CN110735721B - 一种液体冲压发动机风斗油路燃油流量闭环控制方法 - Google Patents

一种液体冲压发动机风斗油路燃油流量闭环控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种液体冲压发动机风斗油路燃油流量闭环控制方法，属于发动机技术领域。本发明给出了一种液体冲压发动机风斗油路燃油流量闭环控制方法，能够解决开环控制中出现的振荡问题，提高了系统流量控制的稳定性；同时该方法可根据不同发动机需求，通过给定的控制指标直接计算出控制器参数，也可根据伺服阀特性更换伺服阀，节省了闭环控制算法参数整定的时间。

Description

一种液体冲压发动机风斗油路燃油流量闭环控制方法
技术领域
本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种液体冲压发动机风斗油路燃油流量闭环控制方法。
背景技术
液体冲压发动机风斗油路采用伺服阀进行燃油流量调节，传统的控制方法是试验标定伺服阀驱动电流与燃油流量和伺服阀前后压差之间的关系，通过实时采集伺服阀前后压差计算控制伺服阀电流来实现燃油流量的开环控制。虽然这种方法实现简单、易于工程实现。但是由于伺服阀的流量和其前后压差存在正反馈关系，开环控制容易出现不稳定现象，无法适应燃油流量的大范围调节。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何设计一种液体冲压发动机风斗油路燃油流量闭环控制方法，能够解决开环控制中出现的振荡问题，提高系统控制的稳定性。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种液体冲压发动机风斗油路燃油流量闭环控制方法，包括以下步骤：
(S1)根据当前周期输入的伺服阀5驱动电流Is(k)和采集到的伺服阀5前油压信号Pep、伺服阀5后油压信号Pev，利用公式(1)计算伺服阀反馈燃油流量Qmf_fk(k)：
Qmf_fk(k)＝p00+p10*△P(k)+p01*Is(k)+p11*△P(k)*Is(k)+p02*Is(k)2+p12*△P(k)*Is(k)2+p03*Is(k)3 (1)
其中，△P(k)＝Pep(k)-Pev(k) (2)
p00、p10、p01、p11、p02、p12、p03为根据伺服阀5试验数据得到的拟合参数；
(S2)根据当前周期风斗燃油流量指令值Qmf(k)计算当前时刻指令滤波后的风斗燃油流量指令值Qmf_lv(k)，以及下一周期的滤波器状态量x(k+1)，具体计算方法如下：
Qmf_lv(k)＝(0.4066*x(k)+0.09091*(Qmf(k)-Y_0))+Y_0 (3)
x(k+1)＝0.8182*x(k)+(Qmf(k)-Y_0))*0.4066 (4)
其中，x(k)为滤波器状态，初始值x(0)＝0，Y_0为燃油流量指令滤波基值，取值为第一个周期计算的伺服阀反馈燃油流量值Qmf_fk(0)；
(S3)根据回路成型的方法求解流量闭环控制器2的参数，回路成型控制器参数确定方法即为通过控制指标要求确定系统开环对数频率特性模型参数，从而确定流量闭环控制器2参数的方法；
根据选定的相角裕度Pm和系统调节时间要求值ts利用公式(5)、(6)、(7)计算系统谐振峰值Mr、中频段宽度h、剪切频率ωc。
Figure BDA0002243334460000021
Figure BDA0002243334460000022
Figure BDA0002243334460000023
选取开环增益kv和高频道系数δ，利用公式(8)、(9)和(10)确定中频段系数γ、α、低频段系数β，确定开环对数频率特性模型中的低频段转折频率
Figure BDA0002243334460000024
中频段衔接频率
Figure BDA0002243334460000025
中频段转折频率γωc和高频道转折频率γδωc；然后根据公式(11)确定系统开环传递函数G(s)，根据公式(12)确定流量闭环闭环控制器2传递函数Gc(s)；
Figure BDA0002243334460000031
Figure BDA0002243334460000032
Figure BDA0002243334460000033
Figure BDA0002243334460000034
Figure BDA0002243334460000035
其中，s为拉普拉斯算子，Gg(s)为被控对象线性化传递函数模型，所述被控对象为伺服阀5；
根据总体提出系统调节时间ts，相角欲度Pm、式(13)的被控对象线性化传递函数Gg(s)、选取的相角裕度、开环增益、高频道系数，确定闭环控制器传递函数Gc(s)：
