CN108454866B - 用于涡轮螺旋桨发动机的自动油门控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于涡轮螺旋桨发动机的自动油门控制，具体描述了用于在螺旋桨驱动式飞行器中提供自动油门模式的方法和系统。获得对应于发动机的实际推力与所期望的推力之间的差异的推力上的改变。当大于预定阈值时，确定对发动机的一个或多个控制输入的设定上的改变。输出一个或多个命令以导致所述（一个或多个）控制输入的设定上的改变。

Description

用于涡轮螺旋桨发动机的自动油门控制

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年2月22日提交的美国临时专利申请第62/461,918号的权益，所述专利申请的内容通过引用并入本文中。

技术领域

本公开一般地涉及将飞行器系统与动力装置系统（即，发动机和螺旋桨）之间的自动油门功能集成到螺旋桨驱动式飞行器中。

背景技术

以涡轮风扇发动机为动力的现代大型通勤飞行器包括在飞行管理方面的高水平的自动化。这包括自动驾驶仪、飞行指引仪、以及自动推力系统。在高端商用喷气飞行器中存在类似的系统。

处理构成涡轮螺旋桨动力装置系统（即，发动机和螺旋桨）的两个动力装置部件的增加的复杂性使得更加难以引入此类系统。因此，需要改进。

发明内容

依照第一广泛的方面，提供一种用于控制以至少一个燃气涡轮发动机为动力的螺旋桨驱动式飞行器的方法。所述方法包括：获得对应于至少一个发动机的实际推力与至少一个发动机的所期望的推力之间的差异的推力上的改变。当推力上的改变大于阈值时，确定对至少一个发动机的至少一个控制输入的设定上的改变。输出至少一个命令，以导致至少一个控制输入的设定上的改变。

依照另一个广泛的方面，提供一种用于螺旋桨驱动式飞行器的至少一个燃气涡轮发动机的自动油门系统。所述系统包括处理单元和非暂时性计算机可读存储器，非暂时性计算机可读存储器具有存储在其上的程序指令。这些程序指令能够由处理单元执行以用于获得对应于至少一个发动机的实际推力与至少一个发动机的所期望的推力之间的差异的推力上的改变。当推力上的改变大于阈值时，确定对至少一个发动机的至少一个控制输入的设定上的改变，并且输出至少一个命令以导致至少一个控制输入的设定上的改变。

依照另一个广泛的方面，提供一种计算机可读介质，计算机可读介质具有存储在其上的程序代码以用于控制以至少一个燃气涡轮发动机为动力的螺旋桨驱动式飞行器。所述程序代码包括指令，所述指令能够由处理器执行以用于：获得对应于至少一个发动机的实际推力与至少一个发动机的所期望的推力之间的差异的推力上的改变。当推力上的改变大于阈值时，确定对至少一个发动机的至少一个控制输入的设定上的改变，并且输出至少一个命令以导致至少一个控制输入的设定上的改变。

附图说明

现在参考附图，在附图中：

图1是螺旋桨驱动式飞行器的示例动力装置的示意性截面图；

图2是示例飞行器控制系统的框图；

图3是用于螺旋桨驱动式飞行器中的自动油门的示例方法的流程图；

图4是所请求的功率/所请求的螺旋桨调速和动力杆角度之间的示例关系的图解表示；

图5是所请求的功率/PLA微调规划（PLA trim scheduling）和动力杆角度之间的示例关系的图解表示；以及

图6是自动油门控制器的示例实施例。

具体实施方式

本文中描述了用于螺旋桨驱动式飞行器上的自动油门系统的系统和方法。参考图1，图示了用于螺旋桨驱动式飞行器的动力装置100，动力装置100大体上包括发动机110和螺旋桨120。螺旋桨120转换来自发动机110的轴的旋转运动，从而为飞行器提供推进力（即，推力）。由动力装置100产生的推力可以分解成两个贡献部分（contributor）：螺旋桨推力（FNP）和发动机喷射推力（FENJ）。对于涡轮螺旋桨发动机而言，总推力的大约95%到97%可归属于FNP，而总推力的3%到5%可归属于FENJ。螺旋桨推力取决于许多因素，诸如环境温度、环境压力/高度、空速（airspeed）、螺旋桨转速、以及由发动机输入到螺旋桨的动力、还有螺旋桨桨叶的翼型设计。

