CN107916998A - 一种微型涡轮发动机分布式控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种微型涡轮发动机控制系统，包括主控制器、多个子控制器和存储器，所述主控制器通过I2C总线与所述子控制器相连；所述存储器与所述主控制器相连，每个所述子控制器连接有一个执行机构或传感器，所述执行机构和所述传感器的另一端与微型涡轮发动机相连。本发明将分布式控制思想应用于微型涡轮发动机控制系统，形成多控制器微型涡轮发动机控制系统，可控制复杂多样的装置，采集并分析发动机的多种参数，提高了控制系统的可靠性和实时性。
Description
技术领域
本发明属于微型涡轮发动机控制领域，具体涉及一种微型涡轮发动机分布式控制系统。
背景技术
工业现场控制随着通信、微处理器、微电子学等技术的进步而不断进步，20世纪80年代微处理器被嵌入到各种仪器设备中形成了分布式控制系统。这种分布式控制系统经历了若干发展阶段，从集散控制系统、现场总线控制系统到智能控制、维护、管理集成系统，控制单元日益智能化，控制的方式日益向多智能控制单元协同工作模式发展。分布式控制系统是分级递阶的控制系统，它的主要特点是集中管理和分散控制。通过功能分层、分散危险可以提高系统的可靠性和应用灵活性。
国内分布式控制的研究主要集中在大、中型商用发动机上，暂时未见有关微型涡轮发动机分布式控制的研究成果报道。事实上，微型涡轮发动机采用集中式控制，即所有的控制信号以及反馈信号都由一个控制器控制，导致控制器功能复杂，体积较大，接入的信号多且存在彼此影响干扰的现象。当控制器出现故障时，各执行机构不能自主作出调整，引起发动机运行故障乃至发生安全事故。
对于分布式控制系统的实际应用，《基于CAN总线的分布式发动机控制系统设计》(作者：王贵建哈尔滨工程大学)基于CAN总线构建了一个分布式控制系统，来控制4R90GZ/Y1斯特林热电供机组，证明了分布式控制系统的可靠性。近年对于微型涡轮发动机控制的研究有很多，基本都是利用高性能的ARM芯片设计的集中式控制器，例如《微型涡喷发动机电子控制器设计技术研究》(作者：谢伟南京航空航天大学，江苏南京，2013)。该种系统的控制器接入的传感器和执行机构的线缆较多，信号之间的相互影响，电路设计难度大。
发明内容
鉴于上述现有技术中存在的不足，本发明提供一种微型涡轮发动机分布式控制系统，将分布式控制思想应用于微型涡轮发动机控制系统，解决了集中控制模式下控制器接口复杂、可维护性差以及信号间互相干扰的问题。
本发明的技术方案是：一种微型涡轮发动机分布式控制系统，包括主控制器、多个子控制器和存储器，所述主控制器通过I2C总线与所述子控制器相连；所述存储器与所述主控制器相连，每个所述子控制器连接有一个执行机构或传感器，所述执行机构和所述传感器的另一端与微型涡轮发动机相连。
在另一些情况下，还包括上位机或遥控器，所述上位机与所述主控制器通过RS232进行通信连接，用于使主控制器产生控制发动机运行状态的PWM信号和控制发动机起停的信号。
优选的，所述执行机构为油泵、电机、点火器、起动阀和油阀。
优选的，所述传感器为温度传感器、转速传感器、流量传感器和/或推力传感器。
优选的，所述存储器为Flash存储芯片。
本发明的有益效果：1、将分布式控制思想应用于微型涡轮发动机控制系统，形成多控制器微型涡轮发动机控制系统，可控制复杂多样的装置，采集并分析发动机的多种参数，可主动对控制策略进行调整；2、利用Flash存储芯片可以存储发动机运行30min以上的数据量，方便了对发动机运行状况的离线分析；3、利用总线通信，减少了控制系统的线缆数量，降低了控制器的设计要求，同时，提高了控制系统的可靠性和实时性。
附图说明
图1为本发明实施例微型涡轮发动机分布式控制系统的架构图；
图2为本发明微型涡轮发动机分布式控制系统的又一实施例结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。
