CN116146357B - 一种电动燃油泵前馈控制方法 - Google Patents

一种电动燃油泵前馈控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种电动燃油泵前馈控制方法，包括如下步骤：①获取设定值：接收飞行器总控制器传输的当前时刻kT的燃油质量流量设定值QM‑real(k)；②计算流量：从密度传感器实时测量并获取燃油密度ρ(k)，计算得到燃油体积流量QV‑real(k)；③获取压差：从两个压力传感器实时测量得到电动燃油泵的进口压力Pin(k)和出口压力Pout(k)，计算进出口压差Δp(k)；④计算设定转速；⑤计算增量；⑥写入控制。本发明可以依据燃油流量设定值和进出口压力差，实时更新发动机转速，有效抑制燃料流量设定值变化和进口压差变化所带来的扰动，具有响应特性优于闭环控制方案，控制精度优于开环控制方案，兼具高精度和快响应的特点，可以更好地满足电动燃油泵的流量供给需求。

Description

一种电动燃油泵前馈控制方法
技术领域
本发明涉及一种电动燃油泵前馈控制方法。
背景技术
中小型涡轮喷气发动机广泛应用于各类飞行器的动力系统，而这类发动机需要增压泵等组件提供燃油。燃油泵就是燃油供应系统的核心组件，用于燃油的增压和流量调控。电动燃油泵区别于传统的液压控制燃油泵，其运行通过控制电机转速，调节燃油流量，因此没有复杂的液压系统和传动组件，具有简单可靠，质量轻便，控制灵活等特点。本专利所指的电动燃油泵是齿轮泵，和传统液压齿轮泵相比，可以采用控制器对电机的转速实现开环或闭环控制，最终实现调节流量的目的。
电动泵燃油泵的流量控制方案主要可以分为开环控制和闭环控制。
开环控制方案是根据温度传感器测得的燃油温度，通过公式换算得到燃油密度；再利用燃油密度和目标燃油质量流量得到待设定的燃油体积流量；然后通过上游和下游的压力传感器得到电动泵的进口和出口之间的压力差。最后利用实验拟合得到的公式，代入压力差和体积流量，得到所需电动泵转速。将逐步计算得到的所需电动泵转速写入控制器，电动燃油泵依据设定转速运行，即可得到所需的燃油流量。开环控制方案的响应速度快，实时性强，但无法保证设定值变化，密度变化和进出口压差变化所带来的扰动问题，流量控制精度不高。
闭环控制方案是依旧当前燃油温度，将设定的质量流量转为设定体积流量；再通过涡轮流量计得到当前的实时体积流量；将设定体积流量与实时体积流量作差，得到流量控制偏差；通过流量控制偏差，逐步调整电动燃油泵转速，从而实现燃油流量的精确控制。闭环控制方案是通过流量反馈，实时调整电动燃油泵转速，控制精度高，抗干扰能力强，但无法同时保证快响应和高精度。因为转速是依据流量偏差进行反馈的，流量传感器的响应时间慢，因此存在时间滞后问题，实时响应性不够。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种电动燃油泵前馈控制方法，该电动燃油泵前馈控制方法可以依据燃油流量设定值和进出口压力差，实时更新发动机转速，有效抑制燃料流量设定值变化和进口压差变化所带来的扰动，具有响应特性优于闭环控制方案，控制精度优于开环控制方案，兼具高精度和快响应的特点，可以更好地满足电动燃油泵的流量供给需求。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种电动燃油泵前馈控制方法，包括如下步骤：
①获取设定值：接收飞行器总控制器传输的当前时刻kT的燃油质量流量设定值QM-real(k)；
②计算流量：从密度传感器实时测量并获取燃油密度ρ(k)，计算得到燃油体积流量QV-real(k)；
③获取压差：从两个压力传感器实时测量得到电动燃油泵的进口压力Pin(k)和出口压力Pout(k)，计算进出口压差Δp(k)；
④计算设定转速：根据燃油体积流量QV-real(k)和进出口压差Δp(k)计算设定转速N(k)；
⑤计算增量：根据设定转速N(k)，在转速的最大增加量Nmax+和转速的最大减小量Nmax-之间计算转速增量ΔN(k)；
⑥写入控制：将转速增量ΔN(k)写入电机控制器，然后返回至步骤①。
所述燃油体积流量QV-real(k)通过如下方式计算：
其中，QM-real(k)为燃油质量流量设定值，ρ(k)为燃油密度。
所述密度传感器为振筒式密度传感器。
所述设定转速N(k)通过如下方式计算得到：
N(k)＝c1+c2QV-real(k)+c3Δp(k)+c4QV-real(k)·Δp(k)+c5Δp(k)2+c6QV-real(k)2
其中，c1、c2、c3、c4、c5、c6为多项式系数，QV-real(k)为燃油体积流量，Δp(k)为进出口压差。