(S4)根据步骤S1计算得到的伺服阀反馈燃油流量Qmf_fk(k)、步骤S2计算的流量闭环控制器2传递函数及流量闭环控制器2的输入Qmf_lv(k)计算流量闭环控制器2的输出；
首先根据Qmf_lv(k)，Qmf_fk(k)，求解归一化后的燃油流量误差量e(k)。
e(k)＝(Qmf_lv(k)-Qmf_fk(k))/qmf_fd0 (15)
其中，qmf_fd0为设计点风斗油路燃油流量；
将公式(14)表示的流量闭环控制器2传递函数转换为离散状态空间形式，见公式(16)、(17)：
x(k+1)＝Ax(k)+Be(k) (16)
y(k)＝Cx(k)+De(k) (17)
其中A、B、C、D为系数；
根据离散化后的流量闭环控制器2传递函数解算当前时刻流量闭环控制器2输出的伺服阀5驱动电流Is(k),见公式(18)：
Is(k)＝y(k)*I0+Is(0) (18)
其中I0为流量闭环控制器2设计点伺服阀驱动电流，本实施例中，I0＝90。Is(0)为流量闭环控制器2输出基值；
(S5)把驱动电流Is转换为电压Vs，并通过DA电路3输出给伺服阀驱动电路4；
(S6)伺服阀驱动电路4输出响应的驱动电流I给伺服阀5。
优选地，利用阀前压力传感器6采集伺服阀5前油压信号Pep。
优选地，利用阀后压力传感器7采集伺服阀5后油压信号Pev。
优选地，拟合参数p00＝-0.002654，p10＝0.01263，p01＝0.0007698，p11＝0.0003604，p02＝3.08E-06，p12＝5.14E-07，p03_1＝-1.57E-08。
优选地，总体提出系统调节时间ts＝2s，相角欲度Pm不小于40°，被控对象线性化传递函数为式(13)。
优选地，选取相角裕度为60°，开环增益kv＝10和高频道系数δ＝2。
优选地，qmf_fd0＝0.1。
优选地，
Figure BDA0002243334460000041
C＝[1.928 -1.447 -0.5678]，D＝0.2673。
优选地，伺服阀驱动电路与电压转换关系为Vs＝20Is。
(三)有益效果
本发明给出了一种液体冲压发动机风斗油路燃油流量闭环控制方法，能够解决开环控制中出现的振荡问题，提高了系统流量控制的稳定性；同时该方法可根据不同发动机需求，通过给定的控制指标直接计算出控制器参数，也可根据伺服阀特性更换伺服阀，节省了闭环控制算法参数整定的时间。
附图说明
图1为本发明的闭环控制方法原理图；
图2为系统开环对数频率特性模型曲线图；
图3是本发明的方法示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
图1为一种液体冲压发动机风斗油路燃油流量闭环控制方法原理图，其对应的控制系统组成包括指令滤波器1、控制器2、DA电路3、驱动电路4、伺服阀5、阀前压力传感器6、阀后油压传感器7、燃油流量解算装置8。本发明的具体实施步骤如下：
(S1)燃油流量解算装置8根据当前周期输入的伺服阀5驱动电流Is(k)和利用阀前压力传感器6采集到的伺服阀5前油压信号Pep、利用阀后压力传感器7采集到的伺服阀5后油压信号Pev，利用公式(1)计算伺服阀反馈燃油流量Qmf_fk(k)：
Qmf_fk(k)＝p00+p10*△P(k)+p01*Is(k)+p11*△P(k)*Is(k)+p02*Is(k)2+p12*△P(k)*Is(k)2+p03*Is(k)3 (1)
其中，△P(k)＝Pep(k)-Pev(k) (2)
p00、p10、p01、p11、p02、p12、p03为根据伺服阀5试验数据得到的拟合参数，例如某伺服阀p00＝-0.002654，p10＝0.01263，p01＝0.0007698，p11＝0.0003604，p02＝3.08E-06，p12＝5.14E-07，p03_1＝-1.57E-08；
(S2)指令滤波器1根据当前周期风斗燃油流量指令值Qmf(k)计算当前时刻指令滤波后的风斗燃油流量指令值Qmf_lv(k)，以及下一周期的滤波器状态量x(k+1)，具体计算方法如下：
Qmf_lv(k)＝(0.4066*x(k)+0.09091*(Qmf(k)-Y_0))+Y_0 (3)
x(k+1)＝0.8182*x(k)+(Qmf(k)-Y_0))*0.4066 (4)
其中，x(k)为滤波器状态，初始值x(0)＝0，Y_0为燃油流量指令滤波基值，取值为第一个周期计算的伺服阀反馈燃油流量值Qmf_fk(0)；
(S3)根据总体提出的控制指标要求，根据回路成型的方法求解流量闭环控制器2的参数。回路成型控制器参数确定方法即为通过控制指标要求确定系统开环对数频率特性模型(见图2)参数，从而确定流量闭环控制器2参数的方法。
Figure BDA0002243334460000061
