一种航空增压器控制系统及其调节方法

一种航空增压器控制系统及其调节方法
【专利摘要】本发明提出了一种航空发动机增压器压力闭环控制系统，其属于航空活塞发动机进气系统与调节领域。本发明采用电机直驱的位置伺服系统解决了采用废气门控制增压和利用增压调节废气门的耦合问题，控制更直接，调节范围更广，响应速度更高；同时本系统采用的调节方法，根据大气高度和节气门位置的变化率对废气门动作进行瞬态修正，保证了增压压力的瞬态快速控制效果。本发明的控制系统主要包括直接驱动的电机和减速齿轮构成的位置伺服驱动系统；大气压力、大气温度、增压压力、增压温度、增压器转速、发动机转速、节气门位置、废气门位置传感器；具备调节算法的微型计算机和接口电路组成的控制器。
【专利说明】一种航空增压器控制系统及其调节方法

【技术领域】
[0001]本发明提出了一种航空用活塞发动机涡轮增压器增压压力闭环控制系统及其调节方法，属于活塞发动机进气调节与控制领域，可以用于通用航空、无人机以及其他航空发动机方面，也可以用在地面车用发动机动力的高海拔功率恢复。该控制系统执行器采用电机直接驱动，响应速度快，集成度高；该控制系统采用的调节算法同时考虑大气压力和发动机节气门位置以及两者的变化率，在实现增压压力稳态控制的基础上，保证了增压压力的瞬态控制效果。

【背景技术】
[0002]涡轮增压作为活塞发动机提高功率的有效方式，已经在地面发动机动力系统中得到广泛应用，包括柴油发动机机和汽油发动机。但是，在航空应用中，现在基本上仍以汽油发动机为主，而且供油方式大部分仍处在化油器方式，电控燃油喷射技术使用不多。在以上条件下，对汽油机进行增压控制实现功率恢复或者提高升限比较困难，主要原因一是现有的增压控制采用的是机械调节控制方式，控制范围非常窄，控制不灵活，还需要附加的压力保护装置；二是航空活塞发动机运行过程中，高度存在瞬态变化情况，外界大气压力也存在瞬态变化，采用机械调节装置难以实现增压快速瞬态控制。
[0003]现有大批量使用的增压系统机械调节机构原理如图1所示。弹性膜片和弹簧构成调节机构，其中一端接到增压器压气机出口和发动机进气部分的节气门之前，另外一端接到环境压力。该种调节方式实质上调节的是增压压力和环境压力之间的差值，该差值决定了废气门开度的大小。这在地面动力上使用是没问题的，因为地面动力使用环境压力变化不是很大，这样增压压力能实现较小波动范围内的稳定。但该种方式显然不能解决航空应用环境的问题，航空发动机爬升过程中高度存在急剧变化情况，按照上述调节方式的增压压力是不能保持恒定的，这对于采用化油器供油方式的发动机来讲，基本上是无法工作的。除此之外，现有的地面发动机中，采用增压技术的同时，基本上采用了电子节气门，为了保证发动机的瞬态性能，必须避免出现节气门瞬态减小情况下的超压情况，因此额外需要增加增压器压气机出口的安全阀，这增加了系统的复杂程度，也不符合航空发动机的轻质高效要求。可以说，现有的纯机械调节方式完全不能满足航空应用要求。
[0004]除了以上纯机械的调节方式外，为了提高灵活程度，现在存在的另外一种方式是真空调节方式，其基本实现原理如图2所示。该种方式实质上是在纯机械方式上，增加了电控调节能力，通过气动调节模块来实现。气动调节模块一端接大气，一端接增压器压气机出口，其工作方式是通过其中电磁阀的开关实现膜片室联通大气或者压气机出口，两者接通时间的比例调节了膜片室的压力，从而可以实现废气门开度的调整。该种方式可以实现一定范围内的压力调节，但是必须注意的是不能实现增压压力之外的范围调节，而且该种调节方式存在采用增压控制废气门和利用废气门调节增压的循环问题，在航空活塞发动机中无法应用。
[0005]由于现有的增压器执行器都是上述两种方式，因此控制调节算法也都基于以上执行器进行实现。CN101082318B专利提出了一种用于不同海拔高度控制涡轮增压内燃机进气压力的控制系统，但是该专利主要是解决高海拔地区的发动机增压压力控制，没有考虑海拔高度的瞬态变化；而且该专利采用的执行器即是上面论述的电子调节的气动致动器，气动执行器的动力来源于增压压力和环境压力，存在利用废气门来控制增压和利用增压来驱动废气门的循环使用问题，废气门运行难以保证理想运动情况。该种驱动方式的缺点在专利CN102191999A中也有论述。CN101994594A专利是从节流阀和增压器综合控制上进行调节，实现动力性和经济性的综合兼顾，这种调节方法要求发动机必须带有电子节气门和增压器可调装置(废气门、可变几何、可变喷嘴等)，显然该种方式在仍然采用化油器供油方式的航空发动机中，是无法使用的。CN102297015A专利则是重点解决增压器调节执行器在控制范围以外的情况，调节算法通过对增压器执行器调节范围根据发动机工况进行限制，同时采用对积分项的不同处理实现控制范围的调整；该专利主要集中在地面动力上的增压控制，不适合高度变化的航空活塞发动机。因此，综合现有增压器系统的技术现状和航空活塞发动机的独特使用环境，本发明提出一种基于电机直接驱动的增压压力闭环控制系统，既能实现增压压力的大范围灵活调节也能实现增压压力的瞬态快速控制效果。