所述燃油体积流量QV-real(k)通过如下方式计算得到：
其中，QM-real(k)为燃油质量流量设定值，ρ(k)为燃油密度。
所述转速增量ΔN(k)通过如下方式计算得到：
ΔN(k)＝N(k)-Nreal(k-1)
其中，N(k)为设定转速，Nmax+为转速的最大增加量，Nmax-为转速的最大减小量，Nreal(k-1)为实时发动机转速。
所述多项式系数c1、c2、c3、c4、c5、c6通过试验数据拟合得到。
所述转速的最大增加量Nmax+和转速的最大减小量Nmax-根据电动燃油泵的固有特性确定，为电动燃油泵在每一控制周期内转速可变量。
本发明的有益效果在于：由于压力传感器和密度传感器的响应时间远远小于流量传感器，因此控制器设定的控制周期可以更小，流量响应时间更快，在密度、压力，设定值变化等扰动产生后，流量作为被控量仍未变化前，控制器就已作出反应，及时调整电动泵转速，补偿扰动作用对被控量的影响，响应迅速，不受系统滞后影响，具有快响应的特点；将密度、压力差等物理量作为变量代入公式，考虑了密度变化，压力变化，设定值变化的影响，因此，实时流量值可以精确跟踪流量设定值的变化，具有高精度的特点；无需大量实验进行参数调试。通过使用事先测定好的参数，直接进行多项式拟合，得到流量与转速，密度，压力差的关系，直接编写程序，流程快，无需使用价格昂贵的流量传感器，成本低。
附图说明
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
实施例1
如图1所示的一种电动燃油泵前馈控制方法，包括如下步骤：
①获取设定值：接收飞行器总控制器传输的当前时刻kT的燃油质量流量设定值QM-real(k)；
②计算流量：从密度传感器实时测量并获取燃油密度ρ(k)，计算得到燃油体积流量QV-real(k)；
③获取压差：从两个压力传感器实时测量得到电动燃油泵的进口压力Pin(k)和出口压力Pout(k)，计算进出口压差Δp(k)；
④计算设定转速：根据燃油体积流量QV-real(k)和进出口压差Δp(k)计算设定转速N(k)；
⑤计算增量：根据设定转速N(k)，在转速的最大增加量Nmax+和转速的最大减小量Nmax-之间计算转速增量ΔN(k)；
⑥写入控制：将转速增量ΔN(k)写入电机控制器，然后返回至步骤①。
实施例2
基于实施例1，所述燃油体积流量QV-real(k)通过如下方式计算：
其中，QM-real(k)为燃油质量流量设定值，ρ(k)为燃油密度。
实施例3
基于实施例1，所述密度传感器为振筒式密度传感器。
实施例4
基于实施例1，所述设定转速N(k)通过如下方式计算得到：
N(k)＝c1+c2QV-real(k)+c3Δp(k)+c4QV-real(k)·Δp(k)+c5Δp(k)2+c6QV-real(k)2
其中，c1、c2、c3、c4、c5、c6为多项式系数，QV-real(k)为燃油体积流量，Δp(k)为进出口压差。
实施例5
基于实施例1，所述燃油体积流量QV-real(k)通过如下方式计算得到：
其中，QM-real(k)为燃油质量流量设定值，ρ(k)为燃油密度。
实施例6
基于实施例1，所述转速增量ΔN(k)通过如下方式计算得到：
ΔN(k)＝N(k)-Nreal(k-1)
其中，N(k)为设定转速，Nmax+为转速的最大增加量，Nmax-为转速的最大减小量，Nreal(k-1)为实时发动机转速。
实施例7
基于实施例4，所述多项式系数c1、c2、c3、c4、c5、c6通过试验数据拟合得到。
实施例8
基于实施例1，所述转速的最大增加量Nmax+和转速的最大减小量Nmax-根据电动燃油泵的固有特性确定，为电动燃油泵在每一控制周期内转速可变量。
实施例9
基于上述实施例，齿轮泵是通过利用两组齿轮的配合旋转，改变泵体形成的密闭空间内的体积，实现燃油流量的吸入、挤压和排出等功能，是一种具有自吸能力的增压泵。与传统燃油泵不同，电动燃油泵直接通过改变电机转速，从而调整燃油泵转速，实现燃油供给。
电动燃油泵的流量计算公式如下：
QV-real＝qLN·η(Δp，N)
其中，QV-real为电动齿轮泵的实际体积流量；qL是排量，即齿轮泵旋转一周排出的液体体积；N是转速；η(Δp，N)是容积效率，取决于充填损失和泄露损失，主要受进出口压差Δp和转速N影响，是非线性时变函数，主要通过实验获取。一般而言，双齿轮外啮合的齿轮泵，转速范围为2000至12000r/min。
通过上式看出，实际体积流量QV-real由转速N和进出口压力差Δp决定，因此，设定转速可利用实际体积流量QV-real和进出口压力差Δp获取。
