CN105649782B - 一种微/小型喷气发动机燃油控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微/小型喷气发动机燃油控制系统及控制方法，系统包括上位机、下位机、人工交互界面、无线传输设备、飞行器环境监测模块、伺服驱动模块、发动机转速反馈设备、微/小型发动机燃油系统。方法包括：下位机输入对应型号发动机的控制规律，人机交互界面将飞行器飞行参数传输至上位机，上位机将飞行器飞行参数传输至下位机，下位机将该值分别与实际参数值比较，连同空气温度和压力按照发动机控制规律，产生目标发动机转速信号；将目标发动机转速信号与目标发动机转速比较，输出脉宽调制信号PWM，控制驱动电路，驱动电路调节齿轮泵转速来精确控制燃油流量。本发明控制方法系统科学、简单便捷，采用嵌入式技术实现智能化、小型化。
Description
技术领域
本发明属于航空航天控制领域，特别涉及一种微/小型喷气发动机燃油控制系统及控制方法，同时还涉及嵌入式技术、无线控制和传输技术、伺服驱动技术、传感器技术以及泵类，特别适用于无人微/小型航空飞行器的动力装置。
背景技术
微/小型航空飞行器(比如微/小型无人机)的设计需要遵循体积小、速度快、高度范围变化大等特殊技术指标，要求其动力装置结构简单。目前国内外微/小型航空飞行器的动力装置主要以活塞发动机和燃气涡轮发动机为主。活塞发动机适用于低速、低空以及起飞重量小的飞行器。对于速度、高度、质量都较高的飞行器而言，燃气涡轮发动机是最合适的动力装置。微/小型喷气发动机具有相对较小、油耗低、加速快、经济性优良等特征，广泛应用于各种微/小型航空飞行器。燃油控制系统主要由燃油系统和控制器组成，是微/小型喷气发动机的重要组成部分，其功能主要是以适合燃烧的形式向发动机提供燃油，并且要求按照启动、停车、加减速以及适合飞行包线的所有工作状态下稳定运转所需油量精确控制燃油流量。
典型的涡轮喷气发动机基本上都包括一台高压油泵，各种油门控制器，多个燃油喷嘴以及一定数量的传感器装置，此外还包括一些辅助功能，比如滑油冷却和液压等。发动机的燃油系统庞大、控制系统繁琐，涉及功能多，重量比较大，增加了对推力的要求。
典型的涡轮喷气发动机燃油控制系统的执行机构主要为机械液压式供油调节装置，其结构复杂、加工成本高、易出现故障，不能满足微/小型发动机控制技术的发展需求这一现状。
现有的涡轮喷气发动机燃油泵以柱塞泵为主，全部采用由发动机转子经过传动机构的带动来运转。带泵发动机的控制模型以转速作为被控制量，以燃油泵调节机构的位置作为输入量，并非以供油量为输入量。虽然控制模型为一阶惯性环节，但是带泵发动机的时间常数大，动态性能差。
现有技术存在难以准确控制油门开关的问题，需要通过计量油针来辅助控制油流量，导致燃烧室内油气与空气的压比存在比较大的稳态误差，燃烧不稳定，油耗高。而且要求的飞行速度越快，推重比越高、油耗越大、振动和噪声越强烈。
发明内容
针对上述背景技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种微/小型喷气发动机燃油控制系统及控制方法，用于解决现有技术中燃油系统体积大、燃烧不充分、油耗高，控制系统与机械液压调节装置结构复杂、调节精度低、维修困难，以及燃油泵必须由发动机转子经过传动机构带动导致动态性能差等问题。采用本发明的系统能够大大减少机械液压调节装置，减少大量传感器设备，提高控制精度，实现小型化、简单化、嵌入式。
为了实现上述技术方案，本发明采取如下技术解决方案：
一种微/小型喷气发动机燃油控制系统，至少包括地面控制系统和通过无线传输设备连接的飞行器系统，其中：