【发明内容】

[0006]本发明提出一种航空活塞发动机增压压力控制系统及其调节方法，为采用化油器供油方式的航空活塞发动机提供稳定进气系统，其控制调节方法重点解决两个问题，一是现有控制系统执行器响应速度慢、调节范围窄；二是发动机高度以及节气门位置瞬态变化情况下，增压压力的瞬态快速调节。本发明可以保证航空活塞发动机满足起动、爬升、巡航以及降落过程中的稳定增压压力要求。
[0007]本发明提出的控制系统包括传感器、控制器和执行器三部分，其中关键核心是电机直驱的执行器和相应的控制算法。传感器部分按照发动机、增压器和大气环境三方面进行划分，发动机传感器包括发动机转速、节气门开度；增压器传感器包括增压器转速、增压压力、废气门开度；大气环境包括大气温度和压力。控制器为包含控制调节算法的微型计算机和有关的传感器、执行器接口电路等。执行器则是电机直接驱动的废气门位置伺服驱动
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[0008]本发明采用的电机直接驱动执行器主要是解决现有增压系统中机械调节或者间接气动调节的缺点提出的，避免了增压压力和废气门驱动的循环使用问题，也即执行器不再和控制目标增压压力存在耦合关系，直接在电力驱动下实现废气门开度的控制。由于该执行器直接采用电力驱动，响应速度比纯机械或者间接气动调节的执行器响应速度快，这对于航空增压系统中的瞬态控制要求非常重要。除此之外，该执行器解决了控制目标增压压力和废气门的耦合问题，控制更为直接，控制范围也更宽，可以实现比较复杂的增压压力曲线，这在原来的执行器方式中是无法实现的。
[0009]本发明的增压器控制系统，其主要特征在于，设有:
[0010]传感器部分:
[0011]发动机转速传感器、节气门位置传感器，用于确定发动机工作状态(加速、减速和稳态)；
[0012]增压器转速传感器、增压压力传感器、废气门位置传感器，用于确定增压器工作状态(正常，超速)和废气门位置状态；
[0013]大气压力、温度传感器，用于确定发动机运行外界条件(起飞一爬升一巡航一降落)；
[0014]执行器部分:
[0015]电机直接驱动的位置伺服控制系统，可以通过电机加减速齿轮箱实现，也可以采用电机加蜗轮蜗杆机构实现。执行器输出通过连杆直接驱动废气门，通过废气门位置传感器实现位置闭环反馈。
[0016]控制器部分:
[0017]控制器部分为集成了控制调节算法的微型计算机和相应的传感器、执行器接口电路，传感器接口部分主要是模拟传感器信号调理和数字传感器脉冲信号变换；执行器接口部分主要是实现电机正反双向运动的H桥电路。控制器根据传感器信号输入，确定增压压力目标，根据当前废气门位置，输出控制信号，通过压力反馈实现废气门位置控制。
[0018]本发明的增压控制调节方法，其特征在于:
[0019]使用上述本发明的电机直驱位置伺服驱动系统作为执行器；
[0020]通过节气门位置和大气压力查表确定稳态目标增压值；
[0021]通过节气门位置和大气压力变化率确定是否需要瞬态增压补偿；
[0022]节气门位置变化率为正时，发动机属于加速状态，废气门执行器关闭补偿值正向增加，反之，则反向减小；
[0023]大气压力变化率增加时，发动机工作于降落状态，废气门执行器打开补偿值正向增加，反之，则反向减少。
[0024]本发明的优点在于:
[0025]1.采用直接驱动执行器，隔离了增压压力和废气门驱动之间的联系，驱动更直接，响应速度更快，压力控制也更为精确；同时增压压力控制范围调节更为灵活，适用范围更广。
[0026]2.采用大气压力判定高度变化，确定是否加入瞬态控制，避免增压器正反馈情况出现，瞬态压力控制更为平稳。
[0027]3.采用节气门开度速率变化，确定增压器废气门动作快慢，增压压力瞬态响应特性更好。
[0028]4.不需要增压器压气机出口端附加瞬态压力限制阀，系统复杂程度降低，整体重量减轻。
[0029]5.瞬态调节算法根据发动机飞行情况确定，增压系统控制实时性更强，发动机性能特性更好。

