CN1294352C

CN1294352C - 涡轮喷气发动机的燃油调节器

Info

Publication number: CN1294352C
Application number: CNB2004100307548A
Authority: CN
Inventors: 王曦; 杨杰; 田凤欣; 陈华荣; 王海龙; 孙永侠; 王磊
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University; Beijing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2004-04-02
Filing date: 2004-04-02
Publication date: 2007-01-10
Anticipated expiration: 2024-04-02
Also published as: CN1563692A

Abstract

本发明公开了一种涡轮喷气发动机的燃油调节器，该燃油调节器接收温度、压力传感器采集的温度、压力信号，以及转速传感器采集的发动机转速信号，经燃油调节器的CPU处理后输出PWM信号至细分驱动器驱动步进电机，由步进电机驱动供油装置供油，发动机所需油量由CPU精确计算后供给。该燃油调节器结构设计简单，控制精度高，体积小。

Description

涡轮喷气发动机的燃油调节器

技术领域

本发明涉及一种对发动机供油量的控制装置，具体地说，是指一种涡轮喷气发动机的燃油调节器。

背景技术

发动机为飞行器提供推力，飞行器对发动机的要求是保证飞行器在任何环境条件和任何工作状态下都能稳定、可靠地运行，并且充分发挥其性能效益，即提供适当的推力。而对于发动机来说，推力的改变要靠供油量的改变来实现。

传统的控制发动机的方法是用相关传感器感受飞行器所处的环境和工作状态，最后通过相关机械液压装置控制油门的开度以达到控制供油量的目的，这种控制的方法会导致控制系统结构复杂、可靠性低以及设计调试周期长等一些发动机敏感参数的不理想。

发明内容

本发明的目的是公开一种采用电子元器件构成的燃油调节器对发动机进行控制燃油量的涡轮喷气发动机的燃油调节器。

本发明的一种燃油调节器，该燃油调节器同发动机、采集发动机转速的转速传感器、采集压气机进口温度、压气机进口压力、尾喷管排气温度和润滑油压力的传感器、供油装置、细分驱动器、步进电机构成涡轮喷气发动机的供油系统。

所述的燃油调节器包括信号调理电路、基准电压电路、CPU、锁存器、存储器、以及驱动锁存器的双向驱动器、以及驱动存储器的单向驱动器，信号调理电路接收从所述的传感器采集的各信号，并对各信号进行隔离、滤波处理后输出至CPU的A/D进行转换成CPU接收的反馈信号，CPU对接收的反馈信号与转速指令比较构成偏差信号，经控制律算法求解，将纠偏信号从CPU输出PWM信号至细分驱动器驱动所述的步进电机，由所述的步进电机驱动所述的供油装置。

所述的供油装置包括齿轮油泵、等压差活门、计量油门、限压活门，发动机转子经减速传动后带动齿轮油泵工作，增压后经等压差活门进行恒压调节，部分多余燃油经回油管回收；经等压差活门恒压调节后的中压燃油进入计量油门开关，在计量油门开关前后构成恒定的等压力差，计量油门开关的流量输出大小与计量油门开关的等边三角形截面面积成正比例，经所述的CPU输出的PWM信号控制的步进电机带动计量油门杆转动，经CPU计量的燃油进入限压活门输出给喷油咀。

本发明的控制装置与现有发动机的控制装置相比有以下一些优点：

结构简单：传统的控制装置结构十分复杂，所使用的机械液压元器件很多，而在本发明中只有一个简单的电子控制器。

可靠性高：现代电子技术的发展使电子元器件的可靠性越来越高，同时步进电机的可靠性也要高于传统控制装置的所使用的执行机构。另外，根据原件越少，可靠性越高的原则，本发明的可靠性要高于传统的控制装置。

重量轻：由于本发明所使用的设备大多数为电子器件，重量都很轻。再加上执行机构的大大简化，使本发明控制装置的重量远远低于其它控制装置，这为发动机其它部件的设计提供了更大的空间。

成本低：现在电子器件的集成度越来越高，价格越来越低，所以相对一些复杂机械元器件的制造来说，本控制装置的成本大大低于它们。

控制精度高：由于计算机技术的不断成熟以及计算精度的不断提高，使得电子控制器的控制精度非常高。

开发周期短：本发明具有通用性。如果发动机对控制装置提出了更高的控制要求，则只需要增加信号输入通道或者进行软件的修改，执行机构不需要做任何的改变。而传统的控制装置通常是任何一个要求的改变，往往导致整个控制装置的重新设计。