地面控制系统，包括上位机和人机交互界面以及无线传输设备，用于设定飞行器目标飞行参数，显示飞行器发动机状态参数；
飞行器系统，包括：
下位机，嵌入于飞行器中，用于实现与上位机通讯，对设定值、实测值和反馈值进行分析，并输出脉宽调制信号PWM；
无线传输设备，用于实现上位机和下位机的相互通讯；
飞行器环境监测模块，包括机载导航仪、温度传感器和压力传感器，用于监测飞行器的飞行高度、飞行速度、空气温度和空气压力，将环境信号发送至下位机；
伺服驱动模块，包括驱动电路和伺服电机，用于驱动发动机燃油系统齿轮泵对发动机燃烧室注油；
微/小型发动机燃油系统，包括恒压油箱、输油管、燃油喷嘴和齿轮泵，用于按照飞行需求给航空发动机提供定量燃油；
发动机转速反馈设备，用于反馈发动机转速信号；
所述地面控制系统通过无线传输设备与飞行器的下位机相连，下位机分别连接飞行器环境监测模块、伺服驱动模块和发动机转速反馈设备，伺服驱动模块和发动机转速反馈设备分别连接微/小型发动机燃油系统，通过地面控制系统控制飞行器下位机输出控制信号，并通过伺服驱动模块对微/小型发动机燃油系统提供定量燃油。
进一步，所述伺服电机与微/小型发动机燃油系统的齿轮泵连接，齿轮泵与发动机转子传动机构分离，由伺服电机控制；齿轮泵分别连接恒压油箱和发动机燃油喷嘴，微/小型发动机燃油系统的涡轮与发动机转速反馈设备相连。
进一步，所述飞行器目标飞行参数包括目标飞行器飞行高度和目标飞行速度以及其他过渡态参数。
进一步，所述发动机过渡态参数包括启动、停车、加速、减速和加力。
进一步，所述飞行器发动机状态参数包括飞行器实际飞行高度、飞行器实际飞行速度和发动机转速。
进一步，所述下位机上设有用于接入相对应型号的发动机控制规律的发动机飞行控制规律接口。
相应地，本发明给出了一种微/小型喷气发动机燃油控制方法，包括下述步骤：
1)给下位机输入对应型号发动机的控制规律；
2)通过人机交互界面设定包括目标飞行高度和目标飞行速度飞行器飞行参数，将飞行器飞行参数传送至上位机；
3)经过无线传输设备加密，上位机将飞行器飞行参数传递至下位机；
4)下位机将目标飞行高度和目标飞行速度分别与实际飞行高度和实际飞行速度比较，下位机根据比较值连同空气温度和空气压力按照发动机控制规律，产生目标发动机转速信号；
5)利用发动机转速反馈设备将发动机涡轮转速信号传输至下位机，与目标发动机转速比较，下位机根据比较值输出脉宽调制信号PWM，控制驱动电路，实现闭环控制；
6)驱动电路通过伺服电机控制主被控对象—齿轮泵按照飞行需求调节齿轮泵转速来精确控制燃油流量；
7)下位机将飞行器的实际运行状态发送给上位机，上位机将信息传输至人机交互界面，显示飞行器发动机状态参数。
进一步，所述步骤4)中，下位机将飞行器设定的飞行参数与飞行器环境监测模块监测的外界飞行环境比较，产生目标发动机转速nr：
nr＝nr{hr(t)-h(t),Vr(t)-V(t),C(t),p(t)} (1)
公式为非线性函数，式中，hr为目标飞行高度；h为实际飞行高度；Vr为目标飞行速度；V为实际飞行速度；C为飞行器所处环境的温度；p为飞行器所处环境的压强；
假设微/小型发动机只在原平衡状态作小偏离运动，对函数作线性化处理，则目标发动机转速nr表达式可以表示为：
式中，nr0为原平衡状态目标发动机转速，Δnr为相对于原平衡状态目标发动机转速的偏移量，Δh为相对于原平衡状态实际飞行高度的偏移量，ΔV为相对于原平衡状态实际飞行速度的偏移量。
进一步，所述飞行器发动机状态参数通过机载导航仪对飞行器定位，测量飞行器实际飞行高度和飞行速度。
进一步，所述无线传输设备使用专用无线电频率控制，传输信号经过加密。
