專利名稱：旁通式適配器及其航空發動機快速原型控制方法
技術領域：
本發明用于航空發動機的控制系統實驗研究，以滿足快速建立發動機電子控制系統原型的要求，屬于航空發動機控制技術領域。航空發動機電子控制系統的快速原型實驗需要快速構建一個方便調試控制規律的環境，對傳感器信號進行調理和采集，并輸出電流信號驅動執行機構。
背景技術：
在航空發動機電子控制系統的研制過程中，采用快速原型控制系統的方法能節約成本，并大大加快產品進度。快速原型控制是指在產品開發的初期，通過快速地建立控制對象和控制器模型，對相應的控制模型或控制算法進行多次離線和在線的試驗來驗證控制系統軟硬件方案的可行性。航空發動機電子控制器擔負著對飛行環境和發動機工作狀態的采集、控制邏輯和算法的處理、控制指令的放大和驅動等重要任務，它具有任務復雜、實時性強、可靠性要求高等特點，因此其研制周期長。采用快速原型控制技術可以極大地提高開發效率和研究水平，克服傳統的基于實際物理平臺的設計方法耗時長、成本昂貴和風險高的特點。現有的快速原型技術采用的方法是在工業控制計算機主板插槽插入數據采集卡實現信號驅動和調理功能。由于數據采集卡只能提供標準-IOV +IOV或4 20mA信號， 還必須研制額外的傳感器信號調理和執行機構驅動電路。另外數據采集卡需要安裝驅動程序。這種方案成本高，從計算機數據采集卡到信號調理與驅動電路傳輸的是模擬信號，傳輸距離有限，易受干擾。
發明內容
本發明目的在于解決現有的航空發動機快速原型控制系統中成本高、結構復雜、 抗干擾能力差等問題，提供一種低成本、高效、抗干擾、應用簡單的旁通式適配器及其航空發動機快速原型控制方法。本發明為實現上述目的，采用如下技術方案
本發明旁通式適配器，包括DSP核心模塊、信號驅動模塊和信號調理模塊，其中信號驅動模塊包括輸入端分別與DSP核心模塊輸出端連接的光隔離電流放大模塊和電壓/電流變換模塊，信號調理模塊包括輸出端分別與DSP核心模塊輸入端連接的電阻/電壓變換模塊、 電平變換模塊、兩個光電隔離電平變換模塊和兩個電壓放大模塊。旁通式適配器的航空發動機快速原型控制方法，其特征是
采用旁通式適配器和普通PC機構成快速原型控制系統，PC機作為發動機控制計算機實現控制，旁通式適配器以高速串口通訊的方式實現與發動機控制計算機通訊，以旁通工作方式作為發動機控制器的終端設備，實現傳感器信號的調理與采集，控制信號的輸出與驅動，適配器的數據傳輸采取主/從實時邏輯。所述的旁通式適配器是指適配器實現傳感器信號的調理與采集和控制信號輸出與驅動，發動機控制邏輯和算法由發動機控制計算機實現，傳感器信號通過適配器采集后傳輸到控制計算機，控制指令先傳輸到適配器，適配器對控制信號進行驅動后送到執行機構；旁通工作方式是通過高速串口通訊實現的發動機控制計算機將控制算法得到的控制量通過高速串口實時傳輸給適配器，適配器將采集到的傳感器反饋值通過高速串口實時傳輸給發動機控制計算機；
所述適配器的數據傳輸的主/從實時邏輯如下控制計算機以主機方式工作，以定時的方式實現實時控制邏輯，適配器以從機方式工作，通過實時串口在主機邏輯的驅動下實現控制信號的輸出；適配器以小步長采樣，實時獲取最新的控制反饋值，當接收到主機的控制指令后，立即刷新控制輸出，并將最新的控制反饋值即時送到主機；主/從邏輯保證在發動機快速原型控制系統中由于通訊帶來的延遲不超過一個通訊周期。本發明的優點
1)使用方便。發動機控制計算機通過串口線直接與適配器連接，適配器直接與傳感器與執行機構連接，不需要接口板卡和安裝驅動程序。控制程序的開發直接在發動機控制計算機上開發。2)抗干擾能力強。采用高速串口在適配器和控制計算機中傳輸數字信號，傳輸距離遠，抗干擾能力強。3)實時性好。采用數據傳輸的主/從實時邏輯保證控制回路的實時性。
附圖1是航空發動機電子控制系統原理框圖。附圖2是基于旁通式適配器的航空發動機快速原型控制系統框圖。附圖3是旁通式適配器的組成原理框圖。附圖4是數據傳輸的主/從實時邏輯流程圖。附圖5是信號調理模塊的原理框圖。附圖6是信號驅動模塊的原理框圖。附圖7是基于旁通式適配器的微型渦噴發動機快速原型控制系統框圖。
具體實施例方式下面結合圖1-圖6具體說明本發明的方法。如圖1所示，在航空發動機電子控制系統中，傳感器采集航空發動機的狀態信號， 如轉速、溫度、壓力等，輸入到電子控制器。電子控制器是對傳感器輸入的發動機狀態信號進行信號調理后，然后進行控制邏輯和算法的處理，生成控制指令，對控制指令進行驅動后，輸出到執行機構，進而改變發動機狀態量到預定值。 如圖2所示，基于旁通式適配器的航空發動機快速原型控制系統采用普通PC機作為發動機控制計算機，通過高速串口連接到旁通式適配器，就可以實現對傳感器信號的采集和執行機構的驅動。 如圖3所示，旁通式適配器由DSP核心模塊、信號調理和信號驅動模塊組成。