CN114718750A - 温度故障诊断下的航空活塞发动机冷起动控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种温度故障诊断下的航空活塞发动机冷起动控制系统及方法，涉及无人机控制技术领域，能够采用气缸温度、进气温度和排气温度三耦合的方式实现发动机冷起动，具有更高的可靠性和环境适应能力；该系统包括：若干气缸温度传感器，用于采集气缸温度数据；若干进气温度传感器，用于采集气缸的进气温度数据；若干排气温度传感器，用于采集气缸的排气温度数据；控制单元，用于接收所述气缸内部温度数据、所述进气温度数据和所述排气温度数据并进行判断和分析，得到发动机冷起动控制方案；执行单元，用于在控制单元的控制下实施所述冷起动控制方案。
Description
技术领域
本发明涉及无人机控制技术领域，尤其涉及一种温度故障诊断下的航空活塞发动机冷起动控制系统及方法。
背景技术
航空发动机冷起动的控制直接影响发动机在严寒工作环境下的适应能力，考虑到无人机复杂的工作条件，航空发动机起动控制方法尤为关键。目前无人机上航空活塞发动机冷起动的控制方式主要通过采集发动机气缸温度，根据气缸温度查询预先标定好的低温冷起动修正MAP，根据得到的修正系数对喷油量进行修正，完成起动过程。目前这种低温冷起动控制过程完全依赖气缸温度传感器，因此在低温条件下，气缸温度传感器一旦发生故障就会直接导致航空活塞发动机不能工作。
因此，有必要研究一种温度故障诊断下的航空活塞发动机低温冷起动控制方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种温度故障诊断下的航空活塞发动机冷起动控制方法，能够采用气缸温度、进气温度和排气温度三耦合的方式实现发动机冷起动，具有更高的可靠性和环境适应能力。
一方面，本发明提供一种温度故障诊断下的航空活塞发动机冷起动控制系统，其特征在于，所述冷起动控制系统包括：
若干气缸温度传感器，用于采集气缸温度数据；
若干进气温度传感器，用于采集气缸的进气温度数据；
若干排气温度传感器，用于采集气缸的排气温度数据；
控制单元，用于接收所述气缸内部温度数据、所述进气温度数据和所述排气温度数据并进行判断和分析，得到发动机冷起动控制方案；
执行单元，用于在控制单元的控制下实施所述冷起动控制方案。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述控制单元包括单片机、放大滤波电路、电源电路和执行器驱动电路；
所述单片机分别与所述放大滤波电路、电源电路、执行器驱动电路连接；
所述放大滤波电路分别与所述气缸温度传感器、所述进气温度传感器和所述排气温度传感器连接；
所述执行器驱动电路与所述执行单元连接。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述执行单元为喷油器。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述气缸温度传感器分设在气缸两侧；
所述进气温度传感器设置在进气管喉管处；
所述排气温度传感器均匀分设在所有排气管的近内端处。
另一方面，本发明提供一种温度故障诊断下的航空活塞发动机冷起动控制方法，其特征在于，所述控制方法采用如上任一所述的冷起动控制系统来实现；
所述控制方法的内容包括：
根据采集的气缸内部温度数据判断气缸温度传感器是否全部故障；
若气缸温度传感器不是全部故障，则根据气缸温度进行发动机的冷起动；
若气缸温度传感器全部故障，则根据气缸的进气温度数据和排气温度数据进行发动机的冷起动。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，根据气缸的进气温度数据和排气温度数据进行发动机冷起动的步骤包括：
在起动初始条件下，根据当前进气温度查询冷起动喷油修正系数；
根据排气温度和排气温度的变化率对喷油修正系数进行调节，完成冷起动过程。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，根据排气温度对喷油修正系数进行比例调节；根据排气温度的变化率对喷油修正系数进行微分调节。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，比例调节的具体内容为：根据排气温度与退出冷起动排气温度阈值的差值进行比例调节。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，微分调节的具体内容为：根据排气温度与退出冷起动排气温度阈值的差值的变化率进行微分调节。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，判断气缸温度传感器是否故障的内容包括：通过分析采集到的气缸温度与气缸温度阈值范围的关系以及气缸温度变化率与气缸温度变化率阈值范围的关系进行耦合判断。两者满足其一即可判断为对应温度传感器故障。
