CN112761795A - 一种单转子涡桨动力装置控制系统及其方法 - Google Patents

一种单转子涡桨动力装置控制系统及其方法 Download PDF

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CN112761795A CN202011592765.0A CN202011592765A CN112761795A CN 112761795 A CN112761795 A CN 112761795A CN 202011592765 A CN202011592765 A CN 202011592765A CN 112761795 A CN112761795 A CN 112761795A
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Abstract

本发明涉及航空发动机控制技术领域，具体公开了一种单转子涡桨动力装置控制系统，包括燃油流量给定计算模块、螺旋桨桨距控制模块以及燃油计量活门位置闭环控制模块。本发明还公开了一种单转子涡桨动力装置控制方法。本发明提供的单转子涡桨动力装置控制系统，能自动匹配单转子涡桨动力装置燃油流量和螺旋桨桨距变化速率，使动力装置能迅速响应飞机功率需求，并使得动力装置状态变化更平稳。

Description

一种单转子涡桨动力装置控制系统及其方法
技术领域
本发明涉及航空发动机控制技术领域，更具体地，涉及一种单转子涡桨动力装置控制系统及其方法。
背景技术
目前的单转子涡桨发动机及螺旋桨控制系统，普遍采用通过功率杆开环控制燃油流量和通过调节桨距实现发动机转速恒定的控制规律，由于螺旋桨惯性大，负载特性响应慢，引起发动机供油变化速率和桨距调节速率不匹配，导致涡桨动力装置功率响应速度慢，稳定性较低，控制品质较差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供了一种单转子涡桨动力装置控制系统及其方法，能自动匹配单转子涡桨动力装置燃油流量和螺旋桨桨距变化速率，使动力装置能迅速响应飞机功率需求，并使得动力装置状态变化更平稳。
作为本发明的第一个方面，提供一种单转子涡桨动力装置控制系统，包括：
燃油流量给定计算模块，用于获取发动机转速给定值和发动机转速实际值，及依据所述发动机转速给定值和发动机转速实际值计算得到燃油流量给定值；
螺旋桨桨距控制模块，用于获取功率杆角度值，并依据所述功率杆角度值计算得到燃油流量目标值，及依据所述燃油流量目标值和所述燃油流量给定值计算得到桨距伺服控制电流值，以及依据所述桨距伺服控制电流值对螺旋桨桨距进行控制；以及
燃油计量活门位置闭环控制模块，用于获取燃油计量活门位置实际值，及依据所述燃油计量活门位置实际值和所述燃油流量给定值计算得到电液伺服阀控制电流值，以及依据所述电液伺服阀控制电流值对发动机燃油流量进行控制。
进一步地，所述燃油流量给定计算模块具体用于，将所述发动机转速给定值和发动机转速实际值在转速比较运算器中进行比较，其差值输出给第一PID算法，计算出所述燃油流量给定值，其中，所述第一PID算法的传递函数为
Figure BDA0002867340530000011
S为所述发动机转速给定值与发动机转速实际值之间的差值，Kp为比例增益，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。
进一步地，所述螺旋桨桨距控制模块具体用于，
将所述功率杆角度值经过第一插值表f1(x)转换为所述燃油流量目标值，其中，所述第一插值表f1(x)为功率杆角度值与燃油流量目标值插值表；
将所述燃油流量目标值和所述燃油流量给定值在燃油流量比较运算器中进行比较，差值输出给第二PID算法，计算出桨距伺服控制电流值，其中，所述第二PID算法的传递函数为
Figure BDA0002867340530000021
S为所述燃油流量目标值和所述燃油流量给定值之间的差值，Kp为比例增益，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数；
根据所述桨距伺服控制电流值改变桨毂变距的速度和方向，以实现螺旋桨桨距的控制。
进一步地，所述燃油计量活门位置闭环控制模块具体用于，依据所述燃油流量给定值计算得到燃油计量活门位置给定值，以及依据所述燃油计量活门位置给定值和燃油计量活门位置实际值计算得到所述电液伺服阀控制电流值。
进一步地，所述燃油计量活门位置闭环控制模块还用于，
将所述燃油流量给定值经过第二插值表f2(x)转换为所述燃油计量活门位置给定值，其中，所述第二插值表f2(x)为燃油计量活门给定插值表，通过试验室对燃油执行机构进行标定获取；
将所述燃油计量活门位置给定值与燃油计量活门位置实际值在燃油计量活门位置比较运算器中进行比较，其差值输出给第三PID算法，计算出所述电液伺服阀控制电流值，其中，所述第三PID算法的传递函数为