本发明系统科学、简单便捷，采用嵌入式技术实现智能化、小型化。本发明解决了微/小型喷气发动机燃油系统繁琐，控制系统复杂，重量大，推重比小的问题；解决了带泵发动机时间常数大，动态性能差的问题；本发明所涉及的无线传输设备采用专门的无线频率，传输信息经过加密，解决了飞行器安全保密的问题；采用本发明能大大提高燃油系统的控制精度，满足微/小型喷气发动机的控制要求。
附图说明
图1是本发明系统示意图。
图2是人机交互界面功能示意图。
图3是飞行器部分控制方法示意图。
图中：1、上位机；2、下位机；3、人机交互界面；4、无线传输设备；5、机载导航仪；6、温度传感器；7、压力传感器；8、飞行控制规律接口；9、发动机转速反馈设备；10、驱动电路；11、伺服电机；12、齿轮泵；13、恒压油箱。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，该微/小型喷气发动机燃油控制系统包括：地面控制系统和飞行器系统。其中：
地面控制系统包括上位机1和人机交互界面3以及无线传输设备4。上位机1包括一个单片机及其外围设备，用于实现与人机交互界面3的相互通讯，实现与下位机2通讯；人机交互界面3用于设置飞行器飞行高度和飞行速度以及其他过渡态参数，显示飞行器实际高度、实际速度和发动机当前转速。
飞行器系统包括下位机2、无线传输设备4、飞行器环境监测模块、发动机飞行控制规律接口8、发动机转速反馈设备9、伺服驱动模块和微/小型发动机燃油系统。其中：
下位机2，嵌入于飞行器中，包括一个单片机及其外围设备，用于实现与上位机1通讯，对设定值、实测值和反馈值进行分析，并输出脉宽调制信号PWM；无线传输设备4，用于实现上位机1和下位机2的相互通讯；飞行器环境监测模块，包括机载导航仪5、温度传感器6和压力传感器7，用于监测飞行器的飞行高度、飞行速度、空气温度和空气压力，将环境信号发送至下位机2；发动机飞行控制规律接口8，用于接入相对应型号的发动机控制规律；发动机转速反馈设备9，用于反馈发动机转速信号；伺服驱动模块，包括驱动电路10和伺服电机11，用于驱动齿轮泵12；微/小型发动机燃油系统，包括恒压油箱13、输油管、燃油喷嘴和齿轮泵12，用于按照飞行需求给航空发动机提供定量燃油。
其中，人机交互界面3与上位机1连接；上位机1通过无线传输设备4实现与下位机2的相互通讯。下位机2分别与机载导航仪5、温度传感器6、压力传感器7、驱动电路10以及发动机转速反馈设备9连接，下位机2设置有飞行控制规律接口8；伺服电机11与齿轮泵12连接，齿轮泵12分别连接恒压油箱13和发动机燃油喷嘴，微/小型发动机燃油系统的涡轮与发动机转速反馈设备9相连。
下位机2按照发动机控制规律分析飞行器的外界飞行环境(主要包括飞行高度、飞行速度、大气温度、大气压力)和设定的飞行参数(主要包括设定飞行高度和飞行速度)，比较反馈的发动机转速信号，输出脉宽调制波形控制伺服驱动模块。
系统的无线传输设备4使用专用无线电频率控制，传输信号经过加密。
机载导航仪5对飞行器定位，用于测量飞行器实际飞行高度和飞行速度，温度传感器6用于监测外界大气温度，压力传感器7用于监测外界大气压强。
飞行控制规律接口8将对应型号而且包含飞行包线的发动机飞行控制规律输入下位机2。
齿轮泵12为主被控对象，燃油流量通过齿轮泵12的转速来控制。
齿轮泵12与发动机转子传动机构分离，由伺服电机11控制，其实施方式中去除油泵供油量对发动机转速的增益系数Kn的影响，其时间常数变小，动态性能提高。可以以供油量pf为输入量，发动机转速n为输出量建立数学模型，其微分运动方程：
式中，T为带泵发动机的时间常数，Te为不带泵发动机的时间常数，Ke为不带泵发动机的增益系数，Kn为油泵对发动机转速的增益系数。
