为电液转换装置的发动机性能调整和静态测试，可用来初步标定发动机的稳态流量特性。该装置提供给LVDT激励信号，采集LVDT当前位置，通过改变闭环控制系统的给定指令状态，二者参数通过PID运算闭环控制，控制发动机的流量。在试验过程中闭环控制系统需要将电流保持在恒定值。

Description

一种为飞机发动机提供正负恒流源的通用闭环控制系统

技术领域

本发明属于发动机控制技术领域，特别是涉及一种实用性飞机发动机燃油电子控制系统。

背景技术

闭环控制系统的主要作用是采集产品当前的工作状态，通过运算给出指令信号，驱动产品的电液伺服阀，从而达到控制发动机的供油量的大小。国内现有的闭环控制装置主要有两种，一种为模拟电路搭建的采集和驱动电路，另一种为数字平台结合驱动电路。这两种闭环控制装置各有优缺点，模拟电路的响应速度快，但是运行不稳定，核心处理芯片非常容易损坏，维修成本较高。数字平台的优点为运行稳定、可靠、运算速度快，是闭环控制装置的发展趋势，能够同时对多路信号进行数据采集、根据需要控制和驱动输出电路。此外，现有的闭环控制装置都存在维护性差、运行不稳定等问题。

LVDT是高精度位移传感器，是闭环控制系统的测量对象。电液伺服阀是闭环控制系统的被控对象，是发动机内部的电液转换元件和功率放大元件，它能够把微小的电气控制信号转换成大功率的液压能（流量和压力）输出，从而实现对发动机燃油流量的控制和调节。

发明内容

本发明要解决的技术问题：

提出一种精确、可靠、快速控制飞机发动机燃油流量的闭环控制系统。

本发明的技术方案：

闭环控制系统主要用于以电液伺服阀作为电液转换装置的发动机性能调整和静态测试，可用来初步标定发动机的稳态流量特性。该装置提供给LVDT激励信号，采集LVDT当前位置，通过改变闭环控制系统的给定指令状态，二者参数通过PID运算闭环控制，控制发动机的流量。在试验过程中闭环控制系统需要将电流保持在恒定值。

一种为飞机发动机提供正负恒流源的通用闭环控制系统，包括电源模块1、高精度测量模块2、隔离转换模块3、数据采集模块4以及功率驱动模块5组成，其中，

电源模块用于将220VAC交流电源转换为不同的直流电压，用于为高精度测量模块2、隔离转换模块3、数据采集模块4以及功率驱动模块5提供工作电源；

高精度测量模块2为LVDT提供激励信号，并采集LVDT当前位置信号，将其输出至隔离转换模块3；

隔离转换模块3将接收到的LVDT当前位置信号进行光耦隔离，提高信号的精度，去除干扰信号，并将其输出至数据采集模块4；同时，还对数据采集模块4输出的电压信号进行光耦隔离，提高信号的精度，去除干扰信号，并将其输出至功率驱动模块5；

数据采集模块4将接收到的LVDT当前位置模拟信号转换为数字信号，并读取LVDT当前位置值，将其与给定位置进行比较，根据比较结果进行PID运算，将运算结果以电压信号方式通过隔离转换模块3输出至功率驱动模块5；

功率驱动模块5将接收到的电压信号转换为电流信号，并将其输出至电液伺服阀，驱动该阀调节系统流量。

本发明的有益效果：

本发明的技术难点主要在于闭环控制的速度、控制精度和准确度，正负恒流源数百毫安驱动技术。本发明属于一种通用型闭环控制系统，兼容性较强；能够根据指令为电液伺服阀提供正、负电流连续变化的电流源；采用嵌入式数字平台，提高数据处理、运算的速度，能够根据产品的状态进行自动调整参数，并进行PID比较运算后，输出整定后的电流值。此外，该闭环控制系统的信号输入和输出带有隔离、滤波功能，有效提高输入、输出阻抗和该装置的稳定性。

