一種航空增壓器控制系統及其調節方法
【專利摘要】本發明提出了一種航空發動機增壓器壓力閉環控制系統，其屬于航空活塞發動機進氣系統與調節領域。本發明采用電機直驅的位置伺服系統解決了采用廢氣門控制增壓和利用增壓調節廢氣門的耦合問題，控制更直接，調節范圍更廣，響應速度更高；同時本系統采用的調節方法，根據大氣高度和節氣門位置的變化率對廢氣門動作進行瞬態修正，保證了增壓壓力的瞬態快速控制效果。本發明的控制系統主要包括直接驅動的電機和減速齒輪構成的位置伺服驅動系統；大氣壓力、大氣溫度、增壓壓力、增壓溫度、增壓器轉速、發動機轉速、節氣門位置、廢氣門位置傳感器；具備調節算法的微型計算機和接口電路組成的控制器。
【專利說明】一種航空增壓器控制系統及其調節方法
【技術領域】
[0001]本發明提出了一種航空用活塞發動機渦輪增壓器增壓壓力閉環控制系統及其調節方法，屬于活塞發動機進氣調節與控制領域，可以用于通用航空、無人機以及其他航空發動機方面，也可以用在地面車用發動機動力的高海拔功率恢復。該控制系統執行器采用電機直接驅動，響應速度快，集成度高；該控制系統采用的調節算法同時考慮大氣壓力和發動機節氣門位置以及兩者的變化率，在實現增壓壓力穩態控制的基礎上，保證了增壓壓力的瞬態控制效果。
【背景技術】
[0002]渦輪增壓作為活塞發動機提高功率的有效方式，已經在地面發動機動力系統中得到廣泛應用，包括柴油發動機機和汽油發動機。但是，在航空應用中，現在基本上仍以汽油發動機為主，而且供油方式大部分仍處在化油器方式，電控燃油噴射技術使用不多。在以上條件下，對汽油機進行增壓控制實現功率恢復或者提高升限比較困難，主要原因一是現有的增壓控制采用的是機械調節控制方式，控制范圍非常窄，控制不靈活，還需要附加的壓力保護裝置；二是航空活塞發動機運行過程中，高度存在瞬態變化情況，外界大氣壓力也存在瞬態變化，采用機械調節裝置難以實現增壓快速瞬態控制。
[0003]現有大批量使用的增壓系統機械調節機構原理如圖1所示。彈性膜片和彈簧構成調節機構，其中一端接到增壓器壓氣機出口和發動機進氣部分的節氣門之前，另外一端接到環境壓力。該種調節方式實質上調節的是增壓壓力和環境壓力之間的差值，該差值決定了廢氣門開度的大小。這在地面動力上使用是沒問題的，因為地面動力使用環境壓力變化不是很大，這樣增壓壓力能實現較小波動范圍內的穩定。但該種方式顯然不能解決航空應用環境的問題，航空發動機爬升過程中高度存在急劇變化情況，按照上述調節方式的增壓壓力是不能保持恒定的，這對于采用化油器供油方式的發動機來講，基本上是無法工作的。除此之外，現有的地面發動機中，采用增壓技術的同時，基本上采用了電子節氣門，為了保證發動機的瞬態性能，必須避免出現節氣門瞬態減小情況下的超壓情況，因此額外需要增加增壓器壓氣機出口的安全閥，這增加了系統的復雜程度，也不符合航空發動機的輕質高效要求。可以說，現有的純機械調節方式完全不能滿足航空應用要求。
[0004]除了以上純機械的調節方式外，為了提高靈活程度，現在存在的另外一種方式是真空調節方式，其基本實現原理如圖2所示。該種方式實質上是在純機械方式上，增加了電控調節能力，通過氣動調節模塊來實現。氣動調節模塊一端接大氣，一端接增壓器壓氣機出口，其工作方式是通過其中電磁閥的開關實現膜片室聯通大氣或者壓氣機出口，兩者接通時間的比例調節了膜片室的壓力，從而可以實現廢氣門開度的調整。該種方式可以實現一定范圍內的壓力調節，但是必須注意的是不能實現增壓壓力之外的范圍調節，而且該種調節方式存在采用增壓控制廢氣門和利用廢氣門調節增壓的循環問題，在航空活塞發動機中無法應用。
