CN111223384A - 一种变距航空动力系统特性与控制教学实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变距航空动力系统特性与控制实验平台，由杆位输入模块、数据采集模块、数据处理与控制模块、可变距动力装置模块以及LCD显示模块组成。杆位输入模块用于输入控制信号，数据采集模块通过内置的几种传感器输出的电位信号给AVR单片机进行处理；数据处理与控制模块将传感器所采集的电信号进行处理并输出各测量参数，另外此控制器还将输出两路控制信号，分别来控制变距桨电动力装置的舵机和电调，实现油门调节和桨距调节；用LCD显示测量参数和杆位值。此平台跟传统的大型变距螺旋桨的实验装置相比更加轻便和灵活，且易于老师演示和学生操作等优点，另外此平台还具有辨识变距螺旋桨电动力装置非线性和线性模型的科研价值。

Description

一种变距航空动力系统特性与控制教学实验平台

技术领域

本发明涉及一种变距航空动力系统特性与控制教学实验平台即是系统，是一种基于嵌入式开发的变距螺旋桨动力装置的小型电控系统，用于民航领域相关专业课程的教学演示，另外本发明还可用于对变距桨电动力装置的模型参数进行辨识。

背景技术

1923年金属螺旋桨的问世后，定距螺旋桨已经无法满足飞机的起飞和巡航要求了。随着技术的进步，在1933年，自动变距螺旋桨的动力装置在波音24运输机上的到了运用。由于变距桨能从充分运用发动机的有效功率，也不会出现螺旋桨‘变重’或‘变轻’的情况，这使得飞机的飞行适应性得到了提升。变距桨的动力装置得到了广泛的运用，且有极大的研发价值，目前不只在民用航空行业，船舶业、风力发电行业、无人机行业也在使用这项技术。目前由美国“派松”公司生产可变桨距的双发螺旋桨飞PA-44-180正在大范围投入使用，特别是作为训练机型。Anthony Manchin介绍了一个闭环控制的可调螺距螺旋桨系统，利用机械元件改变螺旋桨叶片的桨叶角，并以此提出了一种变螺距螺旋桨的实验模型([1]Anthony Manchin,Smart variable pitch propeller system for unmanned aerialvehicles,2018[J])但该研究对于螺旋桨-电机系统的数学模型没有明确的进行推导和在理论公式的基础上对螺旋桨的效率、功率、拉力进行研究。为了使正在培训变距桨机型的飞行员和相关专业的学生对变距桨动力装置的特性有更加深入的了解和工作过程有更加直观的感受，另外也为了设计出一种具有参数测量和模型参数辨识的实验装置，所以设计出了本平台以供相关领域的人员进行相关的教学和科研工作。由中国民航大学航空工程学院杨天瑜等发表的期刊(杨天瑜,张恪淳,薛翔,et al.新型变距螺旋桨控制系统的开发[J].内燃机与配件,2018,No.261(09):94-95.)中所研究的新型变距桨的控制系统，运用了转速传感器和空速传感器，使桨叶角随来流的方向变化以实现最佳桨叶迎角控制；由河南工业大学韩莉莉等所发表的期刊(韩莉莉,王统,宁祎,et al.机电一体化的螺旋桨变距系统研究[J].制造业自动化,2015(8):134-136.)中所建的机电一体化变距系统，运用了转速传感器和角度传感器以实现桨距的精准调控和发动机的转速平衡。但这两个所搭建的实物系统一个是进行桨叶角的闭环控制，另一个是使桨叶角随来流方向变化以达到最佳的桨叶迎角，只使用了角度传感器和转速传感器，因而像轴功率、拉力、扭矩、电功率在以上这两种装置上不可测的；显然也不像本平台这样能够测量多种参数，并能以大量的输入输出数据分析其输入输出特性和进行模型参数辨识。且以上的两种系统，变距结构复杂也不够轻巧，比较注重工程运用；显然也不像本平台这样轻便，方便教学演示。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种变距航空动力系统特性与控制教学实验平台，平台增加了更多的传感器以测量更多的实验数据以研究装置的动力特性，控制器还设置了控制模式和阶跃辨识辨识模式，使用者可在两者之间切换以进行教学演示和模型辨识，具有很好的操纵性、便携、开发性强、对动力装置的参数测量较为全面，有良好的教学演示效果和科研开发潜力。

本发明技术解决方案：一种变距航空动力系统特性与控制教学实验平台，包括：杆位输入模块、数据采集模块、数据处理与控制模块、可变距电动力装置、LCD液晶显示模块和PC端，其中:

杆位输入模块，用于发出控制指令，根据杆位移输出相应的电位信号送至数据处理与控制模块控制无刷电机的供给电压和桨叶角；

数据采集模块，用于采集可变距电动力装置的各测量参数，包括轴功率、拉力、转速、扭矩和电功率；数据采集模块根据可变距动力装置所反应各测量参数的大小输出相应的电位信号送至数据处理与控制模块；

数据处理与控制模块，用于输入信号读取、处理和输出控制信号，读取杆位输入模块和数据采集模块所输出的电位信号，并处理成PWM控制信号输出给可变距电动力装置，将数据采集模块采集的和杆位输入模块的电位信号处理成可读数据，包括变距桨电动力装置所反应的各测量参数和杆位输入模块的杆位值，通过I2C协议将这些可读数据传送至LCD液晶显示模块。且该数据处理与控制模块包括两种模式：控制模式和阶跃辨识模式，用于两种工作状态，其中控制模式用于采集数据及对变距桨电动力装置的工作过程进行教学演示，另一种阶跃辨识模式是用来进行该装置的非线性和线性模型的参数辨识的实验工作；

可变距电动力装置，作为控制信号的执行机构，接收由数据处理与控制模块输出的两路PWM控制信号，一路控制舵机输出舵机转角以调整桨叶角的大小，另一路控制电调以调整供给无刷电机电压的大小；