Figure BDA0002867340530000022
S为所述燃油计量活门位置给定值与燃油计量活门位置实际值之间的差值，Kp为比例增益，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数；
根据所述电液伺服阀控制电流值改变计量活门控制腔进出的燃油流量。
作为本发明的第二个方面，提供一种单转子涡桨动力装置控制方法，包括如下步骤：
步骤S110：获取功率杆角度值、发动机转速给定值、发动机转速实际值以及燃油计量活门位置实际值；
步骤S120：依据所述功率杆角度值计算得到燃油流量目标值，依据所述发动机转速给定值和发动机转速实际值计算得到燃油流量给定值；
步骤S130：依据所述燃油流量目标值和所述燃油流量给定值计算得到桨距伺服控制电流值，依据燃油计量活门位置实际值和所述燃油流量给定值计算得到电液伺服阀控制电流值；以及
步骤S140：依据所述桨距伺服控制电流值对螺旋桨桨距进行控制，以及依据所述电液伺服阀控制电流值对发动机燃油流量进行控制。
进一步地，还包括：
将所述发动机转速给定值和发动机转速实际值在转速比较运算器中进行比较，其差值输出给第一PID算法，计算出所述燃油流量给定值，其中，所述第一PID算法的传递函数为
Figure BDA0002867340530000023
S为所述发动机转速给定值与发动机转速实际值之间的差值，Kp为比例增益，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。
进一步地，还包括：
将所述功率杆角度值经过第一插值表f1(x)转换为所述燃油流量目标值，其中，所述第一插值表f1(x)为功率杆角度值与燃油流量目标值插值表；
将所述燃油流量目标值和所述燃油流量给定值在燃油流量比较运算器中进行比较，差值输出给第二PID算法，计算出桨距伺服控制电流值，其中，所述第二PID算法的传递函数为
Figure BDA0002867340530000031
S为所述燃油流量目标值和所述燃油流量给定值之间的差值，Kp为比例增益，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数；
根据所述桨距伺服控制电流值改变桨毂变距的速度和方向，以实现螺旋桨桨距的控制。
进一步地，还包括：
依据所述燃油流量给定值计算得到燃油计量活门位置给定值，以及依据所述燃油计量活门位置给定值和燃油计量活门位置实际值计算得到所述电液伺服阀控制电流值。
进一步地，还包括：
将所述燃油流量给定值经过第二插值表f2(x)转换为所述燃油计量活门位置给定值，其中，所述第二插值表f2(x)为燃油计量活门给定插值表，通过试验室对燃油执行机构进行标定获取；
将所述燃油计量活门位置给定值与燃油计量活门位置实际值在燃油计量活门位置比较运算器中进行比较，其差值输出给第三PID算法，计算出所述电液伺服阀控制电流值，其中，所述第三PID算法的传递函数为
Figure BDA0002867340530000032
S为所述燃油计量活门位置给定值与燃油计量活门位置实际值之间的差值，Kp为比例增益，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数；
根据所述电液伺服阀控制电流值改变计量活门控制腔进出的燃油流量。
本发明提供的单转子涡桨动力装置控制系统及其方法具有以下优点：能自动匹配单转子涡桨动力装置的发动机燃油流量和螺旋桨桨距变化速率，使动力装置能迅速响应飞机功率需求，并使得动力装置状态变化更平稳。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
图1为本发明提供的单转子涡桨动力装置控制系统的结构框图。
图2为本发明提供的单转子涡桨动力装置控制方法的流程图。
图3为本发明提供的单转子涡桨动力装置控制系统对应的仿真结果示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的单转子涡桨动力装置控制系统及其方法其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。显然，所描述的实施例为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
在本实施例中提供了一种单转子涡桨动力装置控制系统，如图1所示，所述单转子涡桨动力装置控制系统包括：
燃油流量给定计算模块，用于获取发动机转速给定值Ng和发动机转速实际值Nf，及依据所述发动机转速给定值Ng和发动机转速实际值Nf计算得到燃油流量给定值WN；
螺旋桨桨距控制模块，用于获取功率杆角度值PLA，并依据所述功率杆角度值PLA计算得到燃油流量目标值WPLA，及依据所述燃油流量目标值WPLA和所述燃油流量给定值WN计算得到桨距伺服控制电流值Iβ，以及依据所述桨距伺服控制电流值Iβ对螺旋桨桨距进行控制；以及