[0005]由于現有的增壓器執行器都是上述兩種方式，因此控制調節算法也都基于以上執行器進行實現。CN101082318B專利提出了一種用于不同海拔高度控制渦輪增壓內燃機進氣壓力的控制系統，但是該專利主要是解決高海拔地區的發動機增壓壓力控制，沒有考慮海拔高度的瞬態變化；而且該專利采用的執行器即是上面論述的電子調節的氣動致動器，氣動執行器的動力來源于增壓壓力和環境壓力，存在利用廢氣門來控制增壓和利用增壓來驅動廢氣門的循環使用問題，廢氣門運行難以保證理想運動情況。該種驅動方式的缺點在專利CN102191999A中也有論述。CN101994594A專利是從節流閥和增壓器綜合控制上進行調節，實現動力性和經濟性的綜合兼顧，這種調節方法要求發動機必須帶有電子節氣門和增壓器可調裝置(廢氣門、可變幾何、可變噴嘴等)，顯然該種方式在仍然采用化油器供油方式的航空發動機中，是無法使用的。CN102297015A專利則是重點解決增壓器調節執行器在控制范圍以外的情況，調節算法通過對增壓器執行器調節范圍根據發動機工況進行限制，同時采用對積分項的不同處理實現控制范圍的調整；該專利主要集中在地面動力上的增壓控制，不適合高度變化的航空活塞發動機。因此，綜合現有增壓器系統的技術現狀和航空活塞發動機的獨特使用環境，本發明提出一種基于電機直接驅動的增壓壓力閉環控制系統，既能實現增壓壓力的大范圍靈活調節也能實現增壓壓力的瞬態快速控制效果。
【發明內容】
[0006]本發明提出一種航空活塞發動機增壓壓力控制系統及其調節方法，為采用化油器供油方式的航空活塞發動機提供穩定進氣系統，其控制調節方法重點解決兩個問題，一是現有控制系統執行器響應速度慢、調節范圍窄；二是發動機高度以及節氣門位置瞬態變化情況下，增壓壓力的瞬態快速調節。本發明可以保證航空活塞發動機滿足起動、爬升、巡航以及降落過程中的穩定增壓壓力要求。
[0007]本發明提出的控制系統包括傳感器、控制器和執行器三部分，其中關鍵核心是電機直驅的執行器和相應的控制算法。傳感器部分按照發動機、增壓器和大氣環境三方面進行劃分，發動機傳感器包括發動機轉速、節氣門開度；增壓器傳感器包括增壓器轉速、增壓壓力、廢氣門開度；大氣環境包括大氣溫度和壓力。控制器為包含控制調節算法的微型計算機和有關的傳感器、執行器接口電路等。執行器則是電機直接驅動的廢氣門位置伺服驅動
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[0008]本發明采用的電機直接驅動執行器主要是解決現有增壓系統中機械調節或者間接氣動調節的缺點提出的，避免了增壓壓力和廢氣門驅動的循環使用問題，也即執行器不再和控制目標增壓壓力存在耦合關系，直接在電力驅動下實現廢氣門開度的控制。由于該執行器直接采用電力驅動，響應速度比純機械或者間接氣動調節的執行器響應速度快，這對于航空增壓系統中的瞬態控制要求非常重要。除此之外，該執行器解決了控制目標增壓壓力和廢氣門的耦合問題，控制更為直接，控制范圍也更寬，可以實現比較復雜的增壓壓力曲線，這在原來的執行器方式中是無法實現的。
[0009]本發明的增壓器控制系統，其主要特征在于，設有:
[0010]傳感器部分:
[0011]發動機轉速傳感器、節氣門位置傳感器，用于確定發動機工作狀態(加速、減速和穩態)；
[0012]增壓器轉速傳感器、增壓壓力傳感器、廢氣門位置傳感器，用于確定增壓器工作狀態(正常，超速)和廢氣門位置狀態；