LCD液晶显示模块，用于显示可读数据；根据数据处理与控制模块处理后的可读数据使用数据处理与控制模块的I2C协议将变距桨电动力装置所反映的各测量参数和杆位模块的杆位值显示在液晶屏上；

PC端，用于配合数据处理与控制模块的辨识模式，根据接收变距桨电动力装置的响应参数，通过PC端的辨识算法将变距桨电动力装置的线性和非线性模型的参数辨识出来。

所述杆位输入模块包括：变距杆和油门杆，每个杆配有电位器模块和阻尼模块；杆位移的产生与电位器的输出的模拟电压信号呈线性映射关系，则变距杆的电位器模块输出的方波脉冲电压信号经数据处理与控制模块的读取和处理后输出PWM控制信号与舵机建立控制关系；油门杆电位器模块输出的方波脉冲电压信号经数据处理与控制模块的读取和处理后输出另一路PWM控制信号与可变距动力装置的电子调速器建立控制关系；另外，变距杆和油门杆所带的阻尼模块为变距杆和油门杆提供杆力。

所述数据采集模块包括：光电传感器、电阻应变式压力传感器、电压电流传感器；光电传感器由光电门和数字信号调制电路组成，当螺旋桨叶片扫略光电门阻挡光路时，自动输出高电平信号，否则输出低电平信号，数据处理与控制模块通过计算高电平时间占总时间的比例换算成螺旋桨的转速；电阻应变式压力传感器，是一款采样具有两路模拟通道输入，内部集成128倍增益可编程放大器，且电阻应变式压力传感器输入电路配置为提供桥压的电桥式传感器模式，是采样前端模块，工作方式为带线端固定，另一端承受压力输出电压信号，电阻应变式压力传感器用于螺旋桨拉力和扭矩的测量，由于轴功率不可直接测量，则可用扭矩和角速度的乘积间接表示出轴功率；电压电流传感器用来检测变距螺旋桨电动力装置在工作时供电电源输出的电压电流的状态，经数据处理与控制模块读取和处理相应的电位信号后得到工作时的电流电压值，以U*I来表示工作时的电功率值；另外，再以变距螺旋桨工作时的轴功率与电功率之比得到变距桨电动力装置工作时的绩效。

所述数据处理与控制模块采用ATmega328微控制器和16MHz的石英晶体振荡器；端口配置为一个Mini USB接口，用来与PC端进行通讯和程序的烧录；另外数据处理与控制模块设有14只引脚用于数字信号的输入/输出、有8只引脚用于模拟信号的输入，且在14只数字输入/输出引脚中有6只引脚输出PWM控制信号，该模块将读取数据采集模块和两操纵杆的电位信号，经处理后将可读数据通过I2C协议传输至LCD液晶显示屏上，之后数据处理与控制模块将输出PWM控制信号来控制舵机转角和相应的电调输出电压，且数据处理与控制模块包含两种模式：控制模式和辨识模式，其中控制模式将杆位输入模块与变距桨电动力装置建立控制关系，并通过LCD显示模块对控制过程中的变距桨电动力装置所反映的各测量参数和杆位输入模块的杆位值进行监控；辨识模式是直接将数据处理与控制模块与变距桨电动力装置建立控制关系，变距桨电动力装置按数据处理与控制模块给定的阶跃控制信号进行响应，之后数据处理与控制模块将响应值通过Mini USB接口将其传输到PC端进行处理以辨识出模型参数，所述响应值包括轴功率值、拉力值和转速；控制模式与辨识模式自由切换，控制模式用来对变距桨电动力装置的工作过程进行教学演示，辨识模式用来进行对变距桨电动力装置的非线性和线性模型的参数进行辨识的科研实验。

所述数据处理与控制模块中，控制模式包括开环控制模式和单闭环控制模式；开环控制模式实现为：以变距杆来控制舵机的转角大小，舵机作动变距机构来改变桨叶角的大小，以此实现改变螺旋桨在工作状态的负载；以油门杆来控制电调的输出电压，调整电机的输出功率，且在该模式下进行变距桨电动力装置工作过程的演示，另外在该模式下完成数据采集工作，分析变距桨电动力装置的动力特性和输入/输出特性；所述单闭环控制模式实现为：固定一个桨叶角，设定轴功率值，将数据采集模块所得到的轴功率值进行反馈，将设定的轴功率值与反馈得到的轴功率值作差，得到偏差量送至PID控制器，最后PID控制器输出控制量PWM使轴功率稳定在功率设定值附近。

所述数据处理与控制模块中，阶跃辨识模式输入桨叶角和油门占空比的阶跃信号，并根据辨识的需要调整阶跃信号的大小，再根据输入的阶跃信号进行相应的输出量和状态量的响应，其中输出量为轴功率和拉力，状态量为螺旋桨的角速度；此时数据处理与控制模块将以时间为序列的轴功率、拉力和角速度传到PC端，得到各阶跃信号输出响应曲线，根据时域辨识法PC端可计算出时间常数T，再以稳态点带入方法将变距桨电动力装置的模型参数辨识出来。

所述数据处理与控制模块中，变距桨电动力装置的非线性和线性模型均以桨叶角和油门占空比为输入，轴功率和拉力为输出，角速度为状态量，通过机理建模将本装置的数学模型表达出来。

所述可变距电动力装置包括：集成可变距无刷电机、空气螺旋桨、电子调速器和舵机；可变距无刷电机将变距杆的直线距离Δx转化为桨叶角β的变化，并且其具有和普通小型直流电机一样的调速特性；若不考虑电枢电感和轴承摩擦阻力，稳态时转子空载转速大小同直流电压呈线性关系，动态时转子空载转速同直流电压呈一阶惯性关系；电子调速器的输入为表示0-100％程度或高电平时间比例的数字信号和定压直流电源，输出直流电压则为数字信号所表示的百分比和直流电源压力的乘积；空气螺旋桨消耗直流电动机输出的转矩并获得一定转速，旋转的桨叶与空气相互作用产生叶面升，根据经典叶素理论推导，空气螺旋桨实时消耗的转矩同转速呈非线性关系；舵机输入脉宽为1000-2000微秒的脉宽调制信号(PWM)和定压直流电源，输出舵机转子的转动角度作动变距机构来改变螺旋桨的桨叶角。