附图说明

图1是本发明燃油调节器的结构框图。

图2是本发明燃油调节器的控制结构框图。

图3是本发明供油装置结构框图。

图4是起动电机的控制原理图。

图5是本发明控制结构原理图。

图6是本发明的流程框图。

图7是本发明CPU的电路原理图。

图8是本发明信号调理电路原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明的涡轮喷气发动机的供油系统由燃油调节器、供油装置、细分驱动器、步进电机和温度、压力传感器、转速传感器组成。

本发明的涡轮喷气发动机的燃油调节器，该燃油调节器接收温度、压力传感器采集的压气机进口温度、压气机进口压力、尾喷管排气温度、润滑油压力的信号，并将接收的信号经信号调理电路进行隔离、滤波后输出至CPU的A/D转换成CPU接收的反馈数字信号，经CPU进行处理后输出PWM信号至细分驱动器驱动步进电机，由步进电机驱动供油装置供油，发动机所需油量由CPU精确计算后供给。请参见图1所示。

在本发明中，燃油调节器的控制采用电子元器件实现，其处理器选取80C196KB芯片，其芯片资源配置丰富。根据设计要求为处理器U12配置有两个单向驱动器74LS244、一个双向驱动器74LS245、一个锁存器74LS373和两个存储器65256、27256。其连接关系为：(请参见图7所示)

处理器U12的地址/数据线60～53端分别接双向驱动器U3的2～9端，地址/数据线52～45端分别接单向驱动器U1的2、4、6、8、11、13、15、17端，62、61、40、41端分别接单向驱动器U2的2、4、6、8端，13端接基准电压电路U5的6端，16端接复位电路，67、66端接晶振电路，2、3、14、36、68、64端接电源电路的地，1端和37端分别接电源电路的VCC端和VPP端。

双向驱动器U3的18～11端分别锁存器U4的3、4、7、8、13、14、17、18端以及存储器U6和U7的11～19端；锁存器U4的2、5、6、9、12、15、16、19端分别接存储器U6和U7的10～3端；双向驱动器U1的18、16、14、12、9、7、5端分别接存储器U6的25、24、21、23、2、26、1端和存储器U7的25、24、21、23、2、26、27端。

处理器U12的19～23、30～32端分别接接口电路JP3的21～28端，24～27端分别接接口电路JP3的31～34，28、29、34、35端分别接接口电路JP3的35～38端，6、5、7、4、11、10、8、9端分别接接口电路JP3的11～18端，17、18端接接口电路JP3的1、3端，15、44、42、39、33、38端分别接接口电路JP3的19、20、29、30、39、40端，65端接接口电路JP3的2端，63端接接口电路JP3的4端。

对于存储器U7中用“C”语言编写有“燃油控制律算法”和“PID算法”。请参见图5所示，处理器U12采用PID算法，

u (t) = K_{p} e (t) + K_{i} &Integral; e (t) dt + K_{d} \frac{de (t)}{dt} .

步进

电机可采用增量式PID算法，离散化的控制律为Δu(kT)＝K_PΔe(kT)+K_Ie(kT)+K_D[Δe(kT)-Δe(kT-T)]，式中Δe(kT)＝e(kT)-e(kT-T)，Δe(kT-T)＝e(kT-T)-e(kT-2T)，K_P为比例系数，K_I＝K_iT为积分系数，K_D＝K_d/T为微分系数，T为采样周期。

被控对象在“小偏离”状态下动态数学模型可写为：G(s)＝K_T/(T_Ts+1)。则系统的闭环传递函数为

T (s) = \frac{Y (s)}{R (s)} = \frac{K_{T} (K_{d} s^{2} + K_{p} s + K_{i})}{(T_{T} + K_{T} K_{d}) s^{2} + (1 + K_{T} K_{p}) s + K_{T} K_{i}}

定义时间加权的误差绝对值积分(integral of time-weighted error，简称ITAE)准则

J = {&Integral;}_{0}^{\infty} t | e (t) | dt,

其中e(t)＝r(t)-y(t)为误差信号，r(t)为参考输入信号，y(t)为系统的输出信号。

满足最优ITAE准则的n阶I型标准传递函数可以写成

T (s) = \frac{a_{n}}{s^{n} + a_{1} s^{n - 1} + a_{2} s^{n - 2} + \cdot \cdot \cdot + a_{n - 1} s + a_{n}}

能使得ITAE准则最小的一组a_i系数可以查表求得。对于本系统，n＝2，其分母多项式的形式：s²+1.4ω_ns+ω_n ²。但分子要求为常数，故在系统中引进一个前馈控制器G_p(s)＝K_i/(K_ds²+K_ps+K_i)。