该闭环控制系统的测量与控制精度较高，能够达到相关参数RU值为小数点后4位半精度；能够对发动机的状态进行实时调整，根据需要输出电流，并能够进行连续改变电流值的大小；为发动机的电液伺服阀提供稳定的恒流源，驱动电流能够达到数百毫安，电流不随负载或环境变化而改变；该闭环控制系统中各放大电路能力较强，主要功率驱动元器件采用大功率管，具有较大的输出电流，可以保证不同型号的电液伺服阀均可以使用；通用性较强，能够广泛适用于该类型传感器的信号处理，在不同的运行环境下，只需重新计算和配置电容等少部分元器件即可；也能够广泛适用于电磁阀的控制，在不同的运行环境下，只需重新设计PID参数即可；具有很好的抗干扰性，能够大大降低外围电路和空间的干扰和噪声；运行稳定可靠，低功耗，连续长时间的可靠工作；该系统能够采用开环方式或者闭环方式对电磁阀进行控制。

附图说明

图1为本专利的结构示意图。图2为本专利的闭环控制原理图。图3为高精度测量模块原理图。图4为隔离转换模块原理图。图5为数据采集流程图。图6为功率驱动模块原理图。

具体实施方式

一种为飞机发动机提供正负恒流源的通用闭环控制系统，包括电源模块1、高精度测量模块2、隔离转换模块3、数据采集模块4以及功率驱动模块5组成，其中，

电源模块用于将220VAC交流电源转换为不同的直流电压，用于为高精度测量模块2、隔离转换模块3、数据采集模块4以及功率驱动模块5提供工作电源；具体实施过程中电源模块选用军品级高精度线性稳压电源模块和DC-DC模块，工作稳定，纹波小。其主要功能是将交流电220VAC转换成稳定、可靠的直流电压，分别为高精度测量模块2提供±15VDC工作电源，为隔离转换模块3提供±12VDC工作电源，为数据采集模块4提供24VDC工作电源，为功率驱动模块5提供±15VDC和5VDC工作电源。

高精度测量模块2为LVDT提供激励信号，并采集LVDT当前位置信号，将其输出至隔离转换模块3；

高精度测量模块2电路结构共分为5部分，即激励信号产生电路201、外围调理电路202、核心处理芯片203、调理和反馈电路204以及信号放大电路205。

详细介绍如下：

激励信号产生电路201用于产生固定频率和幅值的激励信号。包括第一电容C1用于控制LVDT的初级线圈激励信号的频率，第一电阻RP1用于控制LVDT的初级线圈激励信号的幅值；第一电容C1与核心处理芯片203的频率设定脚6和7连接，第一可调电阻RP1通过第一电阻R1串联后，与与核心处理芯片203的幅值设定脚4和5连接；在实施例中，第一电容C1=0.33μF，第一电阻RP1=100kΩ

外围调理电路202用于将高精度测量模块2提供±15VDC工作电源进行调理、稳压。包括第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7以及第八电容C8。第五电容C5与第六电容C6并联，并与第七电容C7与第八电容C8并联后进行串联，两端分别接入核心处理芯片203的电源脚。在实施例中，第五电容C5=6.8μF、第六电容C6=0.1μF、第七电容C7=6.8μF,第八电容C8=0.1μF。

核心处理芯片203在激励信号产生电路201的控制下，产生固定频率和幅值的激励信号送入LVDT初级线圈，接收LVDT次级线圈信号，并转换成为直流信号输出至调理和反馈电路204。在实施例中,该芯片可选用AD598或AD698芯片，选用AD598芯片时，激励信号2和3脚与LVDT初级线圈相连接，接收信号10和11脚与LVDT次级线圈相连，输出信号16脚与调理和反馈电路204相连；

调理和反馈电路204是将LVDT的直线位移量转换为线性对应的直流电压值，能够提高高精度测量模块2的测量精度，降低输出阻抗。包括第二可调电阻RP2、第二电阻R2、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4。第二可调电阻RP2与第二电阻R2串联，通过输出滤波的第四电容C4后，与核心处理芯片203的输出信号16脚进行连接。第二电容C2与核心处理芯片203的滤波输出信号8和9脚并联，第三电容C3与核心处理芯片203的滤波输出信号12和13脚并联；在实施例中，第二可调电阻RP2=100kΩ、第二电阻R2=1kΩ、第二电容C2=0.33μF、第三电容C3=0.33μF、第四电容C4=0.33μF。

信号放大电路205是用于放大调理和反馈电路204的直流电压值，还可以控制输出直流电压信号的零点偏移量。包括第三可调电阻RP3、第三电阻R3、第四可调电阻RP4和第四电阻R4。第三可调电阻RP3和第三电阻R3串联，第四可调电阻RP4和第四电阻R4串联，分别与核心处理芯片203的零点偏移脚18和19脚相连；在实施例中，第三可调电阻RP3=100kΩ、第三电阻R3=1kΩ、第四可调电阻RP4=100kΩ和第四电阻R4=1kΩ。