所述的LCD显示模块通过I2C协议，以SDA和SCL传输接口将杆位信号和AVR单片机处理后的数据采集模块所采集的数据显示在液晶显示屏上。

所述PC端接收在数据处理与控制模块的辨识模式下变距桨电动力装置的输出响应，再通过算法将模型的参数辨识出来。对于变距桨电动力装置的非线性模型而言，PC端接收数据处理与控制模块在辨识模式下桨叶角为零时油门占空比进行大阶跃条件下变距桨电动力装置的转速响应以及在不同桨叶角和油门占空比条件下变距桨电动装置转速、拉力和轴功率的稳态值，以此PC端通过时域辨识法和稳态点带入求解方程组的方法可辨识出变距桨电动力装置非线性模型的各参数值。对于变距桨电动力装置的线性模型而言，PC端接收数据处理与控制模块在辨识模式下桨叶角固定时油门占空比进行阶跃量为0.05的小阶跃条件下变距桨电动力装置的转速响应以及在阶跃前后拉力和轴功率的稳态值，通过时域辨识法和稳态点带入求解未知数的方法可求解一部分参数；之后PC端再接收油门占空比固定时桨叶角进行阶跃量为5°的小阶跃条件下变距桨电动力装置的转速响应以及在阶跃前后拉力和轴功率的稳态值，第二次通过时域辨识法和稳态点带入求解未知数的方法可再求解出一部分参数；最后结合两次阶跃前后转速、拉力、轴功率的稳态值带入方程可求解出剩余的模型参数。以此PC端通过时域辨识法和稳态点带入求解方程组的方法可辨识出变距桨电动力装置非线性模型的各参数值。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)与现有技术相比，本发明设计低虚位传动机构，传动关系更简单，桨叶变距指向更精确。

(2)现有技术多采用模拟伺服舵机，其受电压不稳定等因素影响时，输出容易产生误差。本发明采用数字式变距伺服舵机，控制精确，输出重复性好；舵机转角与桨叶角对应控制关系可参照说明书附图8。

(3)现有技术多使用专门的上位系统进行指令输出和状态显示，造价昂贵，准备时间较长，更适用于大课堂演示，学生一般不能获得独自操作的机会。本发明使用单片机同时作为控制器和信号处理传输终端，使用带阻尼的操纵杆作为指令输入，专用液晶屏用作状态显示。装置集成度较高，操纵方便，显示直观，适合用作单人或小组的实践。

(4)本发明贴近民航动力装置的教学，特别是针对于涡桨发动机的教学，使本专业学生深刻了解油门配置和桨距配置之间的关系，并借助此平台使学生对涡桨发动机的动力特性有一个初步了解。

(5)本发明使用模块化设计，能一定程度的改装。在满足信号制式的前提下，可更换动力装置或适配传感器型号，具有较强的通用性。

(6)与部分现有技术相比，本发明还能向上位机(PC端)发送数据包，并被上位机软件用作曲线显示或进一步数据处理，在多变量控制和非线性辨识等领域中具有一定的科研价值。

附图说明

图1为本发明平台的组成框图；

图2为本发明杆位输入模块的示意图；

图3为本发明数据采集模块的示意图；

图4为本发明数据处理与控制模块的示意图；

图5为本发明可变距动力装置执行模块的示意图；

图6为本发明LCD液晶显示模块的示意图；

图7为变距机构的几何结构示意图；

图8为舵机转角α与桨叶角β的关系曲线图；

图9为地面测试装置(实物)电机支架部分的示意图；

图10为地面测试装置(实物)控制和显示部分的示意图；

图11为变距螺旋桨电动力装置的控制框图；

图12为固定桨叶角下油门与转速的关系；

图13为固定油门下桨叶角与转速的关系图；

图14为变距螺旋桨电动力装置的单回路控制框图；

图15为单回路控制下的轴功率响应曲线；

图16为变距螺旋桨电动力系统的时域非线性数学模型及组成图。

图17为变距螺旋桨电动力系统的线性数学模型的示意图；

图18为变距螺旋桨电动力装置线性模型和非线性模型的辨识结果的示意图；

图19和图20：非线性、线性数学模型仿真与实物系统轴功率和拉力输出的对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明主要包含了杆位输入模块、数据采集模块、数据处理与控制模块、变距桨电动力装置以及LCD液晶显示模块。本发明以数据处理与控制模块为中枢，首先结合了杆位输入模块完成了对变距桨电动力装置的开环控制；其次结合了杆位输入模块和数据采集模块完成了对变距桨电动装置的单闭环控制；再者结合了杆位输入模块、数据采集模块、变距桨电动力装置以及PC端完成了对变距桨电动力装置线性模型和非线性模型的参数辨识；最后结合了LCD显示模块实现了对变距桨电动力装置在工作过程中的数据进行监控。

如图2所示，杆位输入模块，包含变距杆和油门杆，用于控制指令的输入，用油门杆与电调建立控制关系，变距杆与舵机建立控制关系。变距杆和油门杆内置了电位器模块，供电电压为5V，可将杆位移转化为电位信号输出到数据处理与控制模块,由数据处理与控制模块的模拟信号口进行读取。且电位器输出的电位信号是脉宽范围为0-1024μs的方波脉冲信号，方波脉宽的变化与杆位移呈线性映射关系。