图2为系统开环对数频率特性模型曲线图；
根据选定的相角裕度Pm和系统调节时间要求值ts利用公式(5)、(6)、(7)计算系统谐振峰值Mr、中频段宽度h、剪切频率ωc。
Figure BDA0002243334460000071
Figure BDA0002243334460000072
Figure BDA0002243334460000073
选取开环增益kv和高频道系数δ，利用公式(8)、(9)和(10)确定中频段系数γ、α、低频段系数β，确定图2中的低频段转折频率
Figure BDA0002243334460000074
中频段衔接频率
Figure BDA0002243334460000075
中频段转折频率γωc和高频道转折频率γδωc；然后根据公式(11)确定系统开环传递函数G(s)，根据公式(12)确定流量闭环闭环控制器2传递函数Gc(s)。
Figure BDA0002243334460000076
Figure BDA0002243334460000077
Figure BDA0002243334460000078
Figure BDA0002243334460000079
Figure BDA00022433344600000710
其中，s为拉普拉斯算子，Gg(s)为被控对象(伺服阀5)线性化传递函数模型。
例如总体提出系统调节时间ts＝2s，相角欲度Pm不小于40°，被控对象线性化传递函数为式(13)；选取相角裕度为60°，开环增益kv＝10和高频道系数δ＝2，可确定闭环控制器传递函数，见公式(14)。
Figure BDA0002243334460000081
Figure BDA0002243334460000082
(S4)根据步骤S1计算得到的伺服阀反馈燃油流量Qmf_fk(k)、步骤S2计算的流量闭环控制器2传递函数及流量闭环控制器2的输入Qmf_lv(k)计算流量闭环控制器2的输出。
首先根据Qmf_lv(k)，Qmf_fk(k)，求解归一化后的燃油流量误差量e(k)。
e(k)＝(Qmf_lv(k)-Qmf_fk(k))/qmf_fd0 (15)
其中，qmf_fd0为设计点风斗油路燃油流量，本实施例中qmf_fd0＝0.1。
将公式(14)表示的流量闭环控制器2传递函数转换为离散状态空间形式，见公式(16)、(17)：
x(k+1)＝Ax(k)+Be(k) (16)
y(k)＝Cx(k)+De(k) (17)
Figure BDA0002243334460000083
C＝[1.928 -1.447 -0.5678]，D＝0.2673
根据离散化后的流量闭环控制器2传递函数解算当前时刻流量闭环控制器2输出的伺服阀5驱动电流Is(k),见公式(18)。
Is(k)＝y(k)*I0+Is(0) (18)
其中I0为流量闭环控制器2设计点伺服阀驱动电流，本实施例中，I0＝90。Is(0)为流量闭环控制器2输出基值(根据实际起控点选取)，本实施例中，取Is(0)＝100。
(S5)把驱动电流Is转换为电压Vs，并通过DA电路3输出给伺服阀驱动电路4。
例如，某型发动机伺服阀驱动电路与电压转换关系为Vs＝20Is。
(S6)伺服阀驱动电路4输出响应的驱动电流I给伺服阀5。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种液体冲压发动机风斗油路燃油流量闭环控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(S1)根据当前周期输入的伺服阀驱动电流Is(k)和采集到的伺服阀前油压信号Pep、伺服阀后油压信号Pev，利用公式(1)计算伺服阀反馈燃油流量Qmf_fk(k)：
Qmf_fk(k)＝p00+p10*△P(k)+p01*Is(k)+p11*△P(k)*Is(k)+p02*Is(k)2+p12*△P(k)*Is(k)2+p03*Is(k)3 (1)
其中，△P(k)＝Pep(k)-Pev(k) (2)
p00、p10、p01、p11、p02、p12、p03为根据伺服阀试验数据得到的拟合参数；
(S2)根据当前周期风斗燃油流量指令值Qmf(k)计算当前时刻指令滤波后的风斗燃油流量指令值Qmf_lv(k)，以及下一周期的滤波器状态量x(k+1)，具体计算方法如下：
Qmf_lv(k)＝(0.4066*x(k)+0.09091*(Qmf(k)-Y_0))+Y_0 (3)
x(k+1)＝0.8182*x(k)+(Qmf(k)-Y_0))*0.4066 (4)
其中，x(k)为滤波器状态，初始值x(0)＝0，Y_0为燃油流量指令滤波基值，取值为第一个周期计算的伺服阀反馈燃油流量值Qmf_fk(0)；
