CN112761796B - 一种功率闭环控制系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及航空发动机控制技术领域,具体公开了一种功率闭环控制系统,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功率闭环控制方法。本发明提供的功率闭环控制系统,能自动匹配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。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机控制技术领域,更具体地,涉及一种功率闭环控制系统及其方法。
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,提供了一种功率闭环控制系统及其方法,能自动匹配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。
作为本发明的第一个方面,提供一种功率闭环控制系统,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;
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,并依据所述燃油计量活门位置实际值计算得到当前燃油流量实际值,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;以及
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当前燃油流量实际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。
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当前燃油流量实际值在燃油流量比较运算器中进行比较,其差值输出给第二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S为所述燃油流量目标值和所述当前燃油流量实际值之间的差值,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实际值经过第三插值表f3(x)转换为所述当前燃油流量实际值,其中,所述第三插值表f3(x)为燃油流量插值表,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,提供一种功率闭环控制方法,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,依据所述燃油计量活门位置实际值计算得到当前燃油流量实际值;
步骤S130:依据所述燃油流量目标值和所述当前燃油流量实际值计算得到桨距伺服控制电流值,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
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当前燃油流量实际值在燃油流量比较运算器中进行比较,其差值输出给第二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S为所述燃油流量目标值和所述当前燃油流量实际值之间的差值,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实际值经过第三插值表f3(x)转换为所述当前燃油流量实际值,其中,所述第三插值表f3(x)为燃油流量插值表,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。
本发明提供的功率闭环控制系统及其方法具有以下优点:能自动匹配功率闭环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为本发明提供的功率闭环控制系统的结构框图。
图2为本发明提供的功率闭环控制方法的流程图。
图3为本发明提供的功率闭环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功率闭环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功率闭环控制系统,如图1所示,所述功率闭环控制系统包括:
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;
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,并依据所述燃油计量活门位置实际值XM计算得到当前燃油流量实际值WM,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;以及
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和所述当前燃油流量实际值WM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。
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,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和所述当前燃油流量实际值WM在燃油流量比较运算器8中进行比较,其差值输出给第二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S为所述燃油流量目标值WPLA和所述当前燃油流量实际值WM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,使得螺旋桨可以实时快速地响应功率杆变化。
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实际值XM经过第三插值表f3(x)转换为所述当前燃油流量实际值WM,其中,所述第三插值表f3(x)为燃油流量插值表,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算法的传递函数为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,通过调节发动机燃油流量,维持发动机转速恒定。
作为本发明的另一实施例,如图2所示,提供一种功率闭环控制方法,包括如下步骤:
步骤S110:获取功率杆角度值PLA、发动机转速给定值Ng、发动机转速实际值Nf以及燃油计量活门位置实际值XM;
步骤S120:依据所述功率杆角度值PLA计算得到燃油流量目标值WPLA,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,依据所述燃油计量活门位置实际值XM计算得到当前燃油流量实际值WM;
步骤S130:依据所述燃油流量目标值WPLA和所述当前燃油流量实际值WM计算得到桨距伺服控制电流值Iβ,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
步骤S140: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,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,所述第一PID算法11的传递函数为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,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和所述当前燃油流量实际值WM在燃油流量比较运算器8中进行比较,其差值输出给第二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S为所述燃油流量目标值WPLA和所述当前燃油流量实际值WM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。
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。
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实际值XM经过第三插值表f3(x)转换为所述当前燃油流量实际值WM,其中,所述第三插值表f3(x)为燃油流量插值表,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算法的传递函数为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,将仿真模型中油门杆角度PLA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%,当前发动机实际转速值Nf=96.7378%,发动机转速给定值Ng和发动机实际转速值Nf的差值为-0.9378%,燃油流量给定值WN=672.5789,燃油计量活门位置给定值XW=2.5325,燃油计量活门位置实际值XM=2.4281,XW和XM的差值为0.1044,电液伺服阀控制电流IM=10.2756,当前燃油流量实际值WM=673.6365,WPLA和WM的差值为296.9455,桨距伺服控制电流Iβ=40。
仿真结果显示,在模拟加速过程中,燃油(Wf)的响应速度极快,响应时间约为2.3s,桨距(Beta)与燃油同步开始变化,发动机转速超调小,转速的波动范围在涡桨动力正常的工作范围内。
综上所述,本发明提供的功率闭环控制系统,利用燃油流量目标值WPLA和发动机当前燃油流量实际值WM之差来控制螺旋桨桨距变化方向和速率,利用发动机转速给定值Ng和发动机转速实际值Nf之差来控制发动机燃油流量,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)
1.一种功率闭环控制系统,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;
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,并依据所述燃油计量活门位置实际值计算得到当前燃油流量实际值,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;以及
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当前燃油流量实际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。
4.根据权利要求1所述的功率闭环控制系统,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所述的功率闭环控制系统,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实际值经过第三插值表f3(x)转换为所述当前燃油流量实际值,其中,所述第三插值表f3(x)为燃油流量插值表,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。
6.一种功率闭环控制方法,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,依据所述燃油计量活门位置实际值计算得到当前燃油流量实际值;
步骤S130:依据所述燃油流量目标值和所述当前燃油流量实际值计算得到桨距伺服控制电流值,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
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。
9.根据权利要求6所述的功率闭环控制方法,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所述的功率闭环控制方法,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实际值经过第三插值表f3(x)转换为所述当前燃油流量实际值,其中,所述第三插值表f3(x)为燃油流量插值表,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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