图1的动力装置100是涡轮螺旋桨发动机，但其也可以是任何其他类型的包括螺旋桨120的发动机，诸如活塞发动机、涡轮轴发动机等等。

在常规操作中，由飞行员或其他操作者借助于各种控制输入来调节发动机110和螺旋桨120。参考图2，图示了包括动力装置控制系统（PCS）200的示例飞行器控制系统208。PCS 200配置成用于控制动力装置100的操作，动力装置100包括发动机110和螺旋桨120。发动机控制器210调节至发动机110的燃料流以便产生所期望的发动机输出功率。螺旋桨控制器220设定螺旋桨120的桨叶桨距角（blade pitch angle）和/或螺旋桨转速，以便将来自发动机110的发动机输出功率转换成推力。

由飞行员或其他操作者控制动力油门（power throttle）201以便经由PCS 200将发动机和螺旋桨设定提供到动力装置100。在一些实施例中，动力油门包括：动力杆202，动力杆202用以调节发动机110的输出功率；以及状态杆（condition lever）203，状态杆203用以调节由螺旋桨120产生的推力。在其他实施例中，动力油门包括用以控制发动机110与螺旋桨120两者的单杆202。

自动油门控制器204操作性地连接到PCS 200和动力油门201。自动油门控制器204在没有飞行员输入的情况下调整发动机功率。其可例如在飞行器被设定至自动驾驶时使用，但也可在自动驾驶模式之外使用。在一些实施例中，自动油门控制器204被集成到飞行器航空电子设备206中，例如作为飞行器计算机的一部分。替代地，自动油门控制器与飞行器航空电子设备206通信，但被提供在其外部，诸如在PCS 200中或作为飞行器控制系统208的另一个单独的部件。

参考图3，图示了如由自动油门控制器204执行的用于自动油门的示例方法300的流程图。在302处，获得所需的推力上的改变。所述推力上的改变对应于由动力装置100产生的实际推力与依照提供至动力装置100的输入的所期望的推力之间的差异。例如，在单杆配置中，动力油门201的当前位置（也称为动力杆角度（PLA））将指示所请求的发动机功率和对应的参考螺旋桨调速，这两者可用于确定所期望的推力。类似地，可使用所测量的发动机输出功率和所测量的螺旋桨速度来确定实际推力。应理解的是，所有推力确定值都是估计的推力，因为推力本身在飞行器上不具有测量系统。

在一些实施例中，自动油门控制器204例如从飞行器计算机210接收如已经确定的推力上的改变。替代地，自动油门控制器204基于如从飞行器计算机210、PCS 200、动力油门201、以及/或者飞行器和/或动力装置100上的各种传感器接收的各种参数来计算推力上的改变。例如，从所测量的发动机输出功率和所测量的螺旋桨速度来确定实际推力，所测量的发动机输出功率和所测量的螺旋桨速度如从提供在发动机110和/或螺旋桨120上的传感器接收到。从所请求的发动机功率和对应的参考螺旋桨调速来确定所期望的推力，请求的发动机功率和对应的参考螺旋桨调速如从PLA确定。在又一个实施例中，自动油门控制器204接收实际推力和所期望的推力，并且确定差异以便获得推力上的改变。

在一些实施例中，自动油门控制器204将一个或多个飞行器操作状态（诸如，飞行器速度、环境温度、环境温度、高度等等）接收为输入。这些操作状态也可用于计算估计的推力，例如使用以下等式：

。

其中

是螺旋桨效率，其由螺旋桨供应商确定，并且可根据飞行器的飞行阶段和速度而变化。可影响螺旋桨效率的其他因素是飞行器冲角、螺旋桨速度、功率、高度、以及环境温度。其他因素也可能适用。例如，

在飞行器的起飞功率和典型V1速度时

可大约为60%，在爬升转速和功率时可在80%到83%的范围中，并且在巡航转速和功率中可在85%到87%的范围中。其他值也可能适用，因为螺旋桨效率特定于螺旋桨桨叶设计和螺旋桨桨叶被最佳化所针对的设计点。

返回参考方法300，可选地在304处，将推力上的改变转换成功率值。换句话说，进行转换以确定需要输入功率上产生多少差异来导致所述推力上的改变。实际上，虽然可经由推进力来测量发动机的输出，但是依据功率来测量输入到发动机的量。由发动机110产生的功率然后由螺旋桨120转换成推力。因此，为了对发动机110提要求，自动油门控制器204依据功率来通信。注意到，可在没有步骤304的情况下执行方法300。由于发动机功率和油门位置的映射，从推力到功率的转换允许在步骤306处更容易确定设定上的改变（settingchange）。