与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：在气缸温度传感器全部故障的条件下，综合进气温度传感器和排气温度传感器的温度信号来判断发动机的工作状态，计算喷油修正系数，能够完成冷起动过程；
上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：降低了发动机低温冷起动过程对气缸温度传感器的依赖性，提高发动机环境适应能力。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明一个实施例提供的冷起动控制电路结构框图；
图2是本发明一个实施例提供的冷起动控制方法流程图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
针对现有技术的不足，本公开实施例提供了两个方面的解决思路：第一方面是提出温度传感器故障诊断方法对采集到的温度进行判断，当在气缸温度全部正常工作或者一侧发生故障的情况下对正确的气缸温度信号进行判断并作为冷起动喷油修正系数查询的依据，这种情况下可以采用常规的冷起动控制方式；第二方面是降低发动机冷起动过程对气缸温度传感器的依赖程度，引入其他表征发动机工作状态的指标来综合判断发动机的工作状态，辅助完成发动机冷起动过程。
其中，针对上述第一方面，本公开实施例提出一种航空活塞发动机温度传感器故障诊断方法，即通过分析温度传感器温度信号的阈值以及变化率阈值来判定对应的温度传感器是否故障。具体温度传感器温度信号故障诊断阈值需要根据实际的硬件电路特性和物理量的合理范围设定，故障诊断变化率阈值需要根据发动机正常冷起动温度变化率的实际情况设定。
针对上述第二方面，本公开实施例提出利用发动机气缸温度、排气温度和进气温度耦合冷起动喷油修正系数，有效解决现有技术的缺陷。发动机进气温度能够反应发动机所在环境温度，排气温度能够直接反应缸内混合气的燃烧情况，两者与气缸温度结合作为冷起动喷油修正的依据，在增加可靠性的同时，还能够提高修正精度。
针对气缸温度传感器，根据故障诊断情况可以分为三种结果：气缸温度传感器全部正常、气缸温度传感器单侧故障和气缸温度传感器全部损坏三种情况。这里以常见的在气缸两侧分别设置一组温度传感器的情况为例进行说明的。前两种情况，通过常规的冷起动方法完成起动过程；第三种情况，先在起动初始条件下将进气温度（即环境温度）作为气缸初始温度查询冷起动喷油修正系数，然后在根据排气温度和排气温度的变化率分别对喷油修正系数进行实时的比例调节和微分调节，完成整个冷起动过程。
根据本公开实施例的一个具体实现方式，涉及采集布置在进气道上的一个进气温度传感器和气缸上的多个气缸温度传感器和排气温度传感器（取决于气缸数量）的温度信号。根据采集到的气缸温度进行气缸温度传感器故障诊断。故障诊断通过分析温度传感器温度信号的阈值以及变化率阈值来判定，温度传感器常规故障形式分为断路、短路和虚接三种情况，其中断路和短路情况下在确定的控制单元硬件电路下采集到的信号是确定的，将断路和短路情况下的温度信号并结合实际物理量的合理温度范围设定故障诊断的阈值；虚接则会导温度信号跳动，因此本发明引入了温度变化率阈值作为故障诊断的判断依据，具体温度变化率阈值的设定可以参照发动机正常冷起动温度变化率的5~10倍。
根据故障诊断情况可以分为气缸温度传感器全部正常、气缸温度传感器单侧故障和气缸温度传感器全部损坏三种情况。前两种情况下，只需要对传感器进行故障诊断，采集工作正常的气缸温度传感器的温度信号，通过常规的方法（根据气缸温度查询预先标定好的低温冷起动修正MAP，根据得到的修正系数对喷油量进行修正）完成起动过程；第三种情况，先在起动初始条件下将进气温度（即环境温度）作为气缸初始温度查询冷起动喷油修正系数，然后根据排气温度和排气温度的变化率分别对喷油修正系数进行比例调节和微分调节，当排气温度达到冷起动完成的阈值后就退出冷起动过程。