本平台选用了带弹簧阻尼的变距杆与油门杆，目的是为油门杆和变距杆提供杆力让操作者有更好的手感。

如图3所示，数据采集模块包括光电传感器、电阻应变式压力传感器、电压电流传感器，主要用来采集变距桨电动力装置在工作过程中的各测量参数。

光电传感器，供电电压为12V，将叶片置于光电门的U型槽间，使叶片扫略时正好能够遮挡光路。当叶片旋转时，每扫略过一次光电门，光电门电路就会产生一个电脉冲传给数据处理与控制模块，最后数据处理与模块将会读取一秒内空气螺旋桨所转过的圈数得到转速，最后将转速单位化为rad/s。

电阻应变式压力传感器，也称应变梁，供电电压5V，在本发明中一共用了3个。安装位置如图9所示，两个应变梁作为扭矩传感器6对称于机架安装，用来测量变距螺旋桨电机工作时的扭矩；剩余的一个应变梁作为拉力传感器7安装在机架中央，可用来测量变距螺旋桨电机工作时所产生的拉力。当电机工作时由于螺旋桨的负载作用会产生扭矩和拉力，此时电阻应变式压力传感器会根据感应到的应力产生相应的模拟电压信号，经A/D转换元件后将数字信号传至数据处理与控制模块。数据处理与控制模块将两端电阻应变式压力传感器所采集到的电位信号经公式处理成扭矩，另外置于中央的阻应变式压力传感器所采集到的电位信号经公式处理成拉力。

电压电流传感器，供电电压5V，电源总线从该传感器的两端接入和接出，让电流可流经电压电流传感器，电压电流传感器输出电位信号给数据处理与控制模块。

如图4所示，数据处理与控制模块，供电电压5V，一方面用于读取变距杆和油门杆电位器的发出的电位信号生成两路PWM控制信号，另一方面用于读取数据采集模块的电位信号，包括光电转速传感器和电阻应变式的数字信号和电压电流传感器所输出的模拟信号，经滤波和解算后生成10进制具有量纲的基本测量参数，包括拉力、扭矩、转速、工作电压及电流、电功率、轴功率及绩效。

数据处理与控制模块的两种模式：控制模式和辨识模式。

a.数据处理与控制模块的控制模式

开环控制模式：变距螺旋桨电动力装置的开环控制包括对油门的调节和桨叶角的调节，并且数据采集模块测量参数的采集也依赖于变距桨电动力装置开环控制功能的实现。如图11所示，数据处理与控制模块(AVR单片机)通过读取油门杆电位器脉宽范围为0-1024μs电位脉冲信号经数据处理以控制模块线性变换后输出脉宽范围为1000-2000μs的PWM控制信号输入电调，电调根据PWM控制信号的脉宽调节供给无刷电机的电压，使得转子的转速改变；同理数据处理与控制模块(AVR单片机)将读取变距杆的电位信号，经线性变化后输出PWM值给舵机，舵机根据输入的PWM信号来匹配出相应的伺服转角来作动变距机构改变螺旋桨的负载，以此使得油门杆与电调建立控制关系，变距杆与桨叶角建立控制关系，实现开环控制。油门杆调控效果如图12所示，当变距杆固定，则桨叶角不变，推动油门杆，随着占空比的增大，根据无刷电机的调速特性，无刷电机的转速在逐渐增大。变距杆的调控效果如图13所示，当油杆门固定时，则电调的供给电压不变，推动变距杆，随着桨叶角的增加，螺旋桨的气动负载在不断增大，则螺旋桨的转速在逐渐下降。

单闭环控制模式：设定桨叶角为定值17°，以油门杆为轴功率杆，设定轴功率范围为0-20W。数据处理与控制模块将电功率杆电位器输出的0-1024μs的脉宽范围线性映射到轴功率的设定范围0-20W,只要有一个杆位移就会对应有一个对应的轴功率设定值。当变距桨电动力装置工作时数据处理与控制模块会根据数据采集模块所提供的扭矩和转速的电位信号解算出测量参数扭矩M和转速ω,以扭矩和转速的乘积可得到变距桨电动力装置实时反馈的轴功率。如图14所示，数据处理与控制模块将设定的轴功率值与反馈的轴功率值做差，轴功率的偏差量进入数据处理与控制模块的PID控制器，输出相应脉宽的PWM控制信号控制电调输出相应的电压供给无刷电机，使变距桨电动力装置的轴功率稳定在设定值附近，以此完成变距桨电动力装置的单闭环回路的控制。单闭环控制效果如图15所示，实际输出的轴功率在逐渐取贴合功率杆的设定值。

b.数据处理与控制模块的辨识模式

数据处理与控制模块的辨识模式：非线性模型的辨识和线性模型的辨识。

非线性模型的辨识模式：

L_F＝q_Lω²β

该式为变距桨电动力装置的非线性模型，式中输入量为占空比δ和桨叶角β，输出量为拉力L_F和轴功率N_s，状态量为角速度ω；A、B、q₁、q₂、q₃、q_L、

则为变距桨电动力装置的非线性模型需要辨识的模型参数。模型解析如图16所示，变距螺旋桨电动力系统的数学模型的第一项为一个Hammerstein型非线性微分方程，方程右侧为输出转矩的关系式，左侧为输入PWM信号值，且第一个方程中一阶线性微分环节代表无气动作用力的电子调速器-直流电动机-零桨距桨叶输出的转速关系，可用时域辨识法辨识；剩余多项式代表在稳态输入下的电子调速器-直流电动机-空气螺旋桨组合输出的转速关系，可用稳态点带入的方法进行辨识。后两项方程式描述了电动力系统输入—输出关系，电动力装置输入为桨叶角和PWM值，输出轴功率Ns和拉力L_F,由于无微分项，可采用稳态点带入的方法进行辨识。

