CN106005398B - 变桨距旋翼机油门桨距自动配合控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了变桨距旋翼机油门桨距自动配合控制方法，在定高飞行中，获得当前转速和总桨距，根据已经测的关系得到当前估算升力，然后根据计算所得的旋翼转速‑升力，和旋翼转速‑扭矩关系表，得到当前升力下最佳转速和扭矩关系，以最佳转速作为控制目标，通过反馈转速差控制油门大小，慢慢逼近当前最佳转速，同时由高度保持器调整桨距来调整升力，逐渐调整至最佳的转速油门关系。本发明飞行器使用变桨距机构实现升力改变，可时时自动调整油门与桨距之间的关系，不需人为干预；将油门桨距保持在一个较好较合理的范围内，使得控制系统的裕度增大，提高了保持定高飞行的效果；使得发动机输出功率最小的情况下得到最大的升力，从而提高燃油利用率。
Description
技术领域
本发明涉及变桨距飞行器控制系统设计领域，具体涉及一种变桨距旋翼机油门桨距自动配合控制方法。
背景技术
当前飞行器的发展，变桨距系统的优点有响应速度快，执行机构设计轻便等优点。变桨距飞行器越来越受到人们的重视，从直升机到变桨距多旋翼，各类变桨距飞行器成为飞行器设计的选择方案。
使用油机来驱动变桨距系统旋转是一种常用的动力配置方案，现有控制方法中，只有单独针对于发动机进行的油耗的优化发明设计，并没有针对变桨距类的飞行器的整套机构进行优化，使得整体设计达到降低油耗的发明设计。该发明通过对发动机状态与飞行状态的监测反馈，调整当前油门与桨距的配合关系，从而使变桨距飞行器在飞行时自动调整发动机到已设计的输出状态，达到降低油耗的目的。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种变桨距旋翼机油门桨距自动配合控制方法，该方法包括一套根据当前状态估算最佳转速查表方法，一套根据最佳转速和当前转速差，并加入补偿的调整发动机油门的控制算法，一套对应的变桨距定高飞行控制方法；通过发动机与桨距的配合，达到升力一定，油耗最低的效果，适用于所有变桨距类型飞行器的油耗控制问题，包括直升机和变桨距多旋翼。
为实现上述目的，本发明控制方法采取的技术方案为：
变桨距旋翼机油门桨距自动配合控制方法，包括如下步骤：
S1、飞行器起飞后，通过转速传感器检测当前桨距和发动机输出转速，输入到发动机控制模块，发动机控制模块通过这两个数据估算当前升力：
L＝f(ω，α)；
式中，ω为发动机输出转速；α为桨距；L为产生的升力；
S2、根据当前估算得到的升力，又同时已知
T＝g(ω，α)；
式中，ω为发动机输出转速；α为桨距；T为发动机输出扭矩；
得最佳的转速和桨距配合关系：min{P}，P＝Tω；
式中，ω为发动机输出转速；P为当前发动机输出功率；T为发动机输出扭矩；
得预期最小功率下的最佳转速为ωbest；
S3、发动机控制模块通过最佳转速ωbest和转速偏差进行发动机油门控制，并通过桨距和桨距偏差进行发动机控制的补偿，将转速控制到最佳转速，同时通过高度传感器进行高度数据的检测，检测数据输入至高度控制器，高度控制器将高度和高度变化率控制到目标高度和目标高度变化率，并输出桨距变化信号，桨距执行机构将桨距按照桨距变化信号调整到较好的位置上。
其中，步骤S3中的具体补偿策略为：桨距增大，增大油门，桨距减小，减小油门；桨距偏差为正，增大油门，桨距偏差为负，减小油门；
控制策略为：
其中，Δω＝ωbest-ωnow；ωC为发动机控制信号；ωbest期望的最佳转速；ωnow当前转速；Kp，Ki，Kd为根据实际发动机调整的参数。
其中，所述高度控制器通过以下控制方程进行桨距调整，从而改变当前升力以保持高度：
式中，Δh＝hT-hnow；hnow为当前高度；hT为目标高度；αC为输出桨距；Kp，Ki，Kd为根据实际发动机调整的参数。
配套的控制系统解决方案为：控制系统至少包括转速传感器、桨距控制机构(桨距控制机构带有反馈信号装置)、油门控制系统、飞行高度传感器、飞行高度保持控制器，当该套控制系统开始工作时，通过检测发动机转速，当前变桨距机构总桨距，油门输出量，在保持定高飞行的状态下，通过所述的控制方法不断调整油门输出量，直到达到目标转速，此时保持飞行定高，通过所述控制方法，使用变桨距机构将调整桨距到合适的位置上。在这种状态下，能达到控制发动机和整套变桨距机构达到较为节油的状态。飞行器使用变桨距机构实现升力改变，使用化石燃料发动机作为动力输出；执行机构为伺服机构或执行机构可以返回总桨距关系；高度控制部分需要高度传感器，如气压计，超声波。飞行控制系统得到高度和高度变化率，通过改变桨叶螺距，改变升力大小，来达到调整高度，保持飞行高度的目的。发动机需要油门控制装置，飞行中可自动调整油门与桨距的关系。所述转速传感器为霍尔传感器、发电机测角仪中的一种。所述发动机控制模块使用数字电路或模拟电路搭建，或使用微传感器。所述高度传感器为气压计、超声波高度检测装置或者视觉高度检测装置中的一种。
