CN114483324B - 一种二进制编码数字阀阵列调控的燃油计量阀及其控制方法 - Google Patents

一种二进制编码数字阀阵列调控的燃油计量阀及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种二进制编码数字阀阵列调控的燃油计量阀，包括：计量阀、位移传感器、PCM编码控制器、期望轨迹、第一泵源、第二泵源、第一固定节流孔、第二固定节流孔、第一数字阀阵列、第二数字阀阵列、油箱、左腔压力传感器、右腔压力传感器；第一和第二数字阀阵列均由若干个数字阀并联连接，且各个数字阀的流量增益呈二进制编码排列；期望轨迹生成计量阀的期望位移与期望速度，位移传感器采集计量阀位移信号，PCM编码控制器对第一数字阀阵列和第二数字阀阵列中各个数字阀的启闭状态进行编码控制，本发明不仅能够实现对计量阀位移的闭环控制，还能克服采用传统PWM控制数字阀引起的强振动和短寿命的问题。

Description

一种二进制编码数字阀阵列调控的燃油计量阀及其控制方法
技术领域
本发明涉及航空发动机燃油计量领域，尤其涉及一种二进制编码数字阀阵列调控的燃油计量阀及其控制方法。
背景技术
燃油计量阀是航空发动机中的重要元件，其主要作用是根据控制器指令信号对进入到燃烧室的油液流量进行调节。燃油计量阀一般包括先导级和主阀级，先导级一般采用流量伺服阀，而主阀级一般为内置位移传感器的计量活门，通过流量伺服阀来控制计量活门的位置。由于航空发动机的高温和强振动使用工况，流量伺服阀由于自身结构的特殊性极易出现阀芯卡死和温漂等故障，因此可靠性难以达到要求。
目前，基于脉宽调制的离散流体控制技术具有可靠性高的优势，如中国专利CN106382271A公开的一种高速开关阀先导控制的双阀芯可编程控制液压阀及其方法，该发明采用两个两位三通高速开关阀代替比例阀实现了比例多路阀主阀芯的位置控制，然而由于采用PWM控制高速开关阀，这会导致计量活门位置的振动，并且高速开关阀的高频撞击容易导致振动、噪声以及使用寿命短等问题。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种二进制编码数字阀阵列调控的燃油计量阀，能够实现对计量阀位移的闭环控制。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种二进制编码数字阀阵列调控的燃油计量阀，包括：计量阀、位移传感器、PCM编码控制器、期望轨迹、第一泵源、第二泵源、第一固定节流孔、第二固定节流孔、第一数字阀阵列、第二数字阀阵列、油箱、左腔压力传感器、右腔压力传感器；
所述第一数字阀阵列由若干个数字阀并联连接，且各个数字阀的流量增益呈二进制编码排列；
所述第二数字阀阵列由若干个数字阀并联连接，且各个数字阀的流量增益呈二进制编码排列；
所述第一泵源与第一固定节流孔的进油口连通，所述第一固定节流孔的出油口分别与第一数字阀阵列的进油口、计量阀的左控制腔连通；；
所述第二泵源与第二固定节流孔的进油口连通，所述第二固定节流孔的出油口分别与第二数字阀阵列的进油口、计量阀的右控制腔连通；
所述左腔压力传感器和右腔压力传感器分别安装在计量阀的左控制腔进油路和右控制腔进油路上；
所述期望轨迹生成计量阀的期望位移与期望速度，期望轨迹的输出端与PCM编码控制器的输入端连接；
所述位移传感器安装在计量阀的内部以实时采集计量阀位移信号，所述位移传感器的输出端与PCM编码控制器的输入端连接；所述PCM编码控制器的输出端分别与第一数字阀阵列和第二数字阀阵列中各个数字阀的控制口连接，所述PCM编码控制器通过输出PCM数字信号来分别对第一数字阀阵列和第二数字阀阵列中合个数字阀的启闭状态进行编码控制。
进一步地，所述第一数字阀阵列和第二数字阀阵列均输出离散流量。