此时系统的闭环传递函数为

T^{'} (s) = \frac{K_{T} K_{i}}{(T_{T} + K_{T} K_{d}) s^{2} + (1 + K_{T} K_{p}) s + K_{T} K_{i}}

与最优ITAE准则比较可得，T_T+K_TK_d＝1，1+K_TK_p＝1.4ω_n，

K_{T} K_{i} = a_{n} = ω_{n}^{2}

发动机最大工作状态下K_T＝0.4，T_T＝0.5。对其1秒的调节时间的要求有

\frac{4}{{ξω}_{n}} \leq 1,

取ξ＝0.8，ω_n＝10，可解得

K_{p} = \frac{{1.4 ω}_{n} - 1}{K_{T}} = 32.5, K_{i} = \frac{ω_{n}^{2}}{K_{T}} = 250,

K_{d} = \frac{1 - T_{T}}{K_{T}} = 1.25 .

请参见图3所示，在本发明中，供油装置由齿轮油泵、等压差活门、计量油门、限压活门组成，发动机转子经减速传动后带动齿轮油泵工作，增压后经等压差活门进行恒压调节，部分多余燃油经回油管回收；经等压差活门恒压调节后的中压燃油进入计量油门开关，经所述的CPU输出的PWM信号控制的步进电机带动计量油门杆转动，经CPU计量的燃油进入限压活门输出给喷油咀。该装置的计量油门杆驱动采用步进电机，其可用数字信号直接进行开环控制，位移与输入脉冲数对应，步距误差不长期积累，无刷、零件少，可靠性高，易于起动、停止、正反转及变速响应好，停止时有自锁能力，在小步距下可实现超低速稳定运行。为实现对燃油的精确控制，选用细分驱动器直接驱动步进电机，能完全消除电机的低频振荡，提高输出转矩及分辨率，减小控制误差，提高控制精度。

请参见图8所示，在本发明中，对于接收传感器组采集的信号进行隔离、滤波处理的信号调理电路，其电路由四块AD620芯片和发动机转速调理电路构成，每块AD620芯片接收不同传感器采集的信号。信号调理电路由尾喷管排气温度调理电路U11、润滑油压力调理电路U12、压气机进口总压压力调理电路U13、压气机进口总温温度调理电路U14、发动机转速调理电路五部分组成，其中，

尾喷管排气温度调理电路U11选取AD620芯片，J16的7端接U11的3端，U11的6端接R19的一端，R19的另一端接JP2的12端，JP2的12端接CPUU12的5端。

润滑油压力调理电路U12选取AD620芯片，J16的4端接U12的3端，U12的6端接R20的一端，R20的另一端接JP2的14端，JP2的14端接CPU U12的4端。

压气机进口总压压力调理电路U13选取AD620芯片，J16的5端接U13的3端，U13的6端接R21的一端，R21的另一端接JP2的13端，JP2的13端接CPU U12的7端。

压气机进口总温温度调理电路U14选取AD620芯片，J16的6端接U14的3端，U14的6端接R22的一端，R22的另一端接JP2的11端，JP2的11端接CPU U12的6端。

发动机转速调理电路由R33、R31、R29、C22、C21和C20组成，其中，C22、C21和C20的一端分别接12GND，另一端分别同R33、R31和R29的一端接，J16的8、9和10端分别接R33、R31和R29的一端，R33、R31和R29的另一端分别接JP2的31、32和33端，JP2的31、32和33端接CPU U12的28、29和34端。信号调理电路通过接口JP2同CPU的接口JP3实现数据连接。

请参见图6所示，系统上电，自检正常时指示灯亮。按下起动按钮，起动电机工作，打开主燃油回路电磁阀，8秒钟接通点火阀和起动油路电磁阀，CPU调用起动曲线数据，按起动供油规律输出电脉冲信号，控制步进电机驱动计量油门开关，向发动机精确供油。若在起动阶段出现超温、超转、热悬挂、冷悬挂等故障，则相应故障指示灯亮，进行报警，同时软件进入故障处理模块或停车模块。若起动正常后，发动机进入慢车稳态，温度、压力、转速传感器传回反馈信号。CPU经定时采样后，按控制律要求对转速偏差信号闭环控制，精确计算燃油量，转换后的脉冲信号控制步进电机的转角，从而带动计量活门开关转动，被控的燃油喷入发动机燃烧室，完成过渡态、稳态控制。过渡态加减速要求CPU调用EPROM加减速曲线数据，按过渡态供油规律控制发动机工作。