燃油计量活门位置闭环控制模块，用于获取燃油计量活门位置实际值XM，及依据所述燃油计量活门位置实际值XM和所述燃油流量给定值WN计算得到电液伺服阀控制电流值IM，以及依据所述电液伺服阀控制电流值IM对发动机燃油流量进行控制。
优选地，所述燃油流量给定计算模块具体用于，将所述发动机转速给定值Ng和发动机转速实际值Nf在转速比较运算器10中进行比较，其差值输出给第一PID算法11，计算出所述燃油流量给定值WN，其中，所述第一PID算法11的传递函数为
Figure BDA0002867340530000041
S为所述发动机转速给定值Ng与发动机转速实际值Nf之间的差值，Kp为比例增益，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。
优选地，所述螺旋桨桨距控制模块具体用于，
将所述功率杆角度值PLA经过第一插值表f1(x)7转换为所述燃油流量目标值WPLA，其中，所述第一插值表f1(x)为功率杆角度值与燃油流量目标值插值表；
将所述燃油流量目标值WPLA和所述燃油流量给定值WN在燃油流量比较运算器8中进行比较，差值输出给第二PID算法9，计算出桨距伺服控制电流值Iβ，其中，所述第二PID算法9的传递函数为
Figure BDA0002867340530000042
S为所述燃油流量目标值WPLA和所述燃油流量给定值WN之间的差值，Kp为比例增益，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数；
根据所述桨距伺服控制电流值Iβ改变桨毂变距的速度和方向，以实现螺旋桨桨距的控制。
优选地，所述燃油计量活门位置闭环控制模块具体用于，依据所述燃油流量给定值WN计算得到燃油计量活门位置给定值XW，以及依据所述燃油计量活门位置给定值XW和燃油计量活门位置实际值XM计算得到所述电液伺服阀控制电流值IM。
优选地，所述燃油计量活门位置闭环控制模块还用于，
将所述燃油流量给定值WN经过第二插值表f2(x)12转换为所述燃油计量活门位置给定值XW，其中，所述第二插值表f2(x)为燃油计量活门给定插值表，通过试验室对燃油执行机构进行标定获取；
将所述燃油计量活门位置给定值XW与燃油计量活门位置实际值XM在燃油计量活门位置比较运算器13中进行比较，其差值输出给第三PID算法14，计算出所述电液伺服阀控制电流值IM，其中，所述第三PID算法14的传递函数为
Figure BDA0002867340530000051
S为所述燃油计量活门位置给定值XW与燃油计量活门位置实际值XM之间的差值，Kp为比例增益，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数；
根据所述电液伺服阀控制电流值IM改变计量活门控制腔进出的燃油流量。
作为本发明的另一实施例，如图2所示，提供一种单转子涡桨动力装置控制方法，包括如下步骤：
步骤S110：获取功率杆角度值、发动机转速给定值、发动机转速实际值以及燃油计量活门位置实际值；
步骤S120：依据所述功率杆角度值计算得到燃油流量目标值，依据所述发动机转速给定值和发动机转速实际值计算得到燃油流量给定值；
步骤S130：依据所述燃油流量目标值和所述燃油流量给定值计算得到桨距伺服控制电流值，依据燃油计量活门位置实际值和所述燃油流量给定值计算得到电液伺服阀控制电流值；以及
步骤S140：依据所述桨距伺服控制电流值对螺旋桨桨距进行控制，以及依据所述电液伺服阀控制电流值对发动机燃油流量进行控制。
优选地，还包括：
将所述发动机转速给定值Ng和发动机转速实际值Nf在转速比较运算器10中进行比较，其差值输出给第一PID算法11，计算出所述燃油流量给定值WN，其中，根据自动控制原理，所述第一PID算法11的传递函数为
Figure BDA0002867340530000052
S为所述发动机转速给定值Ng与发动机转速实际值Nf之间的差值，Kp为比例增益，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。
优选地，还包括：
将所述功率杆角度值PLA经过第一插值表f1(x)7转换为所述燃油流量目标值WPLA，其中，所述第一插值表f1(x)为功率杆角度值与燃油流量目标值插值表；
将所述燃油流量目标值WPLA和所述燃油流量给定值WN在燃油流量比较运算器8中进行比较，差值输出给第二PID算法9，计算出桨距伺服控制电流值Iβ，其中，所述第二PID算法9的传递函数为
Figure BDA0002867340530000053
S为所述燃油流量目标值WPLA和所述燃油流量给定值WN之间的差值，Kp为比例增益，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数；