本案就是充分利用密度传感器和压力传感器，提前感知密度扰动和压力扰动的变化，实时计算并获取精确的实际体积流量QV-real和进出口压力差Δp，代入转速计算公式，得到精确的转速设定值N，并且依据扰动的变化，预先感知并实时改变转速设定值N，从而提高流量控制精度。具体的：设定发动机控制周期为T，自发动机启动后开始，在发动机控制器中，时间被离散为0,T,2T…(K-1)T，kT，(K+1)T…。
第一步：发动机启动，电动燃油泵工作，逐步往燃烧室供给燃油，发动机点火。
第二步：发动机控制器获取燃油质量流量设定值QM-real(k)。当t＝kT时，发动机控制器接收飞行器总控制器传输的当前时刻kT的燃油质量流量设定值QM-real(k)。即发动机控制需要改变电动燃油泵的转速，使得燃料供应系统的质量流量达到QM-real(k)。
第三步：获取当前时刻kT的燃油体积流量设定值QV-real(k)。采用振筒式密度传感器实时测量并获取燃油密度ρ(k)，利用下式计算得到燃油体积流量QV-real(k)。
第四步：获取当前时刻kT的进出口压差Δp(k)。采用两个压力传感器实时测量得到电动燃油泵的进口压力Pin(k)和出口压力Pout(k)，二者作差得到当前时刻kT进出口压差Δp(k)。
第五步：计算当前时刻的设定转速N(k)。计算公式如下：
N(k)＝c1+c2QV-real(k)+c3Δp(k)+c4QV-real(k)·Δp(k)+c5Δp(k)2+c6QV-real(k)2
其中，c1、c2、c3、c4、c5、c6是待定的多项式系数，利用试验数据拟合得到。
第六步：计算当前时刻的转速增量ΔN(k)。这里不是直接将设定转速值写入电动燃油泵的驱动器，而是逐步在上个时间周期(k-1)T采集得到的实时发动机转速Nreal(k-1)的基础上逐步增加转速。转速增量ΔN(k)由下式求解。
ΔN(k)＝N(k)-Nreal(k-1)
其中，由于实际限制，电动燃油泵的增量存在最大值，即在一个控制周期T内，电动燃油泵的最大转速增量分为转速的最大增加量Nmax+和转速的最大减小量Nmax-。这是由于电动燃油泵的固有特性决定，比如电动燃油泵在加速时，转速最大增加量为+8000r/min/s，在减速时，转速最大减小量-5000r/min/s，即发动机在1s时间内，最快可以增加转速+8000r/min，或者最快减小转速-5000r/min/s。因此，kT时刻的转速增量ΔN(k)存在如下限制：
上式表明，转速增量ΔN(k)在一个控制周期内存在饱和极限，比如控制周期T＝100ms，转速增量的最大增加量Nmax+＝+800r/min，最大减小量Nmax-＝-500r/min。即在KT的控制周期内，转速最多可以增加800r/min，最多可以减小500r/min。
第七步：转速增量ΔN(k)写入电机驱动器，燃油电动泵将在kT到(k+1)T的时间间隔T内，改变转速ΔN(k)。
第八步：时间t＝(k+1)T，若发动机控制器接受到总控制器传来下一个时刻的燃油质量流量设定值QM-real(k+1)，使得k＝k+1，返回第二步。若发动机控制器接受到总控制器的停机指令，电动燃油泵直接断电停转，工作结束。
由此，本发明：
通过实时采集密度、燃油泵进口压力、燃油泵出口压力实时改变电动燃油泵的前馈控制方法。该前馈控制方法是根据燃油的密度扰动，进出口压力差扰动，给定值变化的三者扰动，依据拟合的流量与转速、压力差的多项式进行补偿转速，从而达到快速控制流量的功能。特点是密度、压力，设定值变化等扰动产生后，流量作为被控量仍未变化前，控制器就已作出反应，及时调整电动泵转速，补偿扰动作用对被控量的影响，响应迅速，不受系统滞后影响。
具有高精度，快响应的特性。前馈控制方法充分利用了密度，压力传感器的实时信息，在密度、压力，设定值变化等扰动产生后，流量作为被控量仍未变化前，控制器就已作出反应，及时调整电动泵转速，补偿扰动作用对被控量的影响，响应迅速，不受系统滞后影响，具有快响应的特点。当流量设定值随时变化时，该控制方法将密度、压力差等物理量作为变量代入公式，考虑了密度变化，压力变化，设定值变化的影响，因此，实时流量值可以精确跟踪流量设定值的变化，具有高精度的特点。
入口压力和阀芯位移反馈实时控制流量。由于压力传感器和位移传感器的响应时间远远小于流量传感器，因此控制器设定的控制周期可以更小，管路流量更新频率更高，控制系统响应特性更好，流量响应时间更快。
成本低，可靠性好。该前馈控制方法为开环控制，无需大量实验进行参数调试。通过使用事先测定好的参数，直接进行多项式拟合，得到流量与转速，密度，压力差的关系，直接编写程序，流程快。无需使用价格昂贵的流量传感器，成本低(一般闭环控制器使用响应时间短的质量流量计，质量流量计结构复杂，价格昂贵)。