隔离转换模块3

隔离转换模块3将接收到的LVDT当前位置信号进行光耦隔离，提高信号的精度，去除干扰信号，并将其输出至数据采集模块4；同时，还对数据采集模块4输出的电压信号进行光耦隔离，提高信号的精度，去除干扰信号，并将其输出至功率驱动模块5；

隔离转换模块3包括第一级信号放大电路301、光耦隔离电路302和第二级放大电路303。

第一级信号放大电路301用于将高精度测量模块2的当前位置信号进行放大，提高电路输出阻抗。包括放大芯片UP1、第一可调电阻RP1和第一电容C1。第一可调电阻RP1与放大芯片UP1的输入2脚相连，第一电容C1与放大芯片UP1的输入2脚和输出3脚进行并联。在实施例中，放大芯片UP1可以选用OP27、第一可调电阻RP1=100kΩ和第一电容C1=200pF。

光耦隔离电路302用于将第一级信号放大电路301的信号进行光耦隔离，有效阻止前级电路带来的各种杂波和干扰信号。包括第二电阻R2和光耦隔离芯片G1。第二电阻R2与光耦隔离芯片G1的输入2脚串联。在实施例中，第二电阻R2=1kΩ和光耦隔离芯片G1选用LOC110。

第二级放大电路303用于将光耦隔离电路302处理后的信号进行放大，隔离前后的地信号GA和GB不共用，降低输入阻抗，提高输出阻抗。包括放大芯片UP2、第二电容C2、第三可调电阻RP3、第三电阻R3。第三可调电阻RP3与第三电阻R3串联，与第二电容C2并联，与放大芯片UP2的输入2脚和输出6脚进行并联。在实施例中，放大芯片UP2选用OP07、第二电容C2=100pF、第三可调电阻RP3=100kΩ、第三电阻R3=10kΩ。

数据采集模块4将接收到的LVDT当前位置模拟信号转换为数字信号，并读取LVDT当前位置值，将其与给定位置进行比较，根据比较结果进行PID运算，将运算结果以电压信号方式通过隔离转换模块3输出至功率驱动模块5；

数据采集模块4由核心处理芯片PC104和数据采集卡ADT880共同组成。核心处理芯片PC104的主要功能是将采集来的LVDT电压信号进行物理量的转换，并进行逻辑处理，判断模式的状态后，在闭环状态下进行PID运算，再将指令传送至数据采集卡ADT880，从而输出电压信号控制功率驱动模块5。

数据采集模块4包含的核心处理芯片PC104做为系统的CPU，对采集的电压信号进行处理和运算，并输出运算后的电压信号，因此需要编写软件程序。按照软件流程图中，软件包括系统初始化401、采集402、物理量转换403、控制模式404、PID算法405和控制程序406。

系统初始化401是对程序内部的变量进行初始化、标志位初始化和数据采集卡的输入输出端口初始化。采集402是对LVDT产生的电压信号进行实时采集，采集精度高达0.001V。物理量转换403是对采集来的无量纲值赋予物理意义，并做线性转换。控制模式404是用于选择控制的方式包括开环工作状态和闭环控制状态。PID算法405是在控制模式为闭环时，将当前位移量和输入位移作比较，做PID运算后输出控制电压。控制程序406是输出控制电压转化为驱动电压，输出至数据采集卡ADT880。在实施例中，PID参数选用P=0.05～1.03I=0.001～0.312D=0.001～0.11能够满足要求。

功率驱动模块5将接收到的电压信号转换为连续变化的电流信号，并将其输出至电液伺服阀，驱动电液伺服阀从而调节系统流量。

功率驱动模块5主要包括电源电路501、功率放大电路502和正负控制切换电路503。

电源电路501用于为功率驱动模块5提供工作电源，包括第一套±15VDC电源和第二套±15VDC电源。第一套±15VDC电源为功率放大电路502的放大芯片U1提供工作电源，分别于放大芯片U1的电源脚4和7相连。第二套±15VDC电源是为继电器JDQ提供工作电源，分别与继电器JDQ的控制端子3脚、4脚和5脚连接。在实施例中，放大芯片选用OP07，JDQ选用双刀双掷继电器。