桨距伺服阀根据所述桨距伺服控制电流值Iβ改变桨毂变距的速度和方向，以实现螺旋桨桨距的控制，使得螺旋桨可以实时快速地响应功率杆变化。
优选地，还包括：
依据所述燃油流量给定值WN计算得到燃油计量活门位置给定值XW，以及依据所述燃油计量活门位置给定值XW和燃油计量活门位置实际值XM计算得到所述电液伺服阀控制电流值IM，从而控制发动机燃油流量，通过调节发动机燃油流量，维持发动机转速恒定。
优选地，还包括：
将所述燃油流量给定值WN经过第二插值表f2(x)12转换为所述燃油计量活门位置给定值XW，其中，所述第二插值表f2(x)为燃油计量活门给定插值表，通过试验室对燃油执行机构进行标定获取；
将所述燃油计量活门位置给定值XW与燃油计量活门位置实际值XM在燃油计量活门位置比较运算器13中进行比较，其差值输出给第三PID算法14，计算出所述电液伺服阀控制电流值IM，其中，所述第三PID算法14的传递函数为
Figure BDA0002867340530000061
S为所述燃油计量活门位置给定值XW与燃油计量活门位置实际值XM之间的差值，Kp为比例增益，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数；
电液伺服阀根据所述电液伺服阀控制电流值IM改变计量活门控制腔进出的燃油流量。
如图3所示，以某型单转子涡桨发动机及螺旋桨为例，用MATLAB simulink搭建图1所对应的数字仿真模型，模拟飞行员对涡桨动力的操作，将仿真模型油门杆角度在第50s时刻开始从22°快速改变至98°，得到涡桨动力装置状态变化过程中各参数变化情况。
以仿真过程中的第50.5s为例，此时功率杆角度值PLA＝98°，燃油流量目标值WPLA＝970.582，发动机转速给定值Ng＝95.8％，当前发动机转速实际值Nf＝95.9422％，发动机转速给定值Ng和发动机转速实际值Nf的差值为-0.1422％，燃油流量给定值WN＝981.4496，燃油计量活门位置给定值XW＝2.5762，燃油计量活门位置实际值XM＝2.4728，XW和XM的差值为0.1034，电液伺服阀控制电流值IM＝10.2759，WPLA和WN的差值为-10.8676，桨距伺服控制电流值Iβ＝40。
仿真结果显示，在模拟加速过程中，燃油的响应无延迟，响应时间约为2.3s，桨距(Beta)的响应也无延迟，且时间约为2.4s，超调约为1°，燃油和桨距几乎是同步变化，发动机转速波动范围也很小，说明发动机的输出功率和螺旋桨所需功率匹配很好。
综上所述，本发明提供的单转子涡桨动力装置控制系统，螺旋桨可以实时快速地响应油门杆变化，转速恒定改由调节燃油流量维持，这样不至于因为螺旋桨变化速度跟不上燃油变化速度而造成发动机状态大幅波动，此发明能大大提高动力装置功率响应速度和动力装置控制的稳定性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种单转子涡桨动力装置控制系统，其特征在于，包括：
燃油流量给定计算模块，用于获取发动机转速给定值和发动机转速实际值，及依据所述发动机转速给定值和发动机转速实际值计算得到燃油流量给定值；
螺旋桨桨距控制模块，用于获取功率杆角度值，并依据所述功率杆角度值计算得到燃油流量目标值，及依据所述燃油流量目标值和所述燃油流量给定值计算得到桨距伺服控制电流值，以及依据所述桨距伺服控制电流值对螺旋桨桨距进行控制；以及
燃油计量活门位置闭环控制模块，用于获取燃油计量活门位置实际值，及依据所述燃油计量活门位置实际值和所述燃油流量给定值计算得到电液伺服阀控制电流值，以及依据所述电液伺服阀控制电流值对发动机燃油流量进行控制。
2.根据权利要求1所述的单转子涡桨动力装置控制系统，其特征在于，所述燃油流量给定计算模块具体用于，将所述发动机转速给定值和发动机转速实际值在转速比较运算器中进行比较，其差值输出给第一PID算法，计算出所述燃油流量给定值，其中，所述第一PID算法的传递函数为
Figure FDA0002867340520000011
S为所述发动机转速给定值与发动机转速实际值之间的差值，Kp为比例增益，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。
3.根据权利要求1所述的单转子涡桨动力装置控制系统，其特征在于，所述螺旋桨桨距控制模块具体用于，
将所述功率杆角度值经过第一插值表f1(x)转换为所述燃油流量目标值，其中，所述第一插值表f1(x)为功率杆角度值与燃油流量目标值插值表；
将所述燃油流量目标值和所述燃油流量给定值在燃油流量比较运算器中进行比较，差值输出给第二PID算法，计算出桨距伺服控制电流值，其中，所述第二PID算法的传递函数为
Figure FDA0002867340520000012