Claims (7)

1.一种电动燃油泵前馈控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
①获取设定值：接收飞行器总控制器传输的当前时刻kT的燃油质量流量设定值Q M-real (k)；
②计算流量：从密度传感器实时测量并获取燃油密度ρ(k)，计算得到燃油体积流量Q V-real (k)；
③获取压差：从两个压力传感器实时测量得到电动燃油泵的进口压力P in (k)和出口压力P out (k)，计算进出口压差Δp(k)；
④计算设定转速：根据燃油体积流量Q V-real (k)和进出口压差Δp(k)计算设定转速N(k)；
⑤计算增量：根据设定转速N(k)，在转速的最大增加量N max+ 和转速的最大减小量N max- 之间计算转速增量ΔN(k)；
⑥写入控制：将转速增量ΔN(k)写入电机控制器，然后返回至步骤①。
2.如权利要求1所述的电动燃油泵前馈控制方法，其特征在于：所述燃油体积流量Q V-real (k)通过如下方式计算：
其中，Q M-real (k)为燃油质量流量设定值，ρ(k)为燃油密度。
3.如权利要求1所述的电动燃油泵前馈控制方法，其特征在于：所述密度传感器为振筒式密度传感器。
4.如权利要求1所述的电动燃油泵前馈控制方法，其特征在于：所述设定转速N(k)通过如下方式计算得到：
其中，c 1 、c 2 、c 3 、c 4 、c 5 、c 6 为多项式系数，Q V-real (k)为燃油体积流量，Δp(k)为进出口压差。
5.如权利要求1所述的电动燃油泵前馈控制方法，其特征在于：所述转速增量ΔN(k)通过如下方式计算得到：
其中，N(k)为设定转速，N max+ 为转速的最大增加量，N max- 为转速的最大减小量，N real (k-1)为实时发动机转速。
6.如权利要求4所述的电动燃油泵前馈控制方法，其特征在于：所述多项式系数c 1 、c 2 、c 3 、c 4 、c 5 、c 6 通过试验数据拟合得到。
7.如权利要求1所述的电动燃油泵前馈控制方法，其特征在于：所述转速的最大增加量N max+ 和转速的最大减小量N max- 根据电动燃油泵的固有特性确定，为电动燃油泵在每一控制周期内转速可变量。
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Experimental study on the combustion performance of a stationary CIDI engine fueled with 1-heptanol-diesel mixtures;Mohamed NourSameh NadaXuesong Li;Fuel;第1-14页 *
基于LS-SVM的航空发动机气路参数趋势在线预测;王旭辉;黄圣国;曹力;施鼎豪;舒平;;吉林大学学报(工学版)(第01期);第239-244页 *
基于分布式控制的航空发动机电动燃油泵方案研究;高毅军;黄金泉;唐世建;;燃气涡轮试验与研究(第S1期);第36-40页 *
燃气轮机燃料控制系统中非线性特性对其性能的影响研究;肖旺;黄大文;刘功银;马永飞;张会生;;动力工程学报(第04期);第31-37页 *

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CN116146357A (zh) 2023-05-23

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