数据处理与控制模块进入变距桨电动力装置的非线性模型的辨识模式后，桨叶角β将自动置为零度，起动装置并使无刷电机的转速ω稳定在最低自持转速；数据处理与控制模块将给变距桨电动力装置的电调输入阶跃PWM信号值，阶跃上限值为变距机构在零桨叶角能承受的最大转速所对应的PWM信号值，同时数据采集模块的光电转速传感器回传转速信号。在转速ω增加过程中，数据处理与控制模块将以时间为序列的转速ω值通过串口通讯传给PC端。待转速ω稳定后，PC端根据时域转速ω响应，确定转速增量△ω，在找到转速增量△ω的63.3％所对应的时间增量△t，该时间增量△t则为一阶惯性环节的时间常数T，转速增量△ω与PWM信号值增量△δ的比值则为一阶惯性环节的比例常数K；以此可辨识出参数A和B，辨识公式如下。

AΩ(s)+BsΩ(s)＝δ(s)

之后，变化桨叶角β和占空比δ，采集稳态下转速值ω,取三组这样的稳态点，即(β₁、δ₁、ω₁；β₂、δ₂、ω₂；β₃、δ₃、ω₃),通过解三元一次方程组可得到参数q₁、q₂、q₃的值。

再者，变化桨叶角β和占空比δ，采集稳态下轴功率值Ns和转速值ω，取两组这样的稳态点，即(Ns₁、ω₁、δ₁；Ns₂、ω₂、δ₂)通过解二元一次方程组可得到参数q_N1和q_N2的值；

最后，变化桨叶角β和占空比δ，采集稳态下拉力值L_F和转速值ω，取这样的一组稳态点，即(L_F,ω,β)，通过求解一元一次方程可得到参数q_L的值。

线性模型的辨识模式：

该式为变距桨电动力装置的非线性模型，式中△δ和△β为输入量，△N_S和△L_F为输出量，△ω为状态量；a、b₁、b₂、c₁、c₂、d₁₁、d₂₂置的线性模型需要辨识的模型参数。模型的辨识结构如图17所示，变距螺旋桨的线性模型是其非线性模型经在稳态点附近一阶泰勒展开后所得的一个状态空间方程，用控制变量法、时域辨识法和稳态点带入的方法可辨识。

数据处理与控制模块进入变距桨电动力装置的线性模型的辨识模式后，固定一个大桨叶角β，阶跃过程中△β＝0；再给定一个较低的PWM值使无刷电机的转速ω稳定；数据处理与控制模块将给变距桨电动力装置的电调输入小阶跃PWM信号值，同时数据采集模块的光电门转速传感器回传转速信号。在转速ω增加过程中，数据处理与控制模块将以时间为序列的转速ω值通过串口通讯传给PC端。待转速ω稳定后，PC端根据时域转速ω响应，确定转速增量△ω₁，在找到转速增量△ω₁的63.3％所对应的时间增量△t₁，该时间增量△t₁则为一阶惯性环节的时间常数T₁，转速增量△ω₁与PWM信号值增量△δ的比值则为一阶惯性环节的比例常数K₁；以此可辨识出参数a₁和b₁。与此同时，PC端也将计算出阶跃过程中的△Ns₁和△L_F1。

s△Ω(s)＝a₁△Ω(s)+b₁△δ(s)

固定一个PWM值，阶跃过程中△δ＝0；在当前固定的PWM值使无刷电机的转速ω稳定；数据处理与控制模块将给变距桨电动力装置输入从大到小的桨叶角β阶跃信号值，同时数据采集模块的光电门转速传感器回传转速信号。在转速ω增加过程中，数据处理与控制模块将以时间为序列的转速ω值通过串口通讯传给PC端。待转速ω稳定后，PC端根据时域转速ω响应，确定转速增量△ω₂，在找到转速增量△ω₂的63.3％所对应的时间增量△t₂，该时间增量△t₂则为一阶惯性环节的时间常数T₂，转速增量△ω₂与PWM信号值增量△β的比值则为一阶惯性环节的比例常数K₂；以此可辨识出参数a₂和b₂。与此同时，PC端也将计算出阶跃过程中的△Ns₂和△L_F2。

s△Ω(s)＝a₂△Ω(s)+b₂△δ(s)

剩余参数的辨识算法如下：

变距桨电动力装置的非线性模型和线性模型的辨识结果如图18所示，图中的1式是变距桨电动力装置的非线性模型的辨识结果，这是以上述的非线性模型的辨识算法经过了大量数据的解算后所得出的结果；图中的2式是变距桨电动力装置的LPV模型，该模型是以上述线性模型的辨识算法对整个工况的多个稳态点进行辨识的所得结果进行拟合所得出得的线性参变量模型。

根据图18中模型的仿真结果与实物平台的输出作对比，情况如图19和20所示：图19中灰色细虚线代表实物系统的拉力输出，其中实物系统采12V-1400kV-2820型直流电动机和9英寸型空气螺旋桨，灰色的细实线代表本发明所建立和辨识的线性参变量模型的拉力输出，黑色粗虚线代表本发明所建立和辨识的非线性微分方程仿真拉力输出；图20中黑色粗虚线、灰色细实线、灰色细虚线分别代表非线性模型仿真的拉轴功率输出、线性参变量模型仿真的轴功率输出和灰色细虚线所代表的实物轴功率的响应输出；从这两幅图可看出辨识实物系统得到的非线性、线性数学模型的仿真输出(轴功率和拉力)与实物系统输出响应曲线重合度较高，表明所建模型是符合实际的。