航空發動機傳感器經過信號調理模塊調理后，由DSP核心模塊實時采集，轉換成數字信號，然后通過高速串口實時傳輸給控制計算機進行決策；同時DSP核心模塊實時接收控制計算機決策得到的控制指令信號，通過信號驅動模塊的電流放大，驅動執行機構動作。如圖4所示，處于從機工作模式的旁通式適配器的工作時序受到控制計算機的驅動，其工作時序是駕駛艙面板指令、轉速、溫度、壓力、位移傳感器等輸入信號的采集是受到2毫秒定時器的驅動，以小采樣步長為控制計算機的準備好最新的輸入數據；當收到控制計算機發來的完整數據包時，適配器立即響應主機的驅動，將準備好的最新輸入數據，即采集到的駕駛艙面板指令、轉速、溫度、壓力、位移傳感器等信號發送到控制計算機，并將控制計算機發來的控制指令實時更新到驅動模塊，驅動執行機構動作。如圖5所示，信號調理模塊的具體實現方法如下信號采集調理部分具有開關量采集調理、轉速采集調理和模擬量采集調理功能。開關量采集調理部分將采集到的如駕駛艙面板指令等開關量過光電耦合器隔離后輸出0/3. 3V的信號，頻率量采集調理部分將轉速傳感器的信號通過光電隔離后輸出幅值為0/3. 3V的方波給DSP核心模塊，模擬量采集調理部分可以接收熱電阻和熱電偶溫度傳感器、壓力傳感器和線性可變差動變壓器(LVDT)式位移傳感器的輸入，提供傳感器的驅動信號，并將其調理成(T3V的電壓。如圖6所示，信號驅動模塊的具體實現方法如下信號驅動模塊包括開關量指令輸出模塊和電流驅動信號輸出模塊。開關量輸出模塊將DSP核心模塊輸出的0/3. 3V開關量信號經過光電耦合器隔離和場效應管電流放大后，輸出0/24V的電平信號，驅動點火器、 起動機等設備。電流驅動信號輸出模塊將DSP核心模塊輸出的電壓量經過電壓/電流變換成-40mA、0mA的電流信號，驅動導葉、油針等設備。實施例，基于旁通式適配器的微型渦噴發動機的快速原型控制
如圖7所示，微型渦噴發動機控制系統根據采集到的轉速和尾氣溫度信號控制發動機起動電機、點火、氣閥、油閥和油泵，其中轉速信號為頻率量，溫度采用熱電偶溫度傳感器、 起動電機、點火、氣閥和油閥信號為開關量輸出，油泵信號為模擬量輸出。采用普通PC機和旁通式適配器，就可以快速構建微型渦噴發動機控制系統，并在PC機上開展控制規律的研究。
權利要求
1.一種旁通式適配器，其特征在于包括DSP核心模塊、信號驅動模塊和信號調理模塊，其中信號驅動模塊包括輸入端分別與DSP核心模塊輸出端連接的光隔離電流放大模塊和電壓/電流變換模塊，信號調理模塊包括輸出端分別與DSP核心模塊輸入端連接的電阻 /電壓變換模塊、電平變換模塊、兩個光電隔離電平變換模塊和兩個電壓放大模塊。
2.一種基于權利要求1所述的旁通式適配器的航空發動機快速原型控制方法，其特征是采用旁通式適配器和普通PC機構成快速原型控制系統，PC機作為發動機控制計算機實現控制，旁通式適配器以高速串口通訊的方式實現與發動機控制計算機通訊，以旁通工作方式作為發動機控制器的終端設備，實現傳感器信號的調理與采集，控制信號的輸出與驅動，適配器的數據傳輸采取主/從實時邏輯。
3.根據權利要求2所述的基于旁通式適配器的航空發動機快速原型控制方法，其特征是所述的旁通式適配器是指適配器實現傳感器信號的調理與采集和控制信號輸出與驅動，發動機控制邏輯和算法由發動機控制計算機實現，傳感器信號通過適配器采集后傳輸到控制計算機，控制指令先傳輸到適配器，適配器對控制信號進行驅動后送到執行機構；旁通工作方式是通過高速串口通訊實現的發動機控制計算機將控制算法得到的控制量通過高速串口實時傳輸給適配器，適配器將采集到的傳感器反饋值通過高速串口實時傳輸給發動機控制計算機。
4.根據權利要求2所述的基于旁通式適配器的航空發動機快速原型控制方法，其特征是所述適配器的數據傳輸的主/從實時邏輯如下控制計算機以主機方式工作，以定時的方式實現實時控制邏輯，適配器以從機方式工作，通過實時串口在主機邏輯的驅動下實現控制信號的輸出；適配器以小步長采樣，實時獲取最新的控制反饋值，當接收到主機的控制指令后，立即刷新控制輸出，并將最新的控制反饋值即時送到主機；主/從邏輯保證在發動機快速原型控制系統中由于通訊帶來的延遲不超過一個通訊周期。
全文摘要
本發明公布了一種旁通式適配器及其航空發動機快速原型控制方法，所述適配器包括DSP核心模塊、信號驅動模塊和信號調理模塊。所述方法采用旁通式適配器和普通PC機構成快速原型控制系統，PC機作為發動機控制計算機實現控制，旁通式適配器以高速串口通訊的方式實現與發動機控制計算機通訊，以旁通工作方式作為發動機控制器的終端設備，實現傳感器信號的調理與采集，控制信號的輸出與驅動，適配器的數據傳輸采取主/從實時邏輯。本發明使用方便，抗干擾能力強，實時性好。
文檔編號G05B17/02GK102183894SQ201110044559
公開日2011年9月14日 申請日期2011年2月24日 優先權日2011年2月24日
發明者于兵, 劉冬冬, 唐周軍, 張天宏, 黃向華 申請人:南京航空航天大學