專利名稱：渦輪噴氣發動機的燃油調節器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種對發動機供油量的控制裝置，具體地說，是指一種渦輪噴氣發動機的燃油調節器。
背景技術：
發動機為飛行器提供推力，飛行器對發動機的要求是保證飛行器在任何環境條件和任何工作狀態下都能穩定、可靠地運行，并且充分發揮其性能效益，即提供適當的推力。而對于發動機來說，推力的改變要靠供油量的改變來實現。
傳統的控制發動機的方法是用相關傳感器感受飛行器所處的環境和工作狀態，最后通過相關機械液壓裝置控制油門的開度以達到控制供油量的目的，這種控制的方法會導致控制系統結構復雜、可靠性低以及設計調試周期長等一些發動機敏感參數的不理想。
發明內容
本發明的目的是公開一種采用電子元器件構成的燃油調節器對發動機進行控制燃油量的渦輪噴氣發動機的燃油調節器。
本發明的一種燃油調節器，該燃油調節器同發動機、采集發動機轉速的轉速傳感器、采集壓氣機進口溫度、壓氣機進口壓力、尾噴管排氣溫度、滑油壓力的溫度、壓力傳感器、供油裝置、細分驅動器、步進電機構成渦輪噴氣發動機的供油系統。
所述的燃油調節器包括信號調理電路、基準電壓電路、CPU、鎖存器、存儲器、以及驅動鎖存器的雙向驅動器、以及驅動存儲器的單向驅動器，信號調理電路接收從所述的傳感器采集的各信號，并對各信號進行隔離、濾波處理后輸出至CPU的A/D進行轉換成CPU接收的反饋信號，CPU對接收的反饋信號與轉速指令比較構成偏差信號，經控制律算法求解，將糾偏信號從CPU輸出PWM信號至細分驅動器驅動所述的步進電機，由所述的步進電機驅動所述的供油裝置。
所述的供油裝置包括齒輪油泵、等壓差活門、計量油門、限壓活門，發動機轉子經減速傳動后帶動齒輪油泵工作，增壓后經等壓差活門進行恒壓調節，部分多余燃油經回油管回收；經等壓差活門恒壓調節后的中壓燃油進入計量油門開關，在計量油門開關前后構成恒定的等壓力差，計量油門開關的流量輸出大小與計量油門開關的等邊三角形截面面積成正比例，經所述的CPU輸出的PWM信號控制的步進電機帶動計量油門桿轉動，經CPU計量的燃油進入限壓活門輸出給噴油咀。
本發明的控制裝置與現有發動機的控制裝置相比有以下一些優點結構簡單傳統的控制裝置結構十分復雜，所使用的機械液壓元器件很多，而在本發明中只有一個簡單的電子控制器。
可靠性高現代電子技術的發展使電子元器件的可靠性越來越高，同時步進電機的可靠性也要高于傳統控制裝置的所使用的執行機構。另外，根據原件越少，可靠性越高的原則，本發明的可靠性要高于傳統的控制裝置。
重量輕由于本發明所使用的設備大多數為電子器件，重量都很輕。再加上執行機構的大大簡化，使本發明控制裝置的重量遠遠低于其它控制裝置，這為發動機其它部件的設計提供了更大的空間。
成本低現在電子器件的集成度越來越高，價格越來越低，所以相對一些復雜機械元器件的制造來說，本控制裝置的成本大大低于它們。
控制精度高由于計算機技術的不斷成熟以及計算精度的不斷提高，使得電子控制器的控制精度非常高。
開發周期短本發明具有通用性。如果發動機對控制裝置提出了更高的控制要求，則只需要增加信號輸入通道或者進行軟件的修改，執行機構不需要做任何的改變。而傳統的控制裝置通常是任何一個要求的改變，往往導致整個控制裝置的重新設計。
圖1是本發明燃油調節器的結構框圖。
圖2是本發明燃油調節器的控制結構框圖。
圖3是本發明供油裝置結構框圖。
圖4是起動電機的控制原理圖。
圖5是本發明控制結構原理圖。
圖6是本發明的流程框圖。
圖7是本發明CPU的電路原理圖。
圖8是本發明信號調理電路原理圖。
具體實施例方式
下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
本發明的渦輪噴氣發動機的供油系統由燃油調節器、供油裝置、細分驅動器、步進電機和溫度、壓力傳感器、轉速傳感器組成。
本發明的渦輪噴氣發動機的燃油調節器，該燃油調節器接收溫度、壓力傳感器采集的壓氣機進口溫度、壓氣機進口壓力、尾噴管排氣溫度、滑油壓力的信號，并將接收的信號經信號調理電路進行隔離、濾波后輸出至CPU的A/D轉換成CPU接收的反饋數字信號，經CPU進行處理后輸出PWM信號至細分驅動器驅動步進電機，由步進電機驅動供油裝置供油，發動機所需油量由CPU精確計算后供給。請參見圖1所示。