如图5所示，变距桨电动力装置主要由a、b、c、d构成，但由于要实现桨距的调节，则需要舵机支架e和十字钣金件f来分别固定舵机和无刷电机已得到两者之间准确的空间位置关系，具体安装情况可参照说明书附图9。

a.空气螺旋桨1：采用9英寸桨叶，一共两片，对称安装，消耗直流电动机输出的转矩并获得一定转速，旋转的桨叶与空气相互作用产生叶面升力，、根据经典叶素理论推导，空气螺旋桨实时消耗的转矩同转速呈非线性关系

b.电调：电机驱动电压12V,模块供电电压5V，信号线连接在数据处理与控制模块的PWM输出口上，接受数据处理与控制模块1000-2000μs的PWM信号，输出与PWM脉宽线性对应的电机驱动电压；且在使用前需根据油门杆的行程对电调进行校准。

c.可变距无刷电机2：在普通直流无刷电机的基础上加装了变距机构，且供电电压和普通直流无刷电机一样也是12V。可变距无刷电机将变距杆的直线距离Δx转化为桨叶角β的变化，并且其具有和普通小型直流电机一样的调速特性；若不考虑电枢电感和轴承摩擦阻力，稳态时转子空载转速大小同直流电压呈线性关系，动态时转子空载转速同直流电压呈一阶惯性关系。

d.舵机3：固定在舵机支架上，舵机摇臂与可变距无刷电机的变距杆铰接，供7V电压，信号线连接在数据处理与控制模块的PWM输出口上，接受数据处理与控制模块1000-2000μs的PWM信号，输出与PWM脉宽线性对应的舵机转角。

e.舵机支架4：以ABS作为打印舵机支架的材料，用软件将设计好的舵机支架用3D打印机打印出来，舵机支架没有特殊的承力要求，它只起到固定舵机的作用，将它固定在无刷电机支架上使舵机的摇臂作动可变距无刷电机的变距杆，从而使桨叶角发生改变。

f.十字钣金件5：带十字校准孔，可将可变距无刷电机固定在装置的中心位上。

通过十字钣金件和舵机支架分别对可变距无刷电机和舵机进行固定后，舵机转角与桨叶角的具体几何变化过程如图7所示，由于ACD是直角杆，转动舵机机臂OA会使四边形BCDE发生变形从而使BE杆向上偏离水平线产生桨叶角β，则通过几何关系的推导可得到舵机转角α和桨叶角β之间的对应的函数关系。图8以曲线图直观的形式描述变距机构输入舵机转角与输出的桨叶角之间复杂的几何对应关系。

如图6所示，LCD液晶显示模块，供电5V，模块上的SDA和SCL与数据处理与控制模块上的SDA和SCL引脚相连，通过I2C协议实现数据处理与控制模块和LCD显示模块间的数据传输，使数据采集模块和杆位输入模块的相关参数均显示在显示屏上。但在使用LCD模块前需通过设定程序查找LCD设备地址，找到设备地址再编写程序后，LCD液晶显示模块才能正常工作。

如图10所示，该图为变距桨电动力装置的控制平台，总电源开关8，无刷电机电源开关9；变距杆10，将变距杆的位置信号转化为模拟电压信号输入AVR单片机。油门杆11将油门杆的位置信号转化为模拟电压信号输入AVR单片机。两个复合控制开关12和13，复合控制开关12在非线性模型辨识的工作模式下负责手动模式和阶跃模式的切换和在线性模型辨识的工作模式下作为桨叶角的阶跃触发开关，复合控制开关13在控制系统的演示工作模式下负责开环控制模式与单闭环控制模式的切换和模型辨识的工作模式下作为油门的触发开关；LCD液晶显示屏14，用于显示装置的各种测量参数。除此之外，装置还内置了电流和电压传感器，且装置以AVR单片机作为控制器，用来处理变距杆和油门杆的模拟信号并转换为PWM输出；之外AVR单片机需采集转速传感器、扭矩传感器、拉力传感器、电流和电压传感器的信号，处理后显示在LCD液晶显示屏上。

变距桨电动力装置控制系统演示及模型辨识的操作流程

A.变距螺旋桨电动力装置的演示：

1)烧录控制程序后，参照说明书附图10进行以下操作。

2)打开总电源开关8，看到LCD屏幕亮起并显示参数信息；打开电机电源开关9，听到电机发出“哔—哔——哔”的声音，则电机通电完成。

3)先把油门杆11拨到上方停留2-3s再往回拨，当拨到一半行程时快速下拨到行程为零，油门杆位完成解锁。

4)拨动油门杆11，增加杆位值，螺旋桨的转速上升；固定油门杆11后拨动变距杆10，逐渐增加变距杆10的杆位值，螺旋桨的转速下降。

5)收杆时，先收油门杆11，再收变距杆10，以防止装置在大油门，低桨距的情况下超转。

6)当电机停止工作时，滑动复合控制开关13切换到单回路控制模式，此时桨叶角自动变到设定值，拨动油门杆11设定轴功率，电机的实际轴功率开始朝着设定值响应。

7)收油门杆11，滑动复合控制开关13，回到开环控制模式。

8)关闭电源。

B.非线性模型辨识操作流程

1)烧录非线性模型的辨识程序，参照图10进行以下操作。

2)打开总电源开关8，看到LCD屏幕亮起并显示参数信息；打开电机电源开关9，听到电机发出“哔—哔——哔”的声音，则电机通电完成。

3)先把油门杆11到上方停留2-3s再往回拨，当拨到一半行程时快速下拨到行程为零，油门杆位完成解锁。

4)推动变距杆10使其归到零位，此时桨叶角为零。

5)滑动复合控制开关12，使装置从手动模式转到阶跃模式。

6)滑动复合控制开关13，装置从低油门位阶跃到指定的高油门位，此时通过USB接口到PC端，采集阶跃前后的转速(ω)参数,完成时域辨识。

7)再次滑动复合控制开关12，使其回到手动模式，变动变距杆10和油门杆11的杆位值，采集每次变动杆位值后的稳态点的数据，辨识余下的参数。具体辨识过程见上述的非线性模型的辨识步骤。