功率放大电路502主要功能是将隔离转换模块3的电压信号，通过功率放大后，输出工作电流。包括放大芯片U1、第一功率管Q1、第二功率管Q2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一电阻R1和第二电阻R2。放大芯片U1的输出6脚与第一二极管D1、第二二极管D2连接，并分别连接至第一功率管Q1和第二功率管Q2的基级1脚。第一功率管Q1和第二功率管Q2的集电极2脚连接，并分别于第三二极管D3、第四二极管D4相连。第一电阻R1一端与放大芯片U1的输入2脚连接，另一端与第二电阻R2、第一功率管Q1和第二功率管Q2的射级3脚连接。在实施例中，放大芯片U1选用OP07、第一功率管Q1选用IRF620、第二功率管Q2选用IRF9620、第一二极管D1选用IN5406、第二二极管D2选用IN5406、第三二极管D3选用IN5406、第四二极管D4选用IN5406、第一电阻R1=100Ω和第二电阻R2=(5～100)Ω。

正负控制切换电路503主要功能是对输出电流起控制作用。该部分电路主要由继电器JDQ构成。继电器JDQ的线圈1和2脚与数据采集模块4的控制电压连接，继电器JDQ的触点3、4和5脚与电液伺服阀相连。

Claims (6)

1.一种为飞机发动机提供正负恒流源的通用闭环控制系统，其特征是，包括电源模块（1）、高精度测量模块（2）、隔离转换模块（3）、数据采集模块（4）以及功率驱动模块（5）组成，其中，

电源模块用于将220VAC交流电源转换为不同的直流电压，用于为高精度测量模块（2）、隔离转换模块（3）、数据采集模块（4）以及功率驱动模块（5）提供工作电源；高精度测量模块（2）为LVDT提供激励信号，并采集LVDT当前位置信号，将其输出至隔离转换模块（3）；

隔离转换模块（3）将接收到的LVDT当前位置信号进行光耦隔离，提高信号的精度，去除干扰信号，并将其输出至数据采集模块（4）；同时，还对数据采集模块（4）输出的电压信号进行光耦隔离，提高信号的精度，去除干扰信号，并将其输出至功率驱动模块（5）；

数据采集模块（4）将接收到的LVDT当前位置模拟信号转换为数字信号，并读取LVDT当前位置值，将其与给定位置进行比较，根据比较结果进行PID运算，将运算结果以电压信号方式通过隔离转换模块（3）输出至功率驱动模块（5）；

功率驱动模块（5）将接收到的电压信号转换为电流信号，并将其输出至电液伺服阀，驱动该阀调节系统流量。

2.如权利要求1所述的一种为飞机发动机提供正负恒流源的通用闭环控制系统，其特征是，所述的电源模块（1）主要功能是将交流电220VAC转换成稳定、可靠的直流电压，分别为高精度测量模块（2）提供±15VDC工作电源，为隔离转换模块（3）提供±12VDC工作电源，为数据采集模块（4）提供24VDC工作电源，为功率驱动模块（5）提供±15VDC和5VDC工作电源。

3.如权利要求1所述的一种为飞机发动机提供正负恒流源的通用闭环控制系统，其特征是，所述的高精度测量模块（2）电路结构共分为5部分，即激励信号产生电路（201）、外围调理电路（202）、核心处理芯片（203）、调理和反馈电路（204）以及信号放大电路（205）；

激励信号产生电路（201）用于产生固定频率和幅值的激励信号；包括第一电容C1用于控制LVDT的初级线圈激励信号的频率，第一电阻RP1用于控制LVDT的初级线圈激励信号的幅值；第一电容C1与核心处理芯片（203）的频率设定脚6和脚7连接，第一可调电阻RP1通过第一电阻R1串联后，与与核心处理芯片（203）的幅值设定脚4和5连接；

外围调理电路（202）用于将高精度测量模块2提供±15VDC工作电源进行调理、稳压；包括第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7以及第八电容C8；第五电容C5与第六电容C6并联，并与第七电容C7与第八电容C8并联后进行串联，两端分别接入核心处理芯片（203）的电源脚；

核心处理芯片（203）在激励信号产生电路（201）的控制下，产生固定频率和幅值的激励信号送入LVDT初级线圈，接收LVDT次级线圈信号，并转换成为直流信号输出至调理和反馈电路（204）；该芯片可选用AD598或AD698芯片，选用AD598芯片时，激励信号2脚和3脚与LVDT初级线圈相连接，接收信号10脚和11脚与LVDT次级线圈相连，输出信号16脚与调理和反馈电路（204）相连；

