CN109335021A - 一种试验用油门杆自适应控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航空发动机试验技术领域，特别涉及一种试验用油门杆自适应控制方法。所述的方法包括如下步骤：试验前对油门杆角度进行标定；试验过程中按照油门杆角度循环曲线对油门杆进行调节，采集油门杆实际位置值与标定数组内相应位置值进行比较，得出补偿量，对油门角度进行再次调节。该方法通过试验前提高油门杆标定准确度，试验中定时补偿油门杆角度来减小试验偏差。

Description

一种试验用油门杆自适应控制方法

技术领域

本发明涉及航空发动机试验技术领域，特别涉及一种试验用油门杆自适应控制方法。

背景技术

传统试验设计中，通常采用步进电机开环定时定量控制燃油泵调节器(燃调/产品)油门杆角度的方法，该方法无反馈与自动调整环节，角度出现偏差后会逐渐累加，导致试验无法进行，需手动调整去除偏差后，才可继续试验，该方法耗时长、控制精度低。

发明内容

本发明解决的技术问题：提供一种在试验过程中能够精确控制油门杆角度的试验控制方法。

本方法通过优化标定、增加补偿来自动调整试验过程中油门杆角度的偏差，减少了人工操作、缩短了试验时间、提高了控制精度。

本发明的技术方案：一种试验用油门杆自适应控制方法，所述的方法包括如下步骤：

试验前对油门杆角度进行标定；

试验过程中按照油门杆角度循环曲线对油门杆进行调节，采集油门杆实际位置值与标定数组内相应位置值进行比较，得出补偿量，对油门角度进行再次调节。

该方法通过试验前提高油门杆标定准确度，试验中定时补偿油门杆角度来减小试验偏差。

所述试验前对油门杆角度进行标定包括以下两种方式：

分别从油门杆角度增大和减小两个方向标定出两个数组；

取油门杆角度增大和减小两个方向同一位置标定值的平均值，形成一个标定数组。

选用两种标定方式增加发明的适应性：双组标定精度较高，可体现变化方向对角度标定值的影响，但使用较复杂，适用于角度公差要求较严的试验(如：要求在±1.5°以内)；单组标定精度较低，但使用简单，适用于角度公差要求较宽的试验(如：要求在±3°以内)。

优选地，油门杆的调节可以拆分为如下四个步骤，实际试验中油门杆的调节可以为如下几个步骤的组合，步骤数量可发生变化：

步骤一、参照油门杆角度循环曲线，根据当前位置判断油门杆作动机构控制方向；

步骤二、获取当前位置和下一试验位置的标定数组值；

步骤三、根据当前位置和下一试验位置的标定数组值，得出作动机构控制量；

步骤四、控制作动机构进行作动；

所述作动机构为步进电机；

其中完成步骤四或与其他步骤组合的时间大于T，所述的

步进电机调节油门杆角度有四步，其中电机方向信号发送20μs后电机才能完成方向选择，脉冲信号作用时间为T，参照试验循环曲线对过渡时间的要求，确定了调节进程的组合及时间，为后续实现自适应调整提供了实现的基础。

优选地，在试验前将油门杆调整至初始位置。

试验包括多次重复循环，每次循环前自动进行角度预调，可保证循环角度初始值的范围，避免循环间人工调整初始值，节约试验时间，提高试验效率。

优选地，油门杆位置调节的补偿次数为1次。

试验调试时，测得步进电机单次操作的偏差<7％，在保证标定精度的前提下，一次补偿后的偏差<0.49％，故补偿1次就可满足试验要求。

附图说明

图1为油门杆控制原理框图；

图2为步进电机控制燃调油门杆的原理框图；

图3为试验循环曲线示例；

图4为试验循环曲线示例2。

具体实施方式

下面介绍本发明中的自适应算法的实现过程。

由图1可知步进电机是实现油门杆控制的作动机构，步进电机控制燃调油门杆的原理框图见图2。

步进电机可将脉冲量转换为位移量，即输入一个脉冲，电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，脉冲和步距角是步进电机控制中的两个关键量。