本发明公布的一种温度故障诊断下二冲程航空活塞发动机低温冷起动控制方法，其主要由三部分组成，分别是数据测量单元、控制单元和执行模块，其主要构成如图1所示。数据测量单元包括对气缸温度、进气温度和排气温度等等数据进行采集的传感器及必要的实现电路；控制单元依据采集到的气缸温度信号对气缸温度传感器进行故障诊断，根据气缸温度传感器的故障诊断情况决定是否需要进气温度传感器和排气温度传感器介入发动机冷起动过程，最后由执行器喷油器喷油完成冷起动过程。
上述的控制单元是一个电子控制模块，包括单片机、电源电路、数字信号处理电路、放大滤波电路、执行器功率驱动电路。电源电路为整个系统提供稳定电压，并对系统提供过流过压保护，具体的电路结构这里不做限定，采用现有能够实现的电路结构即可；放大滤波电路接收来自温度传感器的信号，经滤波放大后送入单片机；单片机按固定周期采集发动机气缸温度、进气温度和排气温度信号，根据气缸温度传感器的温度诊断情况选择不同的发动机冷起动策略；执行器功率驱动电路接收来自单片机的控制信号，完成对相应执行器的控制。
以两缸二冲程航空活塞发动机为例，左右两缸缸头各布置1个气缸温度传感器，进气喉管处布置1个进气温度传感器，两个排气管各布置1个排气温度传感器。但是应该理解：这种控制方法同样适用于4缸、6缸甚至多缸二冲程航空活塞发动机。主要区别之处在于气缸数量不同，相应的气缸温度传感器和排气温度传感器数量有所差别。本发明二冲程航空活塞发动机低温冷起动控制方法如下：根据气缸温度传感器故障诊断情况分为气缸温度传感器正常、气缸温度传感器单侧故障和气缸温度传感器全部故障。在气缸温度传感器正常或者单侧发生故障的情况下，此时需要根据本发明提出的温度传感器故障判断方式进行判断，采集正确的气缸温度（采集正确的气缸温度是指通过温度传感器采集以及经过A/D转换后得到的温度数据，在单侧损坏时以另一侧温度测量值为准；在两侧都正常时，通过比较大小选择较低的值作为正确的气缸温度值；具体温度传感器温度信号故障诊断阈值需要根据实际的硬件电路特性和物理量的合理范围而定，故障诊断变化率阈值需要根据发动机正常冷起动的实际情况设定），根据气缸温度查询预先标定好的冷起动修正MAP（“预先标定好的冷起动修正MAP”是指当发动机在一个确定的环境温度下起动时，需要对喷油进行加浓处理，以便于快速起动。所以正如图2中三条路径都要判定一个合理的冷起动参考温度数值，以查询正确的冷起动修正系数。），根据得到的修正系数对喷油量进行修正，完成冷起动过程；在气缸温度传感器全部故障情况下，在起动初始条件下将进气温度（即环境温度）作为气缸初始温度查询得到初始冷起动喷油修正系数，根据排气温度与退出冷起动排气温度阈值的差值作为比例调节，排气温度与退出冷起动排气温度阈值的差的变化率作为微分调节（该微分调节中的退出冷起动排气温度阈值在同一冷起动过程中是固定的），对初始冷起动喷油修正系数进行调节，控制喷油器适量喷油，当排气温度达到退出冷起动排气温度阈值时退出冷起动过程。比例调节和微分调节是针对典型的PID调节，但是没有用积分调节，其迭代计算公式如下式所示，需明确的是下式是在“当前测得排气温度”比“退出冷起动排气温度阈值”低的情况下使用，当前排气温度高于阈值后立即退出冷起动修正，也就是修正系数为1；迭代计算式为：
Cd_start(k)= Cd_start(k-1)+Kp*e(k-1)+Kd*(e(k)-2*e(k-1)+e(k-2))；
其中，Cd_start(k)是本次实际计算的冷起动修正系数，
Cd_start(k-1)是上一次计算得到的冷起动修正系数，
Kp是通过试验调试得到的比例系数，
Kd是通过试验调试的微分系数，
e(k)是本次实际排温值和目标温度阈值的差值，
e（k-1）是上次实际排温值和目标温度阈值的差值，
e（k-2）是上上次实际排温值和目标温度阈值的差值。
以上便是本发明的二冲程航空活塞发动机低温冷起动控制过程。
如图2所示是本发明冷起动控制方法流程图。第一步，根据采集到的气缸温度数据诊断气缸温度传感器故障情况；第二步，在对应故障情况下，采取不同的发动机冷起动控制方式，控制喷油器喷油。具体地：
步骤1、分别采集气缸温度、发动机排气温度和发送机进气温度（排气温度和进气温度的采集也可置于进排气温度耦合冷起动流程中）；
步骤2、根据采集的气缸温度数据判断气缸温度传感器是否全部故障，若是进入进排气温度耦合冷起动流程，否则进入仅依据气缸温度冷起动流程；
进排气温度耦合冷起动流程的内容包括：