在306处，当推力上的改变或功率值大于阈值时，确定针对动力装置100的至少一个控制输入的设定上的改变。所述设定上的改变对应于一个或多个动力装置输入控制上的改变，该改变以使得导致与推力上的改变或功率值成比例的发动机功率上的改变。所述设定上的改变可导致当前所请求的发动机功率的增大或减小。

在一些实施例中，输入控制是针对与PCS 200相关联的动力油门201。例如，输入控制可以是动力油门的位置（即，PLA）。图4图示了用于将所请求的发动机功率映射到PLA的示例查找表400。曲线402示出了PLA（水平轴）与所请求的功率（竖直轴）之间的关系。另一曲线450示出了杆角度（水平轴）与参考螺旋桨调速（竖直轴）之间的关系。曲线402与曲线450对准，它们共享一个共同的水平轴，并且曲线402上的点可以与曲线450上的点相映射。

如上文所限定的，如从推力上的改变转换得到的功率值对应于待应用到发动机的所请求的功率上的改变。针对给定的功率值，通过将该功率值加到当前的所请求的功率来找到新的所请求的功率。例如，如果功率值是+50 hp并且当前的所请求的发动机功率是650hp，那么在表400中用于确定PLA的新的所请求的功率是700 hp。如果功率值是-35 hp并且当前的所请求的发动机功率是650 hp，那么在表400中用于确定PLA的新的所请求的功率是615 hp。使用曲线402在水平轴上找到对应的PLA。

在一些实施例中，输入控制对应于PLA微调，所述PLA微调是对发送到控制器PCS200的PLA的精细调整，其不需要油门202位置上的物理改变。PLA微调用于对所命令的功率进行微调以便实现所请求的发动机功率。图5图示了用于将PLA微调映射到PLA的示例查找表500。在这个示例中，只有当PLA位于两个限定的设定（被识别为水平轴上的502和504，例如飞行空转（FI）和最大爬升（MCL））之间时，自动油门控制器204才会调节PLA微调。这些设定可以是能够定制的。在一些实施例中，可由飞行员或其他操作者通过驾驶舱命令来启用/停用PLA微调。也可在由于输入丢失而激活故障调节的情况下停用PLA微调。

在一些实施例中，输入控制对应于PLA与PLA微调两者。在其他实施例中，输入控制对应于发动机燃料流和/或螺旋桨桨距角。影响由发动机110产生并由螺旋桨120转换成推力的功率的量的控制输入可依照功率值而变化。如果功率值低于阈值，那么方法300返回到302，在此处，确定新的推力上的改变。

按照308，一旦确定设定上的改变，就由自动油门控制器204输出至少一个命令以导致该设定上的改变。所述命令可以是以下各者中的一者或多者：PLA命令、PLA微调命令、燃料流阀命令、螺旋桨速度命令、螺旋桨桨叶桨距角命令等等。

自动油门控制器204可配置成将PLA命令直接输出到包括伺服马达和旋转可调差动变压器（RVDT）的油门象限控制器（throttle quadrant controller；TQC），所述TQC进而控制动力油门201。伺服马达依照控制命令将动力油门201物理地移动到给定的位置。RVDT将油门位置的电信号发送到发动机控制器210。

PLA微调命令可发送到PCS 200，例如发送到发动机控制器210。被加到利用伺服马达调整的物理PLA位置的PLA微调的用途是最小化油门移动量以适应与螺旋桨效率

确定相关的不确定性和可变性。在一些实施例中，自动油门控制器204仅与发动机控制器210建立接口，并且无需与螺旋桨控制器220直接通信。在一些实施例中，PLA微调被加到由RVDT发送的包含PLA位置的电信号。所产生的信号用于确定至发动机控制器210的功率请求命令。PLA设定也将使待调速的螺旋桨设定成处于对应的参考转速。

在一些实施例中，一旦确认了系统能够以自动油门模式操作，则由飞行员激活自动油门控制器204。系统能力可由各种状态来指示。例如，本地油门位置是在指定的界限（诸如飞行空转和最大爬升）内。本地和远程油门是在彼此的指定的公差内，并且飞行器的起飞阶段被完成且飞行器在空中是安全的。在一些实施例中，在认为系统能够以自动油门模式操作之前还测试某些功能性，诸如与飞行器的数据输入接口、发动机控制器210的通道（在多通道控制器中）、以及至发动机控制器210的油门位置信号。