如图2所示，人机交互界面3主要包括控制和显示两大功能，将设定的飞行器飞行参数传输至上位机1，并且监测飞行器发动机的状态参数。
其中，飞行器飞行参数主要包括目标飞行高度hr、目标飞行速度Vr以及启动、停车、加速、减速和加力等发动机过渡态参数；发动机状态参数包括飞行器实际飞行高度h、飞行器实际飞行速度V和发动机转速n。
如图3所示，为燃油控制系统飞行器部分的控制示意图，该示意图可以进一步说明微/小型喷气发动机燃油控制方法。本发明微/小型喷气发动机燃油控制方法，具体包括下述步骤：
1)给下位机2输入对应型号发动机的控制规律；
2)通过人机交互界面3设定目标飞行高度hr和目标飞行速度Vr，将目标信息传送至上位机1；
3)经过无线传输设备4加密，上位机1将目标信息传递至下位机2；
4)下位机将目标飞行高度hr与实际飞行高度h比较，目标飞行速度Vr与实际飞行速度V比较，比较值连同空气温度C和空气压力p按照发动机控制规律进行分析，产生目标发动机转速nr信号；
5)利用发动机转速反馈设备9将发动机涡轮转速n信号传输至下位机，与目标发动机转速nr比较，经过下位机执行机构输出脉宽调制信号PWM控制驱动电路10；
6)驱动电路10通过伺服电机11控制主被控对象—齿轮泵12，按照飞行需求调节齿轮泵12转速来精确控制燃油流量；
7)下位机2将飞行器的实际运动状态发送给上位机1，上位机1将信息传输至人机交互界面3，显示飞行器实际飞行高度h、实际飞行速度V和发动机涡轮转速n。
其中，下位机2将飞行器设定的飞行参数与飞行器环境监测模块监测的外界飞行环境比较，输出目标发动机转速nr，其表达式
nr＝nr{hr(t)-h(t),Vr(t)-V(t),C(t),p(t)} (3)
公式为非线性函数，假设微/小型发动机只在原平衡状态作小偏离运动，对函数作线性化处理，则目标发动机转速nr表达式可以表示为
式中，nr0为原平衡状态目标发动机转速，Δnr为相对于原平衡状态目标发动机转速的偏移量，Δh为相对于原平衡状态实际飞行高度的偏移量，ΔV为相对于原平衡状态实际飞行速度的偏移量。
从以上的描述中可以看出，本发明上述的实施方式实现了如下技术效果：
大大减少了微/小型发动机的重量，增加发动机的推力，提高了发动机性能；减小发动机燃油控制的时间常数，缩短了响应时间，增强动态性能；大大提高了控制精度，而且控制方法简单，便于优化。
以上所述，仅为本发明针对应用的一种具体实施方式，可以使本领域的技术人员更全面的理解本发明，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对以上实施方式所做的任何简单的修改和变更，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种微/小型喷气发动机燃油控制系统，其特征在于，该系统至少包括地面控制系统和通过无线传输设备连接的飞行器系统，其中：
地面控制系统，包括上位机和人机交互界面以及无线传输设备，主要用于设定飞行器目标飞行参数，显示飞行器发动机状态参数；
飞行器系统，包括：
下位机，嵌入于飞行器中，用于实现与上位机通讯，对设定值、实测值和反馈值进行分析，并输出脉宽调制信号PWM；
无线传输设备，用于实现上位机和下位机的相互通讯；
飞行器环境监测模块，包括机载导航仪、温度传感器和压力传感器，用于监测飞行器的飞行高度、飞行速度、空气温度和空气压力，将实测信号发送至下位机；
伺服驱动模块，包括驱动电路和伺服电机，用于驱动发动机燃油系统齿轮泵对发动机燃烧室注油；
微/小型发动机燃油系统，包括恒压油箱、输油管、燃油喷嘴和齿轮泵，用于按照飞行需求给航空发动机提供定量燃油；