如一6KW的发电机，其由四个电瓶串联后供电带转发动机从静止加速到慢车转速，转速2000转/分时点火，同时打开起动电磁活门，起动喷嘴供油，起动燃油点燃燃烧室内主油路燃油，发动机转速迅速上升至慢车转速。请参见图4所示，J1、J2为两个直流电磁接触器，用以控制通过起动电机的电流。两个固态继电器SSR1、SSR2分别控制J1、J2。起动电路工作原理：接通开关K，按下起动按钮。1.8秒时从单片机P1.0输出低电平，固态继电器1吸合导致接触器J1吸合，27V电源通过电阻R分压后给起动电机供电，使流经起动电机的电流为160A，起动电机转动并带转发动机。3.5秒后，P1.1输出低电平，J2吸合，直流电压27V全部加在起动电机电枢上，流经起动电机的电流增大，转速加快。8.5秒后P1.2、P1.3、P1.4口输出低电平，点火电咀打着，同时起动电磁阀、主油路电磁阀接通，按起动供油曲线供油。42秒时，P1口输出高电平，断开所有继电器，起动箱停止工作，完成发动机的起动过程。

发动机起动以后，由传感器采集压气机进口的温度、压力和发动机的温度和转速以及润滑油压力信号输入至本发明的燃油调节器中来实现对供油装置的控制，从而达到控制发动机用油量的目的。本发明的控制装置对压气机进口总温温度信号、压气机进口总压压力信号、尾喷管排气温度信号、转速信号和润滑油压力信号经信号调理电路隔离、滤波后输出至CPU，经CPU、U5、步进电机驱动电路以及供油装置，最后至喷油咀。

在本发明中，步进电机为23HS3002型两相混合式电机。当CPU向步进电机驱动发一个脉冲时，经过细分驱动器驱动细分以后，步进电机的转过的角度为0.045度。由于供油装置需要转过的角度为0～283度，所以最多需要向步进电机驱动发的脉冲数为6289个。

Claims

1、一种燃油调节器，该燃油调节器同

一提供推力的发动机；

采集上述发动机转速的转速传感器；

采集压气机进口温度、压气机进口压力、尾喷管排气温度和润滑油压力的传感器；

对上述发动机提供燃油的供油装置；

对上述供油装置进行驱动的步进电机构成涡轮喷气发动机的供油系统，其特征在于：所述的步进电机由细分驱动器驱动；

所述的燃油调节器包括信号调理电路、基准电压电路、CPU、锁存器、存储器、以及驱动锁存器的双向驱动器、以及驱动存储器的单向驱动器，信号调理电路接收从所述的传感器采集的各信号，并对各信号进行隔离、滤波处理后输出至CPU的A/D进行转换成CPU接收的反馈信号，CPU对接收的反馈信号与转速指令比较构成偏差信号，经控制律算法求解，将纠偏信号从CPU输出PWM信号至细分驱动器驱动所述的步进电机，由所述的步进电机驱动所述的供油装置；

2、根据权利要求1所述的燃油调节器，其特征在于：所述的基准电压电路选取REF02AG芯片，其输出电压值为5V。

3、根据权利要求1所述的燃油调节器，其特征在于：所述的信号调理电路由尾喷管排气温度调理电路U11、润滑油压力调理电路U12、压气机进口总压压力调理电路U13、压气机进口总温温度调理电路U14、发动机转速调理电路五部分组成，其中，

尾喷管排气温度调理电路U11选取AD620芯片，J16的7端接U11的3端，U11的6端接R19的一端，R19的另一端接JP2的12端，JP2的12端接CPUU12的5端；

润滑油压力调理电路U12选取AD620芯片，J16的4端接U12的3端，U12的6端接R20的一端，R20的另一端接JP2的14端，JP2的14端接CPU U12的4端；

压气机进口总压压力调理电路U13选取AD620芯片，J16的5端接U13的3端，U13的6端接R21的一端，R21的另一端接JP2的13端，JP2的13端接CPU U12的7端；

压气机进口总温温度调理电路U14选取AD620芯片，J16的6端接U14的3端，U14的6端接R22的一端，R22的另一端接JP2的11端，JP2的11端接CPU U12的6端；

发动机转速调理电路由R33、R31、R29、C22、C21和C20组成，其中，C22、C21和C20的一端分别接12GND，另一端分别同R33、R31和R29的一端接，J16的8、9和10端分别接R33、R31和R29的一端，R33、R31和R29的另一端分别接JP2的31、32和33端，JP2的31、32和33端接CPU U12的28、29和34端。

4、根据权利要求1所述的燃油调节器，其特征在于：所述的存储器U7中用“C”语言编写有“燃油控制律算法”和“PID算法”。

5、根据权利要求1所述的燃油调节器，其特征在于：所述的步进电机为23HS3002型两相混合式电机。