进一步地，所述第一数字阀阵列由五个数字阀并联连接，且五个数字阀的流量增益呈二进制编码排列，即k11:k12:k13:k14:k15＝1:2:4:8:16。
进一步地，所述第二数字阀阵列由五个数字阀并联连接，且五个数字阀的流量增益呈二进制编码排列，即k21:k22:k23:k24:k25＝1:2:4:8:16。
进一步地，所述PCM编码控制器包括参考流量控制器、模型控制器以及二进制编码表。
一种二进制编码数字阀阵列调控的燃油计量阀的控制方法，包括如下步骤：
步骤1.将期望位移信号xref、期望速度信号vref以及计量阀真实位移信号x传输至参考流量控制器，参考流量Qrefc的获得方法为：
vrefc＝kfvref+kp(xref-x) (1)
Qrefc＝Amvrefc (2)
式中，kf和kp分别为速度前馈增益和位置反馈增益；vrefc为计量阀的参考速度；Am为计量阀控制腔面积；
步骤2.PCM编码控制器根据数字阀阵列的两端压差信号可以计算数字阀阵列的估计流量组合Qes，其中估计流量组合如下：
Figure BDA0003462613090000021
n1＝[0,20,21,21+20...2N-1+2N-2+2N-3+21,2N-1]T (4)
式中，k1为数字阀的平均流量增益；n1为数字阀阵列的组合向量；Δp为数字阀阵列两端压差；
步骤3.PCM编码控制器将估计流量组合Qes中的每一个流量Qes(i)分别与参考流量Qrefc作差，并通过代价函数J寻找差值最小的组合，如下：
J＝min|Qes(i)-Qrefc| (5)
步骤4.基于二进制编码表找到差值最小组合所对应的PCM数字信号来控制第一数字阀阵列和第二数字阀阵列，如下：
Figure BDA0003462613090000031
相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：
1)本发明中燃油计量阀包括第一数字阀阵列和第二数字阀阵列，两个数字阀阵列中五个数字阀的流量增益以二进制编码排列，数字阀阵列采用PCM编码信号控制，克服了由于采用PWM信号导致的压力冲击、位移振荡和使用寿命短等问题；并且，二进制编码数字阀阵列的流量输出等级与数字阀的数量呈指数关系，即2N，通过增加数字阀数量可以显著提高控制精度和流量，即扩展性强。
2)本发明中的数字阀阵列所用数字阀为普通开关阀，无需高速开关阀，因此成本较低。
3)由于二进制编码具有较优的冗余性和容错性方面，当其中一个数字阀发生故障时，计量阀仍可以实现位置跟踪，仅精度受到了一定的影响，因此本发明设计的燃油计量阀具有较高的可靠性。即本发明所提出的燃油计量阀具有位移振荡小、扩展性强、成本低，可靠性高以及使用寿命长等优势。
附图说明
图1为本发明实施例的一种二进制编码数字阀阵列调控的燃油计量阀的结构原理图；
图2为图1中PCM编码控制器的系统框图。
附图标记：1-计量阀、2-位移传感器、3-PCM编码控制器、4-期望轨迹、5.1-第一泵源、5.1-第二泵源、6.1-第一固定节流孔、6.2-第二固定节流孔、7-第一数字阀阵列、8-第二数字阀阵列、9-油箱、10.1-左腔压力传感器、10.2-右腔压力传感器。
具体实施方式
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受于下面公开的具体实施的限制。
如图1所示，根据本发明实施例的一种二进制编码数字阀阵列调控的燃油计量阀，包括计量阀1、位移传感器2、PCM编码控制器3、期望轨迹4、第一泵源5.1、第二泵源5.2、第一固定节流孔6.1、第二固定节流孔6.2、第一数字阀阵列7、第二数字阀阵列8、油箱9、左腔压力传感器10.1、右腔压力传感器10.2。