调理和反馈电路（204）是将LVDT的直线位移量转换为线性对应的直流电压值，能够提高高精度测量模块2的测量精度，降低输出阻抗；包括第二可调电阻RP2、第二电阻R2、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4；第二可调电阻RP2与第二电阻R2串联，通过输出滤波的第四电容C4后，与核心处理芯片（203）的输出信号16脚进行连接；第二电容C2与核心处理芯片（203）的滤波输出信号8脚和9脚并联，第三电容C3与核心处理芯片（203）的滤波输出信号12脚和13脚并联；

信号放大电路（205）是用于放大调理和反馈电路（204）的直流电压值，还可以控制输出直流电压信号的零点偏移量；包括第三可调电阻RP3、第三电阻R3、第四可调电阻RP4和第四电阻R4；第三可调电阻RP3和第三电阻R3串联，第四可调电阻RP4和第四电阻R4串联，分别与核心处理芯片（203）的零点偏移脚18和19脚相连。

4.如权利要求1所述的一种为飞机发动机提供正负恒流源的通用闭环控制系统，其特征是，所述的隔离转换模块（3）包括第一级信号放大电路（301）、光耦隔离电路（302）和第二级放大电路（303）；

第一级信号放大电路（301）用于将高精度测量模块（2）的当前位置信号进行放大，提高电路输出阻抗；包括放大芯片OP27、第一可调电阻RP1和第一电容C1；第一可调电阻RP1与放大芯片OP27的输入2脚相连，第一电容C1与放大芯片OP27的输入2脚和输出3脚进行并联；

光耦隔离电路（302）用于将第一级信号放大电路（301）的信号进行光耦隔离，有效阻止前级电路带来的各种杂波和干扰信号；包括第二电阻R2和光耦隔离芯片LOC110；第二电阻R2与光耦隔离芯片LOC110的输入2脚串联；

第二级放大电路（303）用于将光耦隔离电路（302）处理后的信号进行放大，隔离前后的地信号GA和GB不共用，降低输入阻抗，提高输出阻抗；包括放大芯片OP27、第二电容C2、第三可调电阻RP3、第三电阻R3；第三可调电阻RP3与第三电阻R3串联，与第二电容C2并联，与放大芯片OP27的输入2脚和输出6脚进行并联。

5.如权利要求1所述的一种为飞机发动机提供正负恒流源的通用闭环控制系统，其特征是，所述的数据采集模块（4）由核心处理芯片PC104和数据采集卡ADT880共同组成；核心处理芯片PC104的主要功能是将采集来的LVDT电压信号进行物理量的转换，并进行逻辑处理，判断模式的状态后，在闭环状态下进行PID运算，再将指令传送至数据采集卡ADT880，从而输出电压信号控制功率驱动模块（5）。

6.如权利要求1所述的一种为飞机发动机提供正负恒流源的通用闭环控制系统，其特征是，所述的功率驱动模块（5）主要包括电源电路（501）、功率放大电路（502）和正负控制切换电路（503）；

电源电路（501）用于为功率驱动模块（5）提供工作电源，包括第一套±15VDC电源和第二套±15VDC电源；第一套±15VDC电源为功率放大电路（502）的放大芯片U1提供工作电源，分别于放大芯片U1的电源脚4和脚7相连；第二套±15VDC电源是为继电器JDQ提供工作电源，分别与继电器JDQ的控制端子3脚、4脚和5脚连接；

功率放大电路（502）主要功能是将隔离转换模块（3）的电压信号，通过功率放大后，输出工作电流；包括放大芯片U1、第一功率管Q1、第二功率管Q2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一电阻R1和第二电阻R2；放大芯片U1的输出（6）脚与第一二极管D1、第二二极管D2连接，并分别连接至第一功率管Q1和第二功率管Q2的基级1脚；第一功率管Q1和第二功率管Q2的集电极2脚连接，并分别于第三二极管D3、第四二极管D4相连；第一电阻R1一端与放大芯片U1的输入2脚连接，另一端与第二电阻R2、第一功率管Q1和第二功率管Q2射级3脚连接；

正负控制切换电路（503）主要功能是对输出电流起控制作用；该部分电路主要由继电器JDQ构成；继电器JDQ的线圈1脚和2脚与数据采集模块（4）的控制电压连接，继电器JDQ的触点3脚、4脚和5脚与电液伺服阀相连。

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