发动机转速反馈设备，用于反馈发动机转速信号；
所述地面控制系统通过无线传输设备与飞行器的下位机相连，下位机分别连接飞行器环境监测模块、伺服驱动模块和发动机转速反馈设备，伺服驱动模块和发动机转速反馈设备分别连接微/小型发动机燃油系统，通过地面控制系统控制飞行器下位机输出控制信号，并通过伺服驱动模块对微/小型发动机燃油系统提供定量燃油；
所述伺服电机与微/小型发动机燃油系统的齿轮泵连接，齿轮泵与发动机转子传动机构分离，由伺服电机控制；齿轮泵分别连接恒压油箱和发动机燃油喷嘴，微/小型发动机燃油系统的涡轮与发动机转速反馈设备相连。
2.根据权利要求1所述的一种微/小型喷气发动机燃油控制系统，其特征在于，所述飞行器目标飞行参数包括飞行器目标飞行高度和目标飞行速度以及其他过渡态参数。
3.根据权利要求2所述的一种微/小型喷气发动机燃油控制系统，其特征在于，所述发动机过渡态参数包括启动、停车、加速、减速和加力。
4.根据权利要求1所述的一种微/小型喷气发动机燃油控制系统，其特征在于，所述飞行器发动机状态参数包括飞行器实际飞行高度、飞行器实际飞行速度和发动机涡轮转速。
5.根据权利要求1所述的一种微/小型喷气发动机燃油控制系统，其特征在于，所述下位机上设有用于接入相对应型号的发动机控制规律的发动机飞行控制规律接口。
6.一种微/小型喷气发动机燃油控制方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
1)给下位机输入对应型号发动机的控制规律；
2)通过人机交互界面设定包括目标飞行高度和目标飞行速度飞行器飞行参数，将飞行器飞行参数传送至上位机；
3)经过无线传输设备加密，上位机将飞行器飞行参数传输至下位机；
4)下位机将目标飞行高度和目标飞行速度分别与实际飞行高度和实际飞行速度比较，下位机根据比较值连同空气温度和空气压力按照发动机控制规律，产生目标发动机转速信号；
所述步骤4)中，下位机将飞行器设定的飞行参数与飞行器环境监测模块监测的外界飞行环境比较，产生目标发动机转速nr：
nr＝nr{hr(t)-h(t),Vr(t)-V(t),C(t),p(t)} (1)
公式为非线性函数，式中，hr为目标飞行高度；h为实际飞行高度；Vr为目标飞行速度；V为实际飞行速度；C为飞行器所处环境的温度；p为飞行器所处环境的压强；
假设微/小型发动机只在原平衡状态作小偏离运动，对函数作线性化处理，则目标发动机转速nr表达式可以表示为：
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式中，nr0为原平衡状态目标发动机转速，Δnr为相对于原平衡状态目标发动机转速的偏移量，Δh为相对于原平衡状态实际飞行高度的偏移量，ΔV为相对于原平衡状态实际飞行速度的偏移量；
5)利用发动机转速反馈设备将发动机涡轮转速信号传输至下位机，与目标发动机转速比较，下位机根据比较值输出脉宽调制信号PWM，控制驱动电路，实现闭环控制；
6)驱动电路通过伺服电机控制主被控对象—齿轮泵按照飞行需求调节齿轮泵转速来精确控制燃油流量；
7)下位机将飞行器的实际运行状态发送给上位机，上位机将信息传输至人机交互界面，显示飞行器发动机状态参数。
7.根据权利要求6所述的一种微/小型喷气发动机燃油控制方法，其特征在于，所述飞行器发动机状态参数通过机载导航仪对飞行器定位，测量飞行器实际飞行高度和飞行速度。
8.根据权利要求6所述的一种微/小型喷气发动机燃油控制方法，其特征在于，所述无线传输设备使用专用无线电频率控制，传输信号经过加密。
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