本发明具有以下有益效果：
飞行器使用变桨距机构实现升力改变，可时时自动调整油门与桨距之间的关系，不需要人为干预；通过改变桨叶螺距，改变升力大小，来达到调整高度，保持飞行高度的目的；将油门桨距保持在一个较好较合理的范围内，使得控制能力的裕度增大，提高了保持定高飞行的效果；较好的保持发动机转速，减少了发动机转速变化带来的震荡；使得发动机输出功率最小的情况下得到最大的升力，从而提高燃油利用率，实现了节油效果。
附图说明
图1为本发明实施例变桨距旋翼机油门桨距自动配合控制方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下实施例，所使用的控制系统至少包括转速传感器、桨距控制机构(桨距控制机构带有反馈信号装置)、油门控制系统、飞行高度传感器、飞行高度保持控制器，当该套控制系统开始工作时，通过检测发动机转速，当前变桨距机构总桨距，油门输出量，在保持定高飞行的状态下，通过所述的控制方法不断调整油门输出量，直到达到目标转速，此时保持飞行定高，通过所述控制方法，使用变桨距机构将调整桨距到合适的位置上。在这种状态下，能达到控制发动机和整套变桨距机构达到较为节油的状态。飞行器使用变桨距机构实现升力改变，使用化石燃料发动机作为动力输出；执行机构为伺服机构或执行机构可以返回总桨距关系；高度控制部分需要高度传感器，如气压计，超声波。飞行控制系统得到高度和高度变化率，通过改变桨叶螺距，改变升力大小，来达到调整高度，保持飞行高度的目的。发动机需要油门控制装置，飞行中可自动调整油门与桨距的关系。
实施例
如图1所示，一种变桨距旋翼机油门桨距自动配合控制方法包括如下步骤：
步骤一、飞行器起飞后，通过转速传感器检测当前桨距和发动机输出转速，转速传感器可以为霍尔传感器，自整角机(发电机测角器)等，并将检测到的数据输入到“转速桨距关系表”中，并通过这两个数据估算当前升力：
L＝f(ω，α)；
式中，ω为发动机输出转速；α为桨距；L为产生的升力；
通过函数关系以及实测当前使用的发动机，做成转速、桨距关系表。该关系表大致如下
| 转速(r/min)\桨距(度) | 0 | 1 | … |
| 1000 | Xx | xx | … |
| 1200 | Xx | xx | … |
| … | …. | … | … |
通过此表可插值得到当前升力，插值运算在微控制器中运算得到。
步骤二、根据当前估算得到的升力，又同时已知
T＝g(ω，α)；
式中，ω为发动机输出转速；α为桨距；T为发动机输出扭矩；
得最佳的转速和桨距配合关系：
min{P}，P＝Tω
式中，ω为发动机输出转速；P为当前发动机输出功率；T为发动机输出扭矩；
| 转速(r/min)\扭矩(Nm) | 0 | 0.1 | … |
| 1000 | Xx | xx | … |
| 1200 | Xx | xx | … |
| … | …. | … | … |
得预期最小功率下的最佳转速为ωbest；
步骤三、通过最佳转速ωbest和转速偏差进行发动机控制，并通过桨距和桨距偏差进行发动机控制的补偿，将转速控制到最佳转速，具体补偿策略为：
桨距增大，增大油门，桨距减小，减小油门；
桨距偏差为正，增大油门，桨距偏差为负，减小油门；
主要控制策略为
其中，Δω＝ωbest-ωnow；ωC为发动机控制信号；ωbest期望的最佳转速；ωnow当前转速；Kp，Ki，Kd为根据实际发动机调整的参数。
所述桨距和浆距偏差通过以下步骤或得：
(1)、控制信号进入发动机后，发动机转速将向目标的最佳转速变化，此时，测得当前发动机转速，并进行反馈；
(2)、当转速出现变化时，整个机体动力系统受到影响，将发生高度和高度变化率的改变。通过气压计或超声波等测定高度和高度变化率，进行反馈。
(3)原有的定高飞行控制器4将按照目标高度和高度变化率与当前高度和高度变化率做差，通过桨距调整改变当前升力，自动减小其差距，到达合适的大小以保持高度。
其控制方程为：
其中，Δh＝hT-hnow；hnow为当前高度；hT为目标高度；αC为输出桨距；Kp，Ki，Kd为根据实际发动机调整的参数。
(4)桨距变化机构得到控制信号后将桨距调整至控制信号期望的位置，并将当前的的桨距变化信号反馈到前述的发动机控制器2中。
(5)不断重复(2)-(5)的过程，这样就将飞行器控制在设计好的转速和桨距状态下，达到了减小油耗的目的。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.变桨距旋翼机油门桨距自动配合控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、飞行器起飞后，通过转速传感器检测当前桨距和发动机输出转速，输入到发动机控制模块，发动机控制模块通过这两个数据估算当前升力：
L＝f(ω，α)；
式中，ω为发动机输出转速；α为桨距；L为产生的升力；
S2、根据当前估算得到的升力，又同时已知
T＝g(ω，α)；