S为所述燃油流量目标值和所述燃油流量给定值之间的差值，Kp为比例增益，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数；
根据所述桨距伺服控制电流值改变桨毂变距的速度和方向，以实现螺旋桨桨距的控制。
4.根据权利要求1所述的单转子涡桨动力装置控制系统，其特征在于，所述燃油计量活门位置闭环控制模块具体用于，依据所述燃油流量给定值计算得到燃油计量活门位置给定值，以及依据所述燃油计量活门位置给定值和燃油计量活门位置实际值计算得到所述电液伺服阀控制电流值。
5.根据权利要求4所述的单转子涡桨动力装置控制系统，其特征在于，所述燃油计量活门位置闭环控制模块还用于，
将所述燃油流量给定值经过第二插值表f2(x)转换为所述燃油计量活门位置给定值，其中，所述第二插值表f2(x)为燃油计量活门给定插值表，通过试验室对燃油执行机构进行标定获取；
将所述燃油计量活门位置给定值与燃油计量活门位置实际值在燃油计量活门位置比较运算器中进行比较，其差值输出给第三PID算法，计算出所述电液伺服阀控制电流值，其中，所述第三PID算法的传递函数为
Figure FDA0002867340520000021
S为所述燃油计量活门位置给定值与燃油计量活门位置实际值之间的差值，Kp为比例增益，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数；
根据所述电液伺服阀控制电流值改变计量活门控制腔进出的燃油流量。
6.一种单转子涡桨动力装置控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S110：获取功率杆角度值、发动机转速给定值、发动机转速实际值以及燃油计量活门位置实际值；
步骤S120：依据所述功率杆角度值计算得到燃油流量目标值，依据所述发动机转速给定值和发动机转速实际值计算得到燃油流量给定值；
步骤S130：依据所述燃油流量目标值和所述燃油流量给定值计算得到桨距伺服控制电流值，依据燃油计量活门位置实际值和所述燃油流量给定值计算得到电液伺服阀控制电流值；以及
步骤S140：依据所述桨距伺服控制电流值对螺旋桨桨距进行控制，以及依据所述电液伺服阀控制电流值对发动机燃油流量进行控制。
7.根据权利要求6所述的单转子涡桨动力装置控制方法，其特征在于，还包括：
将所述发动机转速给定值和发动机转速实际值在转速比较运算器中进行比较，其差值输出给第一PID算法，计算出所述燃油流量给定值，其中，所述第一PID算法的传递函数为
Figure FDA0002867340520000022
S为所述发动机转速给定值与发动机转速实际值之间的差值，Kp为比例增益，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。
8.根据权利要求6所述的单转子涡桨动力装置控制方法，其特征在于，还包括：
将所述功率杆角度值经过第一插值表f1(x)转换为所述燃油流量目标值，其中，所述第一插值表f1(x)为功率杆角度值与燃油流量目标值插值表；
将所述燃油流量目标值和所述燃油流量给定值在燃油流量比较运算器中进行比较，差值输出给第二PID算法，计算出桨距伺服控制电流值，其中，所述第二PID算法的传递函数为
Figure FDA0002867340520000023
S为所述燃油流量目标值和所述燃油流量给定值之间的差值，Kp为比例增益，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数；
根据所述桨距伺服控制电流值改变桨毂变距的速度和方向，以实现螺旋桨桨距的控制。
9.根据权利要求6所述的单转子涡桨动力装置控制方法，其特征在于，还包括：
依据所述燃油流量给定值计算得到燃油计量活门位置给定值，以及依据所述燃油计量活门位置给定值和燃油计量活门位置实际值计算得到所述电液伺服阀控制电流值。
10.根据权利要求9所述的单转子涡桨动力装置控制方法，其特征在于，还包括：
将所述燃油流量给定值经过第二插值表f2(x)转换为所述燃油计量活门位置给定值，其中，所述第二插值表f2(x)为燃油计量活门给定插值表，通过试验室对燃油执行机构进行标定获取；
将所述燃油计量活门位置给定值与燃油计量活门位置实际值在燃油计量活门位置比较运算器中进行比较，其差值输出给第三PID算法，计算出所述电液伺服阀控制电流值，其中，所述第三PID算法的传递函数为
Figure FDA0002867340520000031
S为所述燃油计量活门位置给定值与燃油计量活门位置实际值之间的差值，Kp为比例增益，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数；
根据所述电液伺服阀控制电流值改变计量活门控制腔进出的燃油流量。
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