8)关闭电源。

C.线性模型辨识操作流程

1)烧录线性模型的辨识程序，参照说明书附图10进行以下操作。

2)打开总电源开关8，看到LCD屏幕亮起并显示参数信息；打开电机电源开关9，听到电机发出“哔—哔——哔”的声音，则电机通电完成。

3)先把油门杆11拨到上方停留2-3s再往回拨，当拨到一半行程时快速下拨到行程为零，油门杆位完成解锁。

4)该模式下将变距杆10推到最大屏蔽掉手动模式，此时可变距无刷电机以一个高桨距和一个低油门启动。

5)待装置的各参数稳定后滑动复合控制开关12阶跃桨叶角，直到其稳定，采集整个过程的阶跃数据(包括转速、轴功率、拉力、油门值、桨叶角)通过USB传到PC端，之后将其再滑回原位。

6)待装置的各参数稳定后滑动复合控制开关13阶跃油门，直到其稳定，采集整个阶跃过程的数据，(包括转速、轴功率、拉力、油门值、桨叶角)通过USB传到PC端，之后将其再滑回原位。

7)拉回变距杆10恢复手动模式。

8)可改变程序里的阶跃量来辨识多组稳态点的线性模型的参数，需重复步骤3)、4)、5)、6)(具体线性模型的辨识方法见上述中的辨识步骤)。

9)关闭电源。

本发明平台采用了嵌入式开发技术，软硬件结合，实现了该平台数据采集及控制的功能，变距精确，控制灵活且小巧轻便，不仅满足老师的课堂演示，学生也可单人或小组进行操作；且在此基础之上还开发了模型参数的辨识模式，借助本实验平台辨识出变距桨电动力装置的数学模型，方便于科研工作者对变距桨电动力装置的控制系统进行仿真和开发。

Claims (10)

1.一种变距航空动力系统特性与控制教学实验平台，其特征在于，包括：杆位输入模块、数据采集模块、数据处理与控制模块、可变距电动力装置、LCD液晶显示模块和PC端，其中：

杆位输入模块，用于发出控制指令，根据杆位移输出相应的电位信号送至数据处理与控制模块控制无刷电机的供给电压和桨叶角；

数据采集模块，用于采集可变距电动力装置的各测量参数，包括轴功率、拉力、转速、扭矩和电功率；数据采集模块根据可变距动力装置所反应各测量参数的大小输出相应的电位信号送至数据处理与控制模块；

数据处理与控制模块，用于输入信号读取、处理和输出控制信号，读取杆位输入模块和数据采集模块所输出的电位信号，并处理成PWM控制信号输出给可变距电动力装置，将数据采集模块采集的和杆位输入模块的电位信号处理成可读数据，包括变距桨电动力装置所反应的各测量参数和杆位输入模块的杆位值，通过I2C协议将这些可读数据传送至LCD液晶显示模块，该数据处理与控制模块包括两种模式：控制模式和阶跃辨识模式，用于两种工作状态，其中控制模式用于采集数据及对变距桨电动力装置的工作过程进行教学演示，另一种阶跃辨识模式是用来进行该装置的非线性和线性模型的参数辨识的实验工作；

可变距电动力装置，作为控制信号的执行机构，接收由数据处理与控制模块输出的两路PWM控制信号，一路控制舵机输出舵机转角以调整桨叶角的大小，另一路控制电调以调整供给无刷电机电压的大小；

LCD液晶显示模块，用于显示可读数据；根据数据处理与控制模块处理后的可读数据使用数据处理与控制模块的I2C协议将变距桨电动力装置所反映的各测量参数和杆位模块的杆位值显示在液晶屏上；

PC端，用于配合数据处理与控制模块的辨识模式，根据接收变距桨电动力装置的响应参数，通过PC端的辨识算法将变距桨电动力装置的线性和非线性模型的参数辨识出来。

2.根据权利要求1所述的变距航空动力系统特性与控制教学实验平台，其特征在于：所述杆位输入模块包括：变距杆和油门杆，每个杆有电位器模块和阻尼模块；杆位移的产生与电位器的输出的模拟电压信号呈线性映射关系，则变距杆的电位器模块输出的方波脉冲电压信号经数据处理与控制模块的读取和处理后输出PWM控制信号与舵机建立控制关系；油门杆电位器模块输出的方波脉冲电压信号经数据处理与控制模块的读取和处理后输出另一路PWM控制信号与可变距动力装置的电子调速器建立控制关系；另外，变距杆和油门杆所带的阻尼模块为变距杆和油门杆提供杆力。

3.根据权利要求1所述的变距航空动力系统特性与控制教学实验平台，其特征在于：所述数据采集模块包括：光电传感器、电阻应变式压力传感器、电压电流传感器；光电传感器由光电门和数字信号调制电路组成，当螺旋桨叶片扫略光电门阻挡光路时，自动输出高电平信号，否则输出低电平信号，数据处理与控制模块通过计算高电平时间占总时间的比例换算成螺旋桨的转速；电阻应变式压力传感器，为采样具有两路模拟通道输入，内部集成128倍增益可编程放大器；且电阻应变式压力传感器输入电路配置为提供桥压的电桥式传感器模式，是采样前端模块，工作方式为带线端固定，另一端承受压力输出电压信号，电阻应变式压力传感器用于螺旋桨拉力和扭矩的测量，由于轴功率不可直接测量，则可用扭矩和角速度的乘积间接表示出轴功率；电压电流传感器用来检测变距螺旋桨电动力装置在工作时供电电源输出的电压电流的状态，经数据处理与控制模块读取和处理相应的电位信号后得到工作时的电流电压值，以U*I来表示工作时的电功率值；另外，再以变距螺旋桨工作时的轴功率与电功率之比得到变距桨电动力装置工作时的绩效。