具体地，第一泵源5.1与第一固定节流孔6.1的进油口连通；第一固定节流孔6.1的出油口分别与第一数字阀阵列7的进油口、计量阀1的左控制腔连通；第一数字阀阵列7的出油口与油箱9连通；第二泵源5.2与第二固定节流孔6.2的进油口连通；第二固定节流孔6.2的出油口分别与第二数字阀阵列8的进油口、计量阀1的右控制腔连通；第二数字阀阵列8的出油口与油箱9连通。通过调节第一固定节流孔和第二固定节流孔的直径可以匹配不同流量规格的计量阀。
第一数字阀阵列由若干个数字阀并联连接，且各个数字阀的流量增益呈二进制编码排列；第二数字阀阵列由若干个数字阀并联连接，且各个数字阀的流量增益呈二进制编码排列。数字阀为普通开关阀，无需高速开关阀，成本低。二进制编码数字阀阵列的流量输出等级与数字阀的数量呈指数关系，即2N，通过增加数字阀数量可以显著提高控制精度和流量，即扩展性强。本实施例中，第一数字阀阵列7由五个数字阀7.1、7.2、7.3、7.4、7.5并联连接，且五个数字阀的流量增益呈二进制编码排列，即k11:k12:k13:k14:k15＝1:2:4:8:16；第一数字阀阵列8由五个数字阀8.1、8.2、8.3、8.4、8.5并联连接，且五个数字阀的流量增益呈二进制编码排列，即k21:k22:k23:k24:k25＝1:2:4:8:16。第一数字阀阵列7和第二数字阀阵列8均输出离散流量，为32份，即从0～31份；第一数字阀阵列7和第二数字阀阵列8可以通过增加数字阀数量来实现流量和控制精度的指数级提升。
左腔压力传感器10.1和右腔压力传感器10.2分别安装在计量阀1的左控制腔进油路和右控制腔进油路上；期望轨迹4生成计量阀的期望位移与期望速度，期望轨迹4的输出端与PCM编码控制器3的输入端连接；位移传感器2安装在计量阀1的内部以实时采集计量阀位移信号，位移传感器2的输出端与PCM编码控制器3的输入端连接；PCM编码控制器3的输出端分别与第一数字阀阵列7和第二数字阀阵列8中五个数字阀的控制口连接，采用PCM编码信号控制，克服了由于采用PWM信号导致的压力冲击、位移振荡和使用寿命短等问题。
进一步的，PCM编码控制器3包括参考流量控制器、模型控制器以及二进制编码表，通过输出PCM数字信号来分别对第一数字阀阵列7和第二数字阀阵列8中的五个数字阀启闭状态进行编码控制。
本实施例还提供了一种二进制编码数字阀阵列调控的燃油计量阀的控制方法，包括如下步骤：
步骤1.将期望位移信号xref、期望速度信号vref以及计量阀真实位移信号x传输至参考流量控制器，参考流量Qrefc的获得方法为：
vrefc＝kfvref+kp(xref-x) (7)
Qrefc＝Amvrefc (8)
式中，kf和kp分别为速度前馈增益和位置反馈增益；vrefc为计量阀的参考速度；Am为计量阀控制腔面积；
步骤2.PCM编码控制器根据数字阀阵列的两端压差信号可以计算数字阀阵列的估计流量组合Qes，其中估计流量组合如下：
Figure BDA0003462613090000051
n1＝[0,20,21,21+20...2N-1+2N-2+2N-3+21,2N-1]T (10)
式中，k1为数字阀的平均流量增益；n1为数字阀阵列的组合向量；Δp为数字阀阵列两端压差；
步骤3.PCM编码控制器将估计流量组合Qes中的每一个流量Qes(i)分别与参考流量Qrefc作差，并通过代价函数J寻找差值最小的组合，如下：
J＝min|Qes(i)-Qrefc| (11)
步骤4.基于二进制编码表找到差值最小组合所对应的PCM数字信号来控制第一数字阀阵列和第二数字阀阵列，如下：
Figure BDA0003462613090000052
在本发明中，通过交替控制第一数字阀阵列7和第二数字阀阵列8即可以实现计量阀1位移的闭环控制，由于二进制编码具有较优的冗余性和容错性方面，当其中一个数字阀发生故障时，计量阀仍可以实现位置跟踪，仅精度受到了一定的影响，因此本发明设计的燃油计量阀具有较高的可靠性。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种二进制编码数字阀阵列调控的燃油计量阀，其特征在于，包括：计量阀、位移传感器、PCM编码控制器、期望轨迹、第一泵源、第二泵源、第一固定节流孔、第二固定节流孔、第一数字阀阵列、第二数字阀阵列、油箱、左腔压力传感器、右腔压力传感器；