[0013]大氣壓力、溫度傳感器，用于確定發動機運行外界條件(起飛一爬升一巡航一降落)；
[0014]執行器部分:
[0015]電機直接驅動的位置伺服控制系統，可以通過電機加減速齒輪箱實現，也可以采用電機加蝸輪蝸桿機構實現。執行器輸出通過連桿直接驅動廢氣門，通過廢氣門位置傳感器實現位置閉環反饋。
[0016]控制器部分:
[0017]控制器部分為集成了控制調節算法的微型計算機和相應的傳感器、執行器接口電路，傳感器接口部分主要是模擬傳感器信號調理和數字傳感器脈沖信號變換；執行器接口部分主要是實現電機正反雙向運動的H橋電路。控制器根據傳感器信號輸入，確定增壓壓力目標，根據當前廢氣門位置，輸出控制信號，通過壓力反饋實現廢氣門位置控制。
[0018]本發明的增壓控制調節方法，其特征在于:
[0019]使用上述本發明的電機直驅位置伺服驅動系統作為執行器；
[0020]通過節氣門位置和大氣壓力查表確定穩態目標增壓值；
[0021]通過節氣門位置和大氣壓力變化率確定是否需要瞬態增壓補償；
[0022]節氣門位置變化率為正時，發動機屬于加速狀態，廢氣門執行器關閉補償值正向增加，反之，則反向減小；
[0023]大氣壓力變化率增加時，發動機工作于降落狀態，廢氣門執行器打開補償值正向增加，反之，則反向減少。
[0024]本發明的優點在于:
[0025]1.采用直接驅動執行器，隔離了增壓壓力和廢氣門驅動之間的聯系，驅動更直接，響應速度更快，壓力控制也更為精確；同時增壓壓力控制范圍調節更為靈活，適用范圍更廣。
[0026]2.采用大氣壓力判定高度變化，確定是否加入瞬態控制，避免增壓器正反饋情況出現，瞬態壓力控制更為平穩。
[0027]3.采用節氣門開度速率變化，確定增壓器廢氣門動作快慢，增壓壓力瞬態響應特性更好。
[0028]4.不需要增壓器壓氣機出口端附加瞬態壓力限制閥，系統復雜程度降低，整體重量減輕。
[0029]5.瞬態調節算法根據發動機飛行情況確定，增壓系統控制實時性更強，發動機性能特性更好。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]圖1為現有增壓器機械調節方式圖；；
[0031]圖2為現有增壓器電子調節方式圖；
[0032]圖3為本發明第一種實施方式圖；
[0033]圖4為本發明第二種實施方式圖；
[0034]圖5為本發明第二種實施方式位置伺服系統實現原理圖；
[0035]圖6為本發明增壓壓力控制邏輯圖；
[0036]圖中:
[0037]101-大氣，102-機械調節器，103-廢氣門，104-渦輪，105-發動機，106-節氣門，107-壓氣機，108-引壓管路，201 —電子調節模塊，202 —控制系統E⑶，301 —大氣溫度，302 一大氣壓力，303 —增壓溫度，304 —增壓壓力，305 —增壓器轉速，306 —發動機轉速，307 一節氣門開度，308 —廢氣門位置，309 —大氣狀態，310 —增壓器狀態，311 —發動機狀態，312 —控制器，313 —廢氣門驅動器，314 —增壓器，401 —發動機控制器，402 —通信接口，403 一增壓器位置伺服控制器，404 一廢氣門位置，405 —位置控制，406 —增壓器，501 一電源，502 — PWM接口，503 — CAN接口，504 —微控制器，505 —位置傳感器，506 — H橋，507 —電機，508 —齒輪箱。
【具體實施方式】