实施例1
如图1所示，微型涡轮发动机控制系统从左至右包括上位机或遥控器、主控制器、存储器、若干个独立的子控制器，每个子控制器后连接有执行机构或传感器，执行机构或传感器与微型涡轮发动机相连，存储器与主控制器双向相连，主控制器可以随时存取数据。主控制器与上位机通过RS232总线连接，用来控制主控制器的启停和产生PWM信号,且上位机可显示数据。主控制器和子控制器之间通过I2C总线连接。在一些实施方式中，也可以没有上位机或遥控器，而在主控制器上设置操作面板进行控制。执行机构通常包括油泵、电机、点火器、起动阀和油阀，传感器通常为温度传感器、转速传感器、流量传感器和推力传感器的至少一种。存储器通常为Flash芯片。
主控制器通过I2C总线向目标子控制器发送指令，该子控制器控制相应的执行机构动作，或控制传感器采集微型涡轮发动机实时运行状态参数，将参数通过总线发送给主控制器。子控制器拥有一定的自主性，比如传感器接入状态显示，紧急状态的判断和预处理。
采用FLASH存储芯片保存微型涡轮发动机实时运行状态数据，可以存储发动机运行30min以上的数据量，方便了对发动机运行状况的离线分析。
通过I2C总线实现主控制器和子控制器之间通信，减少了控制系统的线缆数量，降低了控制器的设计要求，也提高了控制系统的可靠性和实时性。
实施例2
如图2所示，通过遥控器控制主控制器运行，Flash存储芯片位于主控制器内，主控制器通过I2C总线控制两个子控制器，分别是油泵控制器和前罩控制器。主控制器通过ARM芯片输出PWM信号来控制驱动电路从而控制电机和点火器驱动电路模块的开断。理论上这两个执行机构的驱动电路放在前罩控制器上更合适。但为了使前罩控制器体积足够小以便能够装在发动机内部，此外由于电机和点火器的所需的驱动电流较高，能达到3A以上，同时PWM输出控制，产生的干扰较大，所以为了电路设计方便，电机和点火器驱动电路放在主控制器上。
油泵控制器负责控制油泵的开关和油泵供油量的大小；前罩控制器控制起动阀和油阀的开断。传感器测得的数据主要用于判断当前发动机的状态，以便下一步的动作。这里用到的传感器主要是温度传感器和转速传感器，其他可能用到的还有流量传感器、推力传感器。
本实施例的工作过程是这样的：按照时序，首先遥控器发出自动启动信号，主控制器开始判断发动机当前所处的状态，满足起动要求，则发出指令给控制电机转动，点火器开启，起动阀打开，油泵输出较小的供油量；检测转速和温度的变化，当达到设定的温度时，增加供油量，打开油阀，判断转速和温度是否达到目标值，达到后关闭点火器和起动阀；继续增加供油量，当转速达到目标值时关闭电机。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
Claims (5)
1.一种微型涡轮发动机分布式控制系统，其特征在于：包括主控制器、多个子控制器和存储器，所述主控制器通过I2C总线与所述子控制器相连；所述存储器与所述主控制器相连，每个所述子控制器连接有一个执行机构和/或传感器，所述执行机构和所述传感器的另一端与微型涡轮发动机相连。
2.根据权利要求1所述的微型涡轮发动机分布式控制系统，其特征在于：还包括上位机或遥控器，所述上位机与所述主控制器通过RS232进行通信连接，用于使主控制器产生控制发动机运行状态的PWM信号和控制发动机起停的信号。
3.根据权利要求1所述的微型涡轮发动机分布式控制系统，其特征在于：所述执行机构为油泵、电机、点火器、起动阀和油阀。
4.根据权利要求1所述的微型涡轮发动机分布式控制系统，其特征在于：所述传感器为温度传感器、转速传感器、流量传感器和/或推力传感器。
5.根据权利要求1所述的微型涡轮发动机分布式控制系统，其特征在于：所述存储器为Flash存储芯片。
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