(S3)根据回路成型的方法求解流量闭环控制器的参数，回路成型控制器参数确定方法即为通过控制指标要求确定系统开环对数频率特性模型参数，从而确定流量闭环控制器参数的方法；
根据选定的相角裕度Pm和系统调节时间要求值ts利用公式(5)、(6)、(7)计算系统谐振峰值Mr、中频段宽度h、剪切频率ωc；
Figure FDA0002496291360000021
Figure FDA0002496291360000022
Figure FDA0002496291360000023
选取开环增益kv和高频道系数δ，利用公式(8)、(9)和(10)确定中频段系数γ、α、低频段系数β，确定开环对数频率特性模型中的低频段转折频率
Figure FDA0002496291360000024
中频段衔接频率
Figure FDA0002496291360000025
中频段转折频率γωc和高频道转折频率γδωc；然后根据公式(11)确定系统开环传递函数G(s)，根据公式(12)确定流量闭环控制器传递函数Gc(s)；
Figure FDA0002496291360000026
Figure FDA0002496291360000027
Figure FDA0002496291360000028
Figure FDA0002496291360000029
Figure FDA00024962913600000210
其中，s为拉普拉斯算子，Gg(s)为被控对象线性化传递函数模型，所述被控对象为伺服阀；
根据总体提出系统调节时间ts，相角裕度Pm、被控对象线性化传递函数Gg(s)、选取的开环增益、高频道系数，确定流量闭环控制器传递函数Gc(s)：
(S4)根据步骤S1计算得到的伺服阀反馈燃油流量Qmf_fk(k)、步骤S3计算的流量闭环控制器传递函数及流量闭环控制器的输入Qmf_lv(k)计算流量闭环控制器的输出；
首先根据Qmf_lv(k)，Qmf_fk(k)，求解归一化后的燃油流量误差量e(k)；
e(k)＝(Qmf_lv(k)-Qmf_fk(k))/qmf_fd0 (15)
其中，qmf_fd0为设计点风斗油路燃油流量；
将流量闭环控制器传递函数转换为离散状态空间形式，见公式(16)、(17)：
x(k+1)＝Ax(k)+Be(k) (16)
y(k)＝Cx(k)+De(k) (17)
其中A、B、C、D为系数；
根据离散化后的流量闭环控制器传递函数解算当前时刻流量闭环控制器输出的伺服阀驱动电流Is(k),见公式(18)：
Is(k)＝y(k)*I0+Is(0) (18)
其中I0为流量闭环控制器设计点伺服阀驱动电流，Is(0)为流量闭环控制器输出基值；
(S5)把驱动电流Is转换为电压Vs，并通过DA电路(3)输出给伺服阀驱动电路；
(S6)伺服阀驱动电路输出响应的驱动电流I给伺服阀。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用阀前压力传感器采集伺服阀前油压信号Pep。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用阀后压力传感器采集伺服阀后油压信号Pev。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，拟合参数p00＝-0.002654，p10＝0.01263，p01＝0.0007698，p11＝0.0003604，p02＝3.08E-06，p12＝5.14E-07，p03_1＝-1.57E-08。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，总体提出系统调节时间ts＝2s，相角裕度Pm不小于40°，被控对象线性化传递函数为式(13)：
Figure FDA0002496291360000041
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，选取相角裕度为60°，开环增益kv＝10和高频道系数δ＝2。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，qmf_fd0＝0.1。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
Figure FDA0002496291360000042
C＝[1.928 -1.447 -0.5678]，D＝0.2673。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，伺服阀驱动电路与电压转换关系为Vs＝20Is。
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