实际中一般通过提高电机运行拍数和选用高细分数的电机驱动来减小步距角，提高电机平滑度；改变脉冲个数可直接控制电机转动的角位移量，改变脉冲频率可调节电机角度的转速。

步进电机位移仅受脉冲控制，且结构无接触电刷，故带动负载惯量的能力大，对速度要求不高；但步进电机工作时无反馈，属于开环控制，若电机“失步”，控制结果有偏差。

先对步进电机进行调试，根据控制特性，选择控制算法。

调试过程如下：油门杆角度置位，确定电机作动方向(板卡数字量输出电机方向信号)，控制电机作动。

测试过程中角度值为目测值。

如：油门杆角度置0°，发送电机正转控制信号，设定控制角度为10°，脉冲信号发生器向步进电机发送139(N＝变化角度/步距角＝10/0.072＝139)个脉冲，油门杆角度由0°变为9.3°，故本次调试，电机控制偏差为-7％(计算公式如下)。

偏差＝(实际角度-期望角度)/给定角度*100％

＝(9.3-10)/10*100％＝-7％

连续进行10次调试，控制偏差分别为：-7％，-2％，-0.3％，-0.2％，-6.9％，-0.4％，-7％，-0.5％，-1.6％，-7％。

由符号均为“-”，可知步进电机控制存在“失步”现象；

大偏差4次，小偏差6次，判断“失步”具有偶发性、间断性。

经过分析，发现电机控制出现“失步”，可能与油门杆阻力和瞬时卡滞有关，具体影响因素有：燃调形状结构，使油门杆在不同位置的阻力不同；受重力影响，油门杆在上推和下拉时阻力不同；电机和燃调的工装连接，存在同轴度、垂直度差异，螺栓连接件的螺孔间隙，导致油门杆换向角度回差。

由于“失步”影响控制性能，考虑更换大功率电机，提高带载能力，但油门杆瞬时卡滞时仍存在“失步”现象，同时电机产生的大力矩，还会影响甚至损害附件部件，故一味提高电机功率的方法不可取，现考虑使用算法来抵消电机“失步”带来的控制偏差。

根据电机“失步”的偶发性、间断性，“失步”程度的不确定性，油门杆阻力的不确定性和油门卡滞的瞬时性等，发现电机控制油门杆，控制前无法确定响应结果，控制具有随机性和不确定性，故考虑采用补偿+标定的自适应控制法。

下面分析补偿对偏差影响的趋势。

电机是开环控制元件，当单次控制有偏差时，对电机按实际偏差进行多次补偿控制，可达到减小偏差的目的，按电机调试最大偏差，可计算出对应的补偿响应，估计参数见表1。

表1补偿偏差变化表(假设每次偏差均为-7％)

名目	调节前值	目标值	调节后值	本次调节偏差	总偏差
						调节	0	100	93	-7％	-7％
补偿1	93	100	99.51	-7％	-0.49％
						补偿2	99.51	100	99.9657	-7％	-0.0343％
补偿3	99.9657	100	99.997599	-7％	-0.002401％

由表1可知，利用实际偏差进行补偿，可以迅速减小偏差，提高调节精度，故本发明采用调整1+补偿1的控制算法。根据试验循环曲线(见图3)要求的状态值，计算算法的理论参数，结果见表2。

表2调整1+补偿1算法的循环参数表(假设每次偏差均为-7％)

	状态1	状态2	状态3	状态4
					起点期望值(°)	0～3.5	11～15	65～115	11～15
起点实际值(°)	0～3.5	12.9～12.95	89.62	13.38
					目标值(°)	13	90	13	1.75
调整1后值(°)	12.1～12.3	84.6～84.61	18.36	2.56
					补偿1后值(°)	12.9～12.95	89.62	13.38	1.81
调整1+补偿1后偏差<(±°)	0.1	0.38	0.38	0.06