在本發明中，燃油調節器的控制采用電子元器件實現，其處理器選取80C196KB芯片，其芯片資源配置豐富。根據設計要求為處理器U12配置有兩個單向驅動器74LS244、一個雙向驅動器74LS245、一個鎖存器74LS373和兩個存儲器65256、27256。其連接關系為(請參見圖7所示)處理器U12的地址/數據線60～53端分別接雙向驅動器U3的2～9端，地址/數據線52～45端分別接單向驅動器U1的2、4、6、8、11、13、15、17端，62、61、40、41端分別接單向驅動器U2的2、4、6、8端，13端接基準電壓電路U5的6端，16端接復位電路，67、66端接晶振電路，2、3、14、36、68、64端接電源電路的地，1端和37端分別接電源電路的VCC端和VPP端。
雙向驅動器U3的18～11端分別鎖存器U4的3、4、7、8、13、14、17、18端以及存儲器U6和U7的11～19端；鎖存器U4的2、5、6、9、12、15、16、19端分別接存儲器U6和U7的10～3端；雙向驅動器U1的18、16、14、12、9、7、5端分別接存儲器U6的25、24、21、23、2、26、1端和存儲器U7的25、24、21、23、2、26、27端。
處理器U12的19～23、30～32端分別接接口電路JP3的21～28端，24～27端分別接接口電路JP3的31～34，28、29、34、35端分別接接口電路JP3的35～38端，6、5、7、4、11、10、8、9端分別接接口電路JP3的11～18端，17、18端接接口電路JP3的1、3端，15、44、42、39、33、38端分別接接口電路JP3的19、20、29、30、39、40端，65端接接口電路JP3的2端，63端接接口電路JP3的4端。
對于存儲器U7中用“C”語言編寫有“燃油控制律算法”和“PID算法”。請參見圖5所示，處理器U12采用PID算法，u(t)=Kpe(t)+Ki∫e(t)dt+Kdde(t)dt.]]>步進電機可采用增量式PID算法，離散化的控制律為Δu(kT)＝KPΔe(kT)+KIe(kT)+KD[Δe(kT)-Δe(kT-T)]，式中Δe(kT)＝e(kT)-e(kT-T)，Δe(kT-T)＝e(kT-T)-e(kT-2T)，KP為比例系數，KI＝KiT為積分系數，KD＝Kd/T為微分系數，T為采樣周期。
被控對象在“小偏離”狀態下動態數學模型可寫為G(s)＝KT/(TTs+1)。則系統的閉環傳遞函數為T(s)=Y(s)R(s)=KT(Kds2+Kps+Ki)(TT+KTKd)s2+(1+KTKp)s+KTKi]]>定義時間加權的誤差絕對值積分(integral of time-weighted error，簡稱ITAE)準則J=∫0∞t|e(t)|dt,]]>其中e(t)＝r(t)-y(t)為誤差信號，r(t)為參考輸入信號，y(t)為系統的輸出信號。
滿足最優ITAE準則的n階I型標準傳遞函數可以寫成T(s)=ansn+a1sn-1+a2sn-2+···+an-1s+an]]>能使得ITAE準則最小的一組ai系數可以查表求得。對于本系統，n＝2，其分母多項式的形式s2+1.4ωns+ωn2.]]>但分子要求為常數，故在系統中引進一個前饋控制器Gp(s)＝Ki/(Kds2+Kps+Ki)。
此時系統的閉環傳遞函數為T′(s)=KTKi(TT+KTKd)s2+(1+KTKp)s+KTKi]]>與最優ITAE準則比較可得，TT+KTKd＝1，1+KTKp＝1.4ωn，KTKi=an=ωn2]]>發動機最大工作狀態下KT＝0.4，TT＝0.5。對其1秒的調節時間的要求有4ξωn≤1,]]>取ξ＝0.8，ωn＝10，可解得Kp=1.4ωn-1KT=32.5,Ki=ωn2KT=250,]]>Kd=1-TTKT=1.25.]]>請參見圖3所示，在本發明中，供油裝置由齒輪油泵、等壓差活門、計量油門、限壓活門組成，發動機轉子經減速傳動后帶動齒輪油泵工作，增壓后經等壓差活門進行恒壓調節，部分多余燃油經回油管回收；經等壓差活門恒壓調節后的中壓燃油進入計量油門開關，經所述的CPU輸出的PWM信號控制的步進電機帶動計量油門桿轉動，經CPU計量的燃油進入限壓活門輸出給噴油咀。該裝置的計量油門桿驅動采用步進電機，其可用數字信號直接進行開環控制，位移與輸入脈沖數對應，步距誤差不長期積累，無刷、零件少，可靠性高，易于起動、停止、正反轉及變速響應好，停止時有自鎖能力，在小步距下可實現超低速穩定運行。為實現對燃油的精確控制，選用細分驅動器直接驅動步進電機，能完全消除電機的低頻振蕩，提高輸出轉矩及分辨率，減小控制誤差，提高控制精度。