步骤2.1.1、根据采集的进气温度数据判断进气温度传感器是否存在故障，若是则不能进行冷起动，否则进入下一步；
步骤2.1.2、根据采集的排气温度数据判断排气温度传感器是否存在故障，若是则不能进行冷起动，否则进入下一步；
步骤2.1.3、根据进气温度数据查询初始冷起动修正系数；
步骤2.1.4、计算排气温度与阈值温度的差值，若差值等于0，则退出本次冷起动；否则进入下一步；
步骤2.1.5、计算排气温度与阈值温度差值的变化率，根据变化率计算冷起动修正系数并对喷油器进行控制。
确定步骤2.1.4中计算差值时，先根据排气温度数据判断气缸是否存在单侧损坏，若是，确定正确的排气温度，即以非故障一侧的采集数据作为排气温度，若否，选择较低的排气温度，即两侧都不存在损坏时选择两温度值中较低的一个作为排气温度；然后利用确定好的排气温度计算差值。
仅依据气缸温度冷起动流程的内容包括：
步骤2.2.1、确定冷起动的气缸温度：判断气缸是否存在单侧损坏，若是，判断正确的气缸温度，否则选择较低的气缸温度；
步骤2.2.2、根据确定的气缸温度按常规方式实现冷起动。
以上对本申请实施例所提供的一种温度故障诊断下的航空活塞发动机低温冷起动控制方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“中”、 “横向”、“竖向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
Claims (10)
1.一种温度故障诊断下的航空活塞发动机冷起动控制系统，其特征在于，所述冷起动控制系统包括：
若干气缸温度传感器，用于采集气缸温度数据；
若干进气温度传感器，用于采集气缸的进气温度数据；
若干排气温度传感器，用于采集气缸的排气温度数据；
控制单元，用于接收所述气缸内部温度数据、所述进气温度数据和所述排气温度数据并进行判断和分析，得到发动机冷起动控制方案；
执行单元，用于在控制单元的控制下实施所述冷起动控制方案。
2.根据权利要求1所述的温度故障诊断下的航空活塞发动机冷起动控制系统，其特征在于，所述控制单元包括单片机、放大滤波电路、电源电路和执行器驱动电路；
所述单片机分别与所述放大滤波电路、电源电路、执行器驱动电路连接；
所述放大滤波电路分别与所述气缸温度传感器、所述进气温度传感器和所述排气温度传感器连接；
所述执行器驱动电路与所述执行单元连接。
3.根据权利要求1所述的温度故障诊断下的航空活塞发动机冷起动控制系统，其特征在于，所述执行单元为喷油器。
4.根据权利要求1所述的温度故障诊断下的航空活塞发动机冷起动控制系统，其特征在于，所述气缸温度传感器分设在气缸两侧；
所述进气温度传感器设置在进气管喉管处；
所述排气温度传感器均匀分设在所有排气管的近内端处。
5.一种温度故障诊断下的航空活塞发动机冷起动控制方法，其特征在于，所述控制方法采用如权利要求1-4任一所述的冷起动控制系统来实现；
所述控制方法的内容包括：
根据采集的气缸内部温度数据判断气缸温度传感器是否全部故障；
若气缸温度传感器不是全部故障，则根据气缸温度进行发动机的冷起动；
若气缸温度传感器全部故障，则根据气缸的进气温度数据和排气温度数据进行发动机的冷起动。
6.根据权利要求5所述的温度故障诊断下的航空活塞发动机冷起动控制方法，其特征在于，根据气缸的进气温度数据和排气温度数据进行发动机冷起动的步骤包括：
在起动初始条件下，根据当前进气温度查询冷起动喷油修正系数；
根据排气温度和排气温度的变化率对喷油修正系数进行调节，完成冷起动过程。
7.根据权利要求6所述的温度故障诊断下的航空活塞发动机冷起动控制方法，其特征在于，根据排气温度对喷油修正系数进行比例调节；根据排气温度的变化率对喷油修正系数进行微分调节。
8.根据权利要求7所述的温度故障诊断下的航空活塞发动机冷起动控制方法，其特征在于，比例调节的具体内容为：根据排气温度与退出冷起动排气温度阈值的差值进行比例调节。
9.根据权利要求7所述的温度故障诊断下的航空活塞发动机冷起动控制方法，其特征在于，微分调节的具体内容为：根据排气温度与退出冷起动排气温度阈值的差值的变化率进行微分调节。
10.根据权利要求5所述的温度故障诊断下的航空活塞发动机冷起动控制方法，其特征在于，判断气缸温度传感器是否故障的内容包括：通过分析采集到的气缸温度与气缸温度阈值范围的关系以及气缸温度变化率与气缸温度变化率阈值范围的关系进行耦合判断。
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