[0038]下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
[0039]本發明的第一種實施方式是單一控制器完成廢氣門位置和壓力閉環控制，具體實現如圖3所示。該系統包括大氣壓力301、大氣溫度302、增壓壓力303、增壓溫度304、增壓器轉速305、發動機轉速306、節氣門307、廢氣門位置308等傳感器，控制器312為集成了控制算法的微型計算機和相關接口電路，輸出執行器313則是驅動電機和減速齒輪構成的伺服系統。
[0040]第一種實施方式的控制算法由以下過程實現。控制器312按照一定的頻率(中斷)采集301-308傳感器信息，首先根據發動機轉速306和節氣門位置307傳感器確定初步目標增壓值；接著通過大氣壓力傳感器301和節氣門位置傳感器307變化確定是否加入瞬態修正值，兩者之和作為最終的目標增壓值；然后根據當前增壓壓力303數值，確定廢氣門執行器313打開或者關閉動作，該過程通過PID控制算法實現。為了防止PID算法在瞬態大信號過渡過程中出現振蕩現象，避免增壓器出現喘振，加入前饋控制調整，保證瞬態控制效果。
[0041]本發明的第二種實施方式是增壓器和單獨的位置控制器集成到一體，獨立成為一個系統，具體實現原理如圖4所示。位置伺服控制器403本身完成廢氣門位置反饋的閉環控制，和外界的接口通過通信接口 402或者其他方式實現。位置控制器接收外界(一般是發動機控制系統401)的控制命令信號，該控制信號表示廢氣門需要達到的目標位置，位置伺服控制器403自身通過閉環控制實現廢氣門達到目標對應位置。也即是說，位置伺服控制器403本身是位置反饋閉環控制器，壓力的閉環控制通過發動機控制系統401實現。該種實現方式的好處是，增壓器和調節單元是集成的，可以做成增壓器系統模塊，便于和其他發動機控制系統進行集成，接口簡單。
[0042]位置伺服控制器403的實現方式如圖5所示。該系統和外界的接口很少，只有電源501，PWM通信接口 502，CAN接口 503。電源501為整個控制系統提供電力。PWM通信接口502為控制系統提供命令信息和診斷信息，命令信息通過信號的占空比來表示，診斷信息通過高低電平和持續時間來表示。CAN接口 503為控制系統和其他控制系統之間的接口，相關命令信息通過協議制定實現。其實上述通信接口也可以采用其他方式實現，該種通信方式可以使得位置伺服控制器403可以作為獨立的位置執行器，用在其他方面，比如其他方面的位置伺服控制。微控制器504通過H橋506對電機507進行雙向驅動，電機運動經過減速齒輪箱508進行減速最終實現廢氣門位置的驅動，通過廢氣門位置傳感器505實現位置閉環控制。
[0043]第二種實施方式的控制算法由以下過程實現。該種實現方式中，位置伺服控制器403通過接收發動機控制系統401的位置控制指令，自身通過由微控制器504、H橋506、電機507、齒輪箱508和廢氣門位置傳感器505構成的位置伺服驅動系統實現廢氣門位置的閉環控制。
[0044]本發明的控制調節算法邏輯如圖6所示。本算法和地面動力相比，增加了大氣高度的瞬態修正，同時根據航空活塞發動機本身特點，在廢氣門打開時直接采用PID算法，而在廢氣門關閉時為了防止增壓器出現喘振和壓力波動，采用先前饋開環的方式逐步關閉廢氣閥，在增壓壓力達到目標值的90%范圍內，為了減少穩態誤差，此時采用PID算法調整，保證目標值的準確性。