飞行员可为自动油门设定飞行器操作目标。这些命令从飞行员接口被发送到自动油门控制器204。在一些实施例中，这通过飞行器航空电子设备来完成。替代地，自动油门控制器204可直接连接到飞行员接口。一旦设定了操作目标，飞行员就可通过从飞行员接口被发送到自动油门控制器204的自动油门请求信号来实现自动油门。

由发动机控制器210提供的额外指示可用于指示自动油门控制器204是否受限于或者发动机限制或者微调限制。发动机限制防止由于达到高/低端发动机极限而导致所请求的发动机功率的增大和/或减小。微调限制防止由于达到高/低端微调极限而导致所请求的发动机功率的增大和/或减小。

在一些实施例中，当不启用自动油门时或当系统不能够以自动油门模式操作时，将PLA微调值设定到0°的默认值。

在一些实施例中，在当自动油门处于接入时螺旋桨参考速度设定发生改变期间，或在PLA信号以大于预定量的比率（rate）移动的情况下，PLA微调值被冻结，即，与上一个值保持恒定。

在一些实施例中，当从接入自动油门模式过渡到解除自动油门模式/从解除自动油门模式过渡到接入自动油门模式时，或当在螺旋桨速度参考发生改变之后或在PLA信号以大于预定量的比率移动之后PLA微调值被解除冻结时，PLA微调值在比率上被限制到认为对于维持平滑的飞行器操作所必须的比率。

在一些实施例中，将发动机控制器210实施为单通道或双通道全权限数字发动机控制（FADEC）、电子发动机控制器（EEC）、发动机控制单元（ECU）、或任何其他合适的发动机控制器。在一些实施例中，将螺旋桨控制器220实施为螺旋桨电子控制（PEC）单元。

图6图示了一示例实施例，其用以实施自动油门控制器204以便执行方法300。计算装置610包括处理单元612和存储器614，存储器614具有存储在其内的计算机可执行指令616。处理单元612可包括如下的任何合适的装置，所述装置配置成实施自动油门控制器204使得指令616在由计算装置610或其他可编程设备执行时可导致归属于如本文中所描述的自动油门控制器204的功能/动作/步骤得到执行。处理单元612可包括例如任何类型的通用微处理器或微控制器、数字信号处理（DSP）处理器、中央处理单元（CPU）、集成电路、场可编程门阵列（FPGA）、可重新配置的处理器、其他合适的编程或可编程逻辑电路、或其任何组合。

存储器614可包括任何合适的已知机器可读存储介质或其他机器可读存储介质。存储器614可包括非暂时性计算机可读存储介质，例如但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、设备或装置，或者上述各者的任何合适的组合。存储器614可包括位于或者装置内部或者装置外部的任何类型的计算机存储器的合适组合，所述计算机存储器例如随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、紧凑只读光盘存储器（CDROM）、电光存储器、磁光存储器、可擦可编程只读存储器（EPROM）、以及电可擦可编程只读存储器（EEPROM）、铁电RAM（FRAM）等等。存储器614可包括适合于可检索地存储能够由处理单元612执行的机器可读指令616的任何存储器件（例如，装置）。

用于本文中所描述的螺旋桨驱动式飞行器中的自动油门的方法和系统可以以高级的面向过程的或面向对象的编程或脚本语言或其组合来实施，以与计算机系统（例如，计算装置610）通信或帮助操作所述计算机系统。替代地，用于螺旋桨驱动式飞行器中的自动油门的方法和系统可以以汇编语言或机器语言来实施。语言可以是编译语言或解释语言。实施用于控制飞行器发动机的操作的方法和系统的程序代码可存储在存储媒介或装置上，例如ROM、磁碟、光碟、闪存驱动器、或任何其他合适的存储媒介或装置。程序代码可能够由通用或专用可编程计算机读取，以用于在存储媒介或装置由计算机读取以执行本文中所描述的步骤时配置和操作该计算机。用于螺旋桨驱动式飞行器中的自动油门的方法和系统的实施例也可被认为是借助于非暂时性计算机可读存储介质来实施的，所述非暂时性计算机可读存储媒体具有存储在其上的计算机程序。计算机程序可包括计算机可读指令，这些计算机可读指令导致计算机或更具体地计算装置610的处理单元612以特定且预定的方式来操作，从而执行本文中所描述的功能。

计算机可执行指令可呈许多形式，包括由一个或多个计算机或其他装置执行的程序模块。一般来说，程序模块包括执行特定任务或实施特定抽象数据类型的例程、程序、对象、部件、数据结构等。通常，在各种实施例中，可按照期望组合或分配程序模块的功能性。