4.根据权利要求1所述的变距航空动力系统特性与控制教学实验平台，其特征在于：所述数据处理与控制模块采用ATmega328微控制器和16MHz的石英晶体振荡器；端口配置为一个MiniUSB接口，用来与PC端进行通讯和程序的烧录；另外数据处理与控制模块设有14只引脚用于数字信号的输入/输出、有8只引脚用于模拟信号的输入，且在14只数字输入/输出引脚中有6只引脚输出PWM控制信号，该模块将读取数据采集模块和两操纵杆的电位信号，经处理后将可读数据通过I2C协议传输至LCD液晶显示屏上，之后数据处理与控制模块将输出PWM控制信号来控制舵机转角和相应的电调输出电压，且数据处理与控制模块包含两种模式：控制模式和辨识模式，其中控制模式将杆位输入模块与变距桨电动力装置建立控制关系，并通过LCD显示模块对控制过程中变距桨电动力装置所反映的各测量参数和杆位输入模块的杆位值进行监控；辨识模式是直接将数据处理与控制模块与变距桨电动力装置建立控制关系，变距桨电动力装置按数据处理与控制模块给定的阶跃控制信号进行响应，然后数据处理与控制模块将响应值通过Mini USB接口将其传输到PC端进行处理以辨识出模型参数，所述响应值包括轴功率值、拉力值和转速；控制模式与辨识模式可自由切换，控制模式用来对变距桨电动力装置的工作过程进行教学演示，辨识模式用来进行对变距桨电动力装置的非线性和线性模型的参数进行辨识的科研实验。

5.根据权利要求4所述的变距航空动力系统特性与控制教学实验平台，其特征在于：所述数据处理与控制模块中，控制模式包括开环控制模式和单闭环控制模式；开环控制模式实现为：以变距杆来控制舵机的转角大小，舵机作动变距机构来改变桨叶角的大小，以此实现改变螺旋桨在工作状态的负载；以油门杆来控制电调的输出电压，调整电机的输出功率，且在该模式下进行变距桨电动力装置工作过程的演示，另外在该模式下完成数据采集工作，分析变距桨电动力装置的动力特性和输入/输出特性；所述单闭环控制模式实现为：固定一个桨叶角，设定轴功率值，将数据采集模块所得到的轴功率值进行反馈，将设定的轴功率值与反馈得到的轴功率值作差，得到偏差量送至PID控制器，最后PID控制器输出控制量PWM使轴功率稳定在功率设定值附近。

6.根据权利要求4所述的变距航空动力系统特性与控制教学实验平台，其特征在于：所述数据处理与控制模块中，阶跃辨识模式输入桨叶角和油门占空比的阶跃信号，并根据辨识的需要调整阶跃信号的大小，再根据输入的阶跃信号进行相应的输出量和状态量的响应，其中输出量为轴功率和拉力，状态量为螺旋桨的角速度；此时数据处理与控制模块将以时间为序列的轴功率、拉力和角速度传到PC端，得到各阶跃信号输出响应曲线，根据时域辨识法PC端可计算出时间常数T，再以稳态点带入的方法将变距桨电动力装置的模型参数辨识出来。

7.根据权利要求4所述的变距航空动力系统特性与控制教学实验平台，其特征在于：所述数据处理与控制模块中，变距桨电动力装置的非线性和线性模型均以桨叶角和油门占空比为输入，轴功率和拉力为输出，角速度为状态量，通过机理建模将本装置的数学模型表达出来。

8.根据权利要求1所述的变距航空动力系统特性与控制教学实验平台，其特征在于：所述可变距电动力装置包括：集成可变距无刷电机、空气螺旋桨、子调速器和舵机；可变距无刷电机将变距杆的直线距离Δx转化为桨叶角β的变化，并且其具有和普通小型直流电机一样的调速特性；若不考虑电枢电感和轴承摩擦阻力，稳态时转子空载转速大小同直流电压呈线性关系，动态时转子空载转速同直流电压呈一阶惯性关系；电子调速器的输入为表示0-100％程度或高电平时间比例的数字信号和定压直流电源，输出直流电压则为数字信号所表示的百分比和直流电源压力的乘积；空气螺旋桨消耗直流电动机输出的转矩并获得一定转速，旋转的桨叶与空气相互作用产生叶面升，根据经典叶素理论推导，空气螺旋桨实时消耗的转矩同转速呈非线性关系；舵机输入脉宽为1000-2000微秒的脉宽调制信号(PWM)和定压直流电源，输出舵机转子的转动角度作动变距机构来改变螺旋桨的桨叶角。

9.根据权利要求1所述的变距航空动力系统特性与控制教学实验平台，其特征在于：所述的LCD显示模块通过I2C协议，以SDA和SCL传输接口将杆位信号和AVR单片机处理后的数据采集模块所采集的数据显示在液晶显示屏上。

10.根据权利要求1所述的变距航空动力系统特性与控制教学实验平台，其特征在于：所述PC端接收在数据处理与控制模块的辨识模式下变距桨电动力装置的输出响应，再通过算法将模型的参数辨识出来；对于变距桨电动力装置的非线性模型，PC端接收数据处理与控制模块在辨识模式下桨叶角为零时油门占空比进行大阶跃条件下变距桨电动力装置的转速响应以及在不同桨叶角和油门占空比条件下变距桨电动装置转速、拉力和轴功率的稳态值，以此PC端通过时域辨识法和稳态点带入求解方程组的方法可辨识出变距桨电动力装置非线性模型的各参数值；对于变距桨电动力装置的线性模型，PC端接收数据处理与控制模块在辨识模式下桨叶角固定时油门占空比进行阶跃量为0.05的小阶跃条件下变距桨电动力装置的转速响应以及在阶跃前后拉力和轴功率的稳态值，通过时域辨识法和稳态点带入求解未知数的方法求解一部分参数；之后PC端再接收油门占空比固定时桨叶角进行阶跃量为5°的小阶跃条件下变距桨电动力装置的转速响应以及在阶跃前后拉力和轴功率的稳态值，第二次通过时域辨识法和稳态点带入求解未知数的方法再求解出一部分参数；最后结合两次阶跃前后转速、拉力、轴功率的稳态值带入方程求解出剩余的模型参数，以此PC端通过时域辨识法和稳态点带入求解方程组的方法可辨识出变距桨电动力装置非线性模型的各参数值。

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