式中，ω为发动机输出转速；α为桨距；T为发动机输出扭矩；
得最佳的转速和桨距配合关系：min{P}，P＝Tω；
式中，ω为发动机输出转速；P为当前发动机输出功率；T为发动机输出扭矩；
得预期最小功率下的最佳转速为ωbest；
S3、发动机控制模块通过最佳转速ωbest和转速偏差进行发动机油门控制，并通过桨距和桨距偏差进行发动机控制的补偿，将转速控制到最佳转速，同时通过高度传感器进行高度数据的检测，检测数据输入至高度控制器，高度控制器将高度和高度变化率控制到目标高度和目标高度变化率，并输出桨距变化信号，桨距执行机构将桨距按照桨距变化信号调整到较好的位置上。
2.根据权利要求1所述的变桨距旋翼机油门桨距自动配合控制方法，其特征在于，步骤S3中的具体补偿策略为：桨距增大，增大油门，桨距减小，减小油门；桨距偏差为正，增大油门，桨距偏差为负，减小油门；
控制策略为：
<mrow>
<msub>
<mi>&omega;</mi>
<mi>C</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>K</mi>
<mi>p</mi>
</msub>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>&omega;</mi>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>K</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>&Integral;</mo>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>&omega;</mi>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>K</mi>
<mi>d</mi>
</msub>
<mfrac>
<mrow>
<mi>d</mi>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>&omega;</mi>
</mrow>
<mrow>
<mi>d</mi>
<mi>t</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中，Δω＝ωbest-ωnow；ωC为发动机控制信号；ωbest期望的最佳转速；ωnow当前转速；Kp，Ki，Kd为根据实际发动机调整的参数。
3.根据权利要求1所述的变桨距旋翼机油门桨距自动配合控制方法，其特征在于，所述转速传感器为霍尔传感器、发电机测角仪中的一种。
4.根据权利要求1所述的变桨距旋翼机油门桨距自动配合控制方法，其特征在于，所述发动机控制模块使用数字电路或模拟电路搭建，或使用微传感器。
5.根据权利要求1所述的变桨距旋翼机油门桨距自动配合控制方法，其特征在于，所述高度传感器为气压计、超声波高度检测装置或者视觉高度检测装置中的一种。
6.根据权利要求1所述的变桨距旋翼机油门桨距自动配合控制方法，其特征在于，所述高度控制器通过以下控制方程进行桨距调整，从而改变当前升力以保持高度：
<mrow>
<msub>
<mi>&alpha;</mi>
<mi>C</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>K</mi>
<mi>p</mi>
</msub>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>h</mi>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>K</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>&Integral;</mo>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>h</mi>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>K</mi>
<mi>d</mi>
</msub>
<mfrac>
<mrow>
<mi>d</mi>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>h</mi>
</mrow>
<mrow>
<mi>d</mi>
<mi>t</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>;</mo>
</mrow>
式中，Δh＝hT-hnow；hnow为当前高度；hT为目标高度；αC为输出桨距；Kp，Ki，Kd为根据实际发动机调整的参数。
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