請參見圖8所示，在本發明中，對于接收傳感器組采集的信號進行隔離、濾波處理的信號調理電路，其電路由四塊AD620芯片和發動機轉速調理電路構成，每塊AD620芯片接收不同傳感器采集的信號。信號調理電路由尾噴管排氣溫度調理電路U11、滑油壓力調理電路U12、壓氣機進口總壓壓力調理電路U13、壓氣機進口總溫溫度調理電路U14、發動機轉速調理電路五部分組成，其中，尾噴管排氣溫度調理電路U11選取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。
滑油壓力調理電路U12選取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。
壓氣機進口總壓壓力調理電路U13選取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。
壓氣機進口總溫溫度調理電路U14選取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。
發動機轉速調理電路由R33、R31、R29、C22、C21和C20組成，其中，C22、C21和C20的一端分別接12GND，另一端分別同R33、R31和R29的一端接，J16的8、9和10端分別接R33、R31和R29的一端，R33、R31和R29的另一端分別接JP2的31、32和33端，JP2的31、32和33端接CPU U12的28、29和34端。信號調理電路通過接口JP2同CPU的接口JP3實現數據連接。
請參見圖6所示，系統上電，自檢正常時指示燈亮。按下起動按鈕，起動電機工作，打開主燃油回路電磁閥，8秒鐘接通點火閥和起動油路電磁閥，CPU調用起動曲線數據，按起動供油規律輸出電脈沖信號，控制步進電機驅動計量油門開關，向發動機精確供油。若在起動階段出現超溫、超轉、熱懸掛、冷懸掛等故障，則相應故障指示燈亮，進行報警，同時軟件進入故障處理模塊或停車模塊。若起動正常后，發動機進入慢車穩態，溫度、壓力、轉速傳感器傳回反饋信號。CPU經定時采樣后，按控制律要求對轉速偏差信號閉環控制，精確計算燃油量，轉換后的脈沖信號控制步進電機的轉角，從而帶動計量活門開關轉動，被控的燃油噴入發動機燃燒室，完成過渡態、穩態控制。過渡態加減速要求CPU調用EPROM加減速曲線數據，按過渡態供油規律控制發動機工作。
如一6KW的發電機，其由四個電瓶串聯后供電帶轉發動機從靜止加速到慢車轉速，轉速2000轉/分時點火，同時打開起動電磁活門，起動噴嘴供油，起動燃油點燃燃燒室內主油路燃油，發動機轉速迅速上升至慢車轉速。請參見圖4所示，J1、J2為兩個直流電磁接觸器，用以控制通過起動電機的電流。兩個固態繼電器SSR1、SSR2分別控制J1、J2。起動電路工作原理接通開關K，按下起動按鈕。1.8秒時從單片機P1.0輸出低電平，固態繼電器1吸合導致接觸器J1吸合，27V電源通過電阻R分壓后給起動電機供電，使流經起動電機的電流為160A，起動電機轉動并帶轉發動機。3.5秒后，P1.1輸出低電平，J2吸合，直流電壓27V全部加在起動電機電樞上，流經起動電機的電流增大，轉速加快。8.5秒后P1.2、P1.3、P1.4口輸出低電平，點火電咀打著，同時起動電磁閥、主油路電磁閥接通，按起動供油曲線供油。42秒時，P1口輸出高電平，斷開所有繼電器，起動箱停止工作，完成發動機的起動過程。
發動機起動以后，由傳感器采集壓氣機進口的溫度、壓力和發動機的溫度和轉速以及滑油壓力信號輸入至本發明的燃油調節器中來實現對供油裝置的控制，從而達到控制發動機用油量的目的。本發明的控制裝置對壓氣機進口總溫溫度信號、壓氣機進口總壓壓力信號、尾噴管排氣溫度信號、轉速信號和滑油壓力信號經信號調理電路隔離、濾波后輸出至CPU，經CPU、U5、步進電機驅動電路以及供油裝置，最后至噴油咀。