【专利附图】

【附图说明】
[0030]图1为现有增压器机械调节方式图；；
[0031]图2为现有增压器电子调节方式图；
[0032]图3为本发明第一种实施方式图；
[0033]图4为本发明第二种实施方式图；
[0034]图5为本发明第二种实施方式位置伺服系统实现原理图；
[0035]图6为本发明增压压力控制逻辑图；
[0036]图中:
[0037]101-大气，102-机械调节器，103-废气门，104-涡轮，105-发动机，106-节气门，107-压气机，108-引压管路，201 —电子调节模块，202 —控制系统E⑶，301 —大气温度，302 一大气压力，303 —增压温度，304 —增压压力，305 —增压器转速，306 —发动机转速，307 一节气门开度，308 —废气门位置，309 —大气状态，310 —增压器状态，311 —发动机状态，312 —控制器，313 —废气门驱动器，314 —增压器，401 —发动机控制器，402 —通信接口，403 一增压器位置伺服控制器，404 一废气门位置，405 —位置控制，406 —增压器，501 一电源，502 — PWM接口，503 — CAN接口，504 —微控制器，505 —位置传感器，506 — H桥，507 —电机，508 —齿轮箱。

【具体实施方式】
[0038]下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
[0039]本发明的第一种实施方式是单一控制器完成废气门位置和压力闭环控制，具体实现如图3所示。该系统包括大气压力301、大气温度302、增压压力303、增压温度304、增压器转速305、发动机转速306、节气门307、废气门位置308等传感器，控制器312为集成了控制算法的微型计算机和相关接口电路，输出执行器313则是驱动电机和减速齿轮构成的伺服系统。
[0040]第一种实施方式的控制算法由以下过程实现。控制器312按照一定的频率(中断)采集301-308传感器信息，首先根据发动机转速306和节气门位置307传感器确定初步目标增压值；接着通过大气压力传感器301和节气门位置传感器307变化确定是否加入瞬态修正值，两者之和作为最终的目标增压值；然后根据当前增压压力303数值，确定废气门执行器313打开或者关闭动作，该过程通过PID控制算法实现。为了防止PID算法在瞬态大信号过渡过程中出现振荡现象，避免增压器出现喘振，加入前馈控制调整，保证瞬态控制效果。
[0041]本发明的第二种实施方式是增压器和单独的位置控制器集成到一体，独立成为一个系统，具体实现原理如图4所示。位置伺服控制器403本身完成废气门位置反馈的闭环控制，和外界的接口通过通信接口 402或者其他方式实现。位置控制器接收外界(一般是发动机控制系统401)的控制命令信号，该控制信号表示废气门需要达到的目标位置，位置伺服控制器403自身通过闭环控制实现废气门达到目标对应位置。也即是说，位置伺服控制器403本身是位置反馈闭环控制器，压力的闭环控制通过发动机控制系统401实现。该种实现方式的好处是，增压器和调节单元是集成的，可以做成增压器系统模块，便于和其他发动机控制系统进行集成，接口简单。
[0042]位置伺服控制器403的实现方式如图5所示。该系统和外界的接口很少，只有电源501，PWM通信接口 502，CAN接口 503。电源501为整个控制系统提供电力。PWM通信接口502为控制系统提供命令信息和诊断信息，命令信息通过信号的占空比来表示，诊断信息通过高低电平和持续时间来表示。CAN接口 503为控制系统和其他控制系统之间的接口，相关命令信息通过协议制定实现。其实上述通信接口也可以采用其他方式实现，该种通信方式可以使得位置伺服控制器403可以作为独立的位置执行器，用在其他方面，比如其他方面的位置伺服控制。微控制器504通过H桥506对电机507进行双向驱动，电机运动经过减速齿轮箱508进行减速最终实现废气门位置的驱动，通过废气门位置传感器505实现位置闭环控制。