以上描述仅意在为示例性的，并且本领域技术人员将意识到，在不偏离所公开的本发明的范围的情况下，可对所描述的实施例作出改变。考虑到对本公开的浏览，本领域技术人员将明白落在本发明的范围内的另外的其他修改，并且此类修改意图落在所附权利要求内。

Claims (20)

1.一种用于控制以至少一个燃气涡轮发动机为动力的螺旋桨驱动式飞行器的方法，所述方法包括：

获得对应于至少一个发动机的实际推力与所述至少一个发动机的所期望的推力之间的差异的推力上的改变；

当所述推力上的改变大于阈值时，确定对所述至少一个发动机的至少一个控制输入的设定上的改变；以及

输出至少一个命令，以导致所述至少一个控制输入的所述设定上的改变。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：将所述推力上的改变转换成发动机功率值；以及根据所述发动机功率值来确定所述设定上的改变。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个控制输入是针对与所述至少一个发动机相关联的动力油门。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，输出至少一个命令包括：输出动力杆角度命令和动力杆角度微调命令中的至少一者。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述动力杆角度命令和所述动力杆角度微调命令取决于所述飞行器的操作模式。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个控制输入对应于用于所述至少一个发动机的发动机燃料流和螺旋桨桨距角中的至少一者。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，获得所述推力上的改变包括：

从所测量的发动机输出功率和所测量的螺旋桨速度来确定所述实际推力；以及

从所请求的发动机功率和参考螺旋桨调速来确定所述所期望的推力。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，获得所述推力上的改变包括：接收至少一个飞行器操作状态；以及使用所述至少一个飞行器操作状态来确定所述实际推力。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，输出至少一个命令包括：将所述至少一个命令从飞行器航空电子设备传输到用于所述至少一个发动机的发动机控制器。

10.一种用于螺旋桨驱动式飞行器的至少一个燃气涡轮发动机的自动油门系统，所述系统包括：

处理单元；以及

非暂时性计算机可读存储器，所述非暂时性计算机可读存储器具有存储在其上的程序指令，所述程序指令能够由所述处理单元执行以用于：

获得对应于至少一个发动机的实际推力与所述至少一个发动机的所期望的推力之间的差异的推力上的改变；

当所述推力上的改变大于阈值时，确定对所述至少一个发动机的至少一个控制输入的设定上的改变；以及

输出至少一个命令，以导致所述至少一个控制输入的所述设定上改变。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述程序指令还能够得到执行以用于：将所述推力上的改变转换成发动机功率值；以及根据所述发动机功率值确定所述设定上的改变。

12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述至少一个控制输入是针对与所述至少一个发动机相关联的动力油门。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，输出至少一个命令包括：输出动力杆角度命令和动力杆角度微调命令中的至少一者。

14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述动力杆角度命令和所述动力杆角度微调命令取决于所述飞行器的操作模式。

15.根据权利要求10所述的系统，其中，所述至少一个控制输入对应于用于所述至少一个发动机的发动机燃料流和螺旋桨桨距角中的至少一者。

16.根据权利要求10所述的系统，其中，获得所述推力上的改变包括：

从所测量的发动机输出功率和所测量的螺旋桨速度来确定所述实际推力；以及

从所请求的发动机功率和参考螺旋桨调速来确定所述所期望的推力。

17.根据权利要求16所述的系统，其中，获得所述推力上的改变包括：接收至少一个飞行器操作状态；以及使用所述至少一个飞行器操作状态来确定所述实际推力。

18.根据权利要求10所述的系统，其中，输出至少一个命令包括：将所述至少一个命令从飞行器航空电子设备传输到用于所述至少一个发动机的发动机控制器。

19.一种计算机可读介质，所述计算机可读介质具有存储在其上的程序代码以用于控制以至少一个燃气涡轮发动机为动力的螺旋桨驱动式飞行器，所述程序代码包括指令，所述指令能够由处理器执行以用于：

获得对应于至少一个发动机的实际推力与所述至少一个发动机的所期望的推力之间的差异的推力上的改变；

当所述推力上的改变大于阈值时，确定对所述至少一个发动机的至少一个控制输入的设定上的改变；以及

输出至少一个命令，以导致所述至少一个控制输入的所述设定上的改变。

20.根据权利要求19所述的计算机可读介质，还包括：将所述推力上的改变转换成发动机功率值；以及根据所述发动机功率值确定所述设定上的改变。

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