所述第一数字阀阵列由若干个数字阀并联连接，且各个数字阀的流量增益呈二进制编码排列；
所述第二数字阀阵列由若干个数字阀并联连接，且各个数字阀的流量增益呈二进制编码排列；
所述第一泵源与第一固定节流孔的进油口连通，所述第一固定节流孔的出油口分别与第一数字阀阵列的进油口、计量阀的左控制腔连通；
所述第二泵源与第二固定节流孔的进油口连通，所述第二固定节流孔的出油口分别与第二数字阀阵列的进油口、计量阀的右控制腔连通；
所述左腔压力传感器和右腔压力传感器分别安装在计量阀的左控制腔进油路和右控制腔进油路上；
所述期望轨迹生成计量阀的期望位移与期望速度，期望轨迹的输出端与PCM编码控制器的输入端连接；
所述位移传感器安装在计量阀的内部以实时采集计量阀位移信号，所述位移传感器的输出端与PCM编码控制器的输入端连接；所述PCM编码控制器的输出端分别与第一数字阀阵列和第二数字阀阵列中各个数字阀的控制口连接，所述PCM编码控制器通过输出PCM数字信号来分别对第一数字阀阵列和第二数字阀阵列中各个数字阀的启闭状态进行编码控制。
2.根据权利要求1所述的二进制编码数字阀阵列调控的燃油计量阀，其特征在于，所述第一数字阀阵列和第二数字阀阵列均输出离散流量。
3.根据权利要求1所述的二进制编码数字阀阵列调控的燃油计量阀，其特征在于，所述第一数字阀阵列由五个数字阀并联连接，且五个数字阀的流量增益呈二进制编码排列，即k11:k12:k13:k14:k15＝1:2:4:8:16。
4.根据权利要求3所述的二进制编码数字阀阵列调控的燃油计量阀，其特征在于，所述第二数字阀阵列由五个数字阀并联连接，且五个数字阀的流量增益呈二进制编码排列，即k21:k22:k23:k24:k25＝1:2:4:8:16。
5.根据权利要求1所述的二进制编码数字阀阵列调控的燃油计量阀，其特征在于，所述PCM编码控制器包括参考流量控制器、模型控制器以及二进制编码表。
6.一种根据权利要求1-5任意一项所述的二进制编码数字阀阵列调控的燃油计量阀的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1.将期望位移信号xref、期望速度信号vref以及计量阀真实位移信号x传输至参考流量控制器，参考流量Qrefc的获得方法为：
vrefc＝kfvref+kp(xref-x) (1)
Qrefc＝Amvrefc (2)
式中，kf和kp分别为速度前馈增益和位置反馈增益；vrefc为计量阀的参考速度；Am为计量阀控制腔面积；
步骤2.PCM编码控制器根据数字阀阵列的两端压差信号可以计算数字阀阵列的估计流量组合Qes，其中估计流量组合如下：
Figure FDA0003462613080000021
n1＝[0,20,21,21+20...2N-1+2N-2+2N-3+21,2N-1]T (4)
式中，k1为数字阀的平均流量增益；n1为数字阀阵列的组合向量；Δp为数字阀阵列两端压差；
步骤3.PCM编码控制器将估计流量组合Qes中的每一个流量Qes(i)分别与参考流量Qrefc作差，并通过代价函数J寻找差值最小的组合，如下：
J＝min|Qes(i)-Qrefc| (5)
步骤4.基于二进制编码表找到差值最小组合所对应的PCM数字信号来控制第一数字阀阵列和第二数字阀阵列，如下：
Figure FDA0003462613080000022
/>
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