[0045]整個算法以發動機工況為基礎，以發動機轉速306、節氣門位置307傳感器為基礎確定當前發動機狀態，查表確定初步目標增壓值；然后根據大氣壓力301代表的高度以及節氣門位置307的變化確定是否加入瞬態修正，查表確定相關修正系數；在初步目標增壓值和修正系數確定后，三者相乘得到最終的實際目標增壓值；然后根據實際目標增壓值是否大于當前增壓壓力值確定，確定廢氣門關閉和打開算法，廢氣門關閉時采用局部開環和穩態PID閉環調節的方式實現，廢氣門打開則直接采用穩態PID調節的方式實現。
【權利要求】
1.一種航空活塞發動機渦輪增壓器壓力控制系統，其特征在于:包含直接驅動的位置伺服驅動系統，所述直接驅動的位置伺服系統采用電機驅動和減速齒輪配合實現；所述控制系統還包含大氣壓力傳感器、大氣溫度傳感器、增壓壓力傳感器、增壓器溫度傳感器、增壓器轉速傳感器、發動機轉速傳感器、節氣門位置傳感器以及廢氣門位置傳感器；所述控制系統還設有具備調節算法的微型計算機和接口電路組成的控制器。
2.如權利要求1所述的控制系統，其特征在于:所述控制系統設置為將所述控制器和所述直接驅動的位置伺服驅動系統進行集成，成為單獨的位置伺服控制系統。所述位置伺服控制系統通過通信接口和發動機控制系統相連，發動機控制系統根據傳感器信號和調節算法，發送位置伺服控制系統達到目標位置的命令。位置伺服控制系統實現廢氣門位置的內部位置閉環控制，發動機控制系統實現增壓壓力的外部閉環控制。
3.如權利要求1所述的控制系統，其特征在于:所述控制系統由單一的控制器完成位置伺服和壓力閉環功能。控制器根據傳感器信號和控制調節算法，直接輸出驅動位置伺服控制系統的控制信號，在實現廢氣門位置閉環控制的基礎上實現發動機增壓壓力的閉環控制。
4.基于權利要求1-3中任一項所述控制系統的調節方法，其特征在于: 包括以下步驟: 步驟1:控制系統采集傳感器信息； 控制系統按照一定的頻率采集大氣壓力、大氣溫度、增壓壓力、增壓溫度、增壓器轉速、發動機轉速、節氣門位置以及廢氣門位置信息。 步驟2:控制系統查表計算初步目標增壓值； 控制系統根據發動機轉速和節氣門位置信息，查表插值計算初步目標增壓值。 步驟3:控制系統瞬態修正； 控制系統根據當前采集的節氣門位置，與上次采集值進行比較，計算得到節氣門位置變化率，與節氣門位置變化率瞬態修正門限值相除得到節氣門瞬態修正系數；控制系統根據當前采集的大氣壓力值，換算成大氣高度值，與上次采集值比較，計算得到大氣高度變化率，與大氣高度變化率瞬態修正門限值相除得到大氣高度瞬態修正系數。 步驟4:控制系統計算最終目標增壓值； 控制系統根據初步目標增壓值、節氣門瞬態修正系數和大氣高度瞬態修正系數，三者相乘確定最終目標增壓值。 步驟5:控制系統對廢氣門進行控制； 若目標增壓壓力值大于當前增壓壓力值，廢氣門關閉，為了防止增壓器喘振和壓力波動，關閉廢氣門使當前增壓壓力值趨向目標增壓壓力值，當兩者趨近到一定范圍后，采用PID方法控制廢氣門的開閉，使當前增壓壓力值與目標增壓壓力值一致。實際目標增壓壓力值小于當前增壓壓力值，廢氣門打開，直接采用PID閉環控制算法。 步驟6:控制系統輸出驅動脈沖，完成驅動功能； 控制系統對位置伺服驅動系統中的電機輸出驅動脈沖，實現廢氣門運動控制，達到增壓壓力穩定控制要求。
【文檔編號】F02B37/12GK104234821SQ201410479862
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月18日 優先權日:2014年9月18日
【發明者】張奇, 丁水汀, 杜發榮, 閔敏 申請人:北京航空航天大學