由表2可见，理想状况下，循环曲线采用调整1+补偿1后的控制偏差<±0.38°，但实际的控制偏差与测量角度的准确度有关。

下面介绍本发明中采用的标定法。

利用RVDT传感器+放大+调理等环节，将油门杆角度值转换为电信号，送入到采集板卡，进行(角度，电压)对应标定。

标定过程：确定标定点(角度，电压对应值)；形成标定结果；分析适用范围。

根据图3，若采用全量程均匀取点+曲线拟合可得曲线拟合标定表3。

表3曲线拟合标定表

由表3可知，拟合曲线标定可能存在点偏差，偏差值与油门杆线性度及拟合曲线形式有关，点偏差的不确定性对调整1+补偿1策略影响大。

根据图3，若采用按需取点+双向标定可得数组标定表4，标定步骤如下：

确定标定点：试验期望点(参照图3)+量程边界点；

确定双组标定值：手动操作油门杆角度，读取角度变大/减小对应的电压值，形成“单增标定组”和“单减标定组”；

确定合并标定组：取单增和单减的平均值；

按合并标定偏差分析合并标定组使用范围(仅供参考)。

表4单/双数组标定表

由图3可知，试验要求的角度偏差限为±1.75°，由表4可知，单组标定的角度偏差限为±1.538°，故单组标定法配合调整1+补偿1控制可满足试验要求。

本发明中采用双组标定数组，保证标定点的精确度，在试验中，通过实时切换标定数组，达到调整角度模型，修正模型参数作用，实现补偿+标定的自适应控制法。

下面介绍算法构造

电机控制(按控制逻辑及现场配合要求)分为2个过程：方向控制和脉冲控制(包含脉冲数计算和脉冲控制)。

电机脉冲控制前，需保证电机方向和角度测量值的准确性，即电机方向信号至少提前20μs发送(相较脉冲信号)，并完成标定数组切换操作。

循环中电机控制采用调整1+补偿1方式，可4步实现完成控制，考虑到电机为负偏差控制，调整与补偿方向相同，故去掉“补偿方向”控制操作，简化为3步控制：(调整)方向控制；(调整)脉冲控制；(补偿)脉冲控制。

循环前预调整(为调节上次循环结束或试验中断造成初始值偏差，保证电机油门杆的初始状态)，电机控制采用调整1方式，分为3步控制：(预调整)方向控制；脉冲控制；(初始)方向控制。

循环每个状态调整均为3步，本发明采用相等的时间步长，下面根据各步的时间限制选择时间步长。

试验中控制量多，油门杆需在各控制量都稳定前停止调节动作，又因为转速受试验台调速电机及试验产品特性限制，过渡时间最大，故T_{转速过渡时间}≥T_{角度调节时间}，由图4可得，

T_{角度调节时间}＝T_{角度单状态控制总时间}≤15s (1)

方向控制时间受方向信号提前时间及标定数组显示有效更新时间限制，

T_方向控制＝T_方向有效+T_标定调整≥20μs+1s

其中T_方向有效≥20μs，方向信号需比脉冲信号提前20μs；

T_标定调整≥1s，标定数组显示按1s更新。

T_方向控制≥1.00002s (2)

脉冲控制时间受脉冲响应时间限制，

T_脉冲控制≈T_脉冲响应＝角度/步距角/脉冲频率

发明中步距角为0.072°，脉冲频率选择1000Hz时，实现最大角度120°控制，大约耗时1.667s。

T_脉冲控制≥1.667s (3)

本发明选择步长时间为

T_单步＝T_{角度过渡时间}/3＝5s

满足(2)(3)要求，若控制步骤变化，或各控制时间要求变化时，可调整单步时间，或采用不同的T_方向控制和T_脉冲控制。

最后介绍算法实现示例(见表5)

表5算法实现示例

由表5可知，通过标定+补偿的自适应控制，试验中的各状态角度调节可满足试验要求的偏差范围。

Claims (4)

1.一种试验用油门杆自适应控制方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：

试验前对油门杆角度进行标定；

试验过程中按照油门杆角度循环曲线对油门杆进行调节，采集油门杆实际位置值与标定数组内相应位置值进行比较，得出补偿量，对油门角度进行再次调节；

所述试验前对油门杆角度进行标定包括以下两种方式：

分别从油门杆角度增大和减小两个方向标定出两个数组；

取油门杆角度增大和减小两个方向同一位置标定值的平均值，形成一个标定数组。

2.根据权利要求1所述的一种试验用油门杆自适应控制方法，其特征在于，油门杆的调节可以拆分为如下四个步骤，实际试验中油门杆的调节可以为如下几个步骤的组合，步骤数量可发生变化：

步骤一、参照油门杆角度循环曲线，根据当前位置判断油门杆作动机构控制方向；

步骤二、获取当前位置和下一试验位置的标定数组值；

步骤三、根据当前位置和下一试验位置的标定数组值，得出作动机构控制量；

步骤四、控制作动机构进行作动；

所述作动机构为步进电机；

其中完成步骤四步的时间大于T，所述的T＝步进电机一圈总脉冲数*当前位置和下一试验位置的角度差/360°/步进电机控制脉冲频率。

3.根据权利要求1所述的一种试验用油门杆自适应控制方法，其特征在于，在试验前将油门杆调整至初始位置。

4.根据权利要求1所述的一种试验用油门杆自适应控制方法，其特征在于，油门杆位置调节的补偿次数为1次。