在本發明中，步進電機為23HS3002型兩相混合式電機。當CPU向步進電機驅動發一個脈沖時，經過細分驅動器驅動細分以后，步進電機的轉過的角度為0.045度。由于供油裝置需要轉過的角度為0～283度，所以最多需要向步進電機驅動發的脈沖數為6289個。
權利要求
1.一種燃油調節器，該燃油調節器同一提供推力的發動機；采集上述發動機轉速的轉速傳感器；采集壓氣機進口溫度、壓氣機進口壓力、尾噴管排氣溫度、滑油壓力的溫度、壓力傳感器；對上述發動機提供燃油的供油裝置；對上述供油裝置進行驅動的步進電機構成渦輪噴氣發動機的供油系統，其特征在于所述的步進電機由細分驅動器驅動；所述的燃油調節器包括信號調理電路、基準電壓電路、CPU、鎖存器、存儲器、以及驅動鎖存器的雙向驅動器、以及驅動存儲器的單向驅動器，信號調理電路接收從所述的傳感器采集的各信號，并對各信號進行隔離、濾波處理后輸出至CPU的A/D進行轉換成CPU接收的反饋信號，CPU對接收的反饋信號與轉速指令比較構成偏差信號，經控制律算法求解，將糾偏信號從CPU輸出PWM信號至細分驅動器驅動所述的步進電機，由所述的步進電機驅動所述的供油裝置；所述的供油裝置包括齒輪油泵、等壓差活門、計量油門、限壓活門，發動機轉子經減速傳動后帶動齒輪油泵工作，增壓后經等壓差活門進行恒壓調節，部分多余燃油經回油管回收；經等壓差活門恒壓調節后的中壓燃油進入計量油門開關，在計量油門開關前后構成恒定的等壓力差，計量油門開關的流量輸出大小與計量油門開關的等邊三角形截面面積成正比例，經所述的CPU輸出的PWM信號控制的步進電機帶動計量油門桿轉動，經CPU計量的燃油進入限壓活門輸出給噴油咀。
2.根據權利要求1所述的燃油調節器，其特征在于所述的基準電壓電路選取REF02AG芯片，其輸出電壓值為5V。
3.根據權利要求1所述的燃油調節器，其特征在于所述的信號調理電路由尾噴管排氣溫度調理電路U11、滑油壓力調理電路U12、壓氣機進口總壓壓力調理電路U13、壓氣機進口總溫溫度調理電路U14、發動機轉速調理電路五部分組成，其中，尾噴管排氣溫度調理電路U11選取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；滑油壓力調理電路U12選取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；壓氣機進口總壓壓力調理電路U13選取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；壓氣機進口總溫溫度調理電路U14選取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；發動機轉速調理電路由R33、R31、R29、C22、C21和C20組成，其中，C22、C21和C20的一端分別接12GND，另一端分別同R33、R31和R29的一端接，J16的8、9和10端分別接R33、R31和R29的一端，R33、R31和R29的另一端分別接JP2的31、32和33端，JP2的31、32和33端接CPU U12的28、29和34端。
4.根據權利要求1所述的燃油調節器，其特征在于所述的存儲器U7中用“C”語言編寫有“燃油控制律算法”和“PID算法”。
5.根據權利要求1所述的燃油調節器，其特征在于所述的步進電機為23HS3002型兩相混合式電機。
全文摘要
本發明公開了一種渦輪噴氣發動機的燃油調節器，該燃油調節器接收溫度、壓力傳感器采集的溫度、壓力信號，以及轉速傳感器采集的發動機轉速信號，經燃油調節器的CPU處理后輸出PWM信號至細分驅動器驅動步進電機，由步進電機驅動供油裝置供油，發動機所需油量由CPU精確計算后供給。該燃油調節器結構設計簡單，控制精度高，體積小。
文檔編號F02D43/00GK1563692SQ20041003075
公開日2005年1月12日 申請日期2004年4月2日 優先權日2004年4月2日
發明者王曦, 楊杰, 田鳳欣, 陳華榮, 王海龍, 孫永俠, 王磊 申請人:北京航空航天大學