[0043]第二种实施方式的控制算法由以下过程实现。该种实现方式中，位置伺服控制器403通过接收发动机控制系统401的位置控制指令，自身通过由微控制器504、H桥506、电机507、齿轮箱508和废气门位置传感器505构成的位置伺服驱动系统实现废气门位置的闭环控制。
[0044]本发明的控制调节算法逻辑如图6所示。本算法和地面动力相比，增加了大气高度的瞬态修正，同时根据航空活塞发动机本身特点，在废气门打开时直接采用PID算法，而在废气门关闭时为了防止增压器出现喘振和压力波动，采用先前馈开环的方式逐步关闭废气阀，在增压压力达到目标值的90%范围内，为了减少稳态误差，此时采用PID算法调整，保证目标值的准确性。
[0045]整个算法以发动机工况为基础，以发动机转速306、节气门位置307传感器为基础确定当前发动机状态，查表确定初步目标增压值；然后根据大气压力301代表的高度以及节气门位置307的变化确定是否加入瞬态修正，查表确定相关修正系数；在初步目标增压值和修正系数确定后，三者相乘得到最终的实际目标增压值；然后根据实际目标增压值是否大于当前增压压力值确定，确定废气门关闭和打开算法，废气门关闭时采用局部开环和稳态PID闭环调节的方式实现，废气门打开则直接采用稳态PID调节的方式实现。
【权利要求】
1.一种航空活塞发动机涡轮增压器压力控制系统，其特征在于:包含直接驱动的位置伺服驱动系统，所述直接驱动的位置伺服系统采用电机驱动和减速齿轮配合实现；所述控制系统还包含大气压力传感器、大气温度传感器、增压压力传感器、增压器温度传感器、增压器转速传感器、发动机转速传感器、节气门位置传感器以及废气门位置传感器；所述控制系统还设有具备调节算法的微型计算机和接口电路组成的控制器。
2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于:所述控制系统设置为将所述控制器和所述直接驱动的位置伺服驱动系统进行集成，成为单独的位置伺服控制系统。所述位置伺服控制系统通过通信接口和发动机控制系统相连，发动机控制系统根据传感器信号和调节算法，发送位置伺服控制系统达到目标位置的命令。位置伺服控制系统实现废气门位置的内部位置闭环控制，发动机控制系统实现增压压力的外部闭环控制。
3.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于:所述控制系统由单一的控制器完成位置伺服和压力闭环功能。控制器根据传感器信号和控制调节算法，直接输出驱动位置伺服控制系统的控制信号，在实现废气门位置闭环控制的基础上实现发动机增压压力的闭环控制。
4.基于权利要求1-3中任一项所述控制系统的调节方法，其特征在于: 包括以下步骤: 步骤1:控制系统采集传感器信息； 控制系统按照一定的频率采集大气压力、大气温度、增压压力、增压温度、增压器转速、发动机转速、节气门位置以及废气门位置信息。 步骤2:控制系统查表计算初步目标增压值； 控制系统根据发动机转速和节气门位置信息，查表插值计算初步目标增压值。 步骤3:控制系统瞬态修正； 控制系统根据当前采集的节气门位置，与上次采集值进行比较，计算得到节气门位置变化率，与节气门位置变化率瞬态修正门限值相除得到节气门瞬态修正系数；控制系统根据当前采集的大气压力值，换算成大气高度值，与上次采集值比较，计算得到大气高度变化率，与大气高度变化率瞬态修正门限值相除得到大气高度瞬态修正系数。 步骤4:控制系统计算最终目标增压值； 控制系统根据初步目标增压值、节气门瞬态修正系数和大气高度瞬态修正系数，三者相乘确定最终目标增压值。 步骤5:控制系统对废气门进行控制； 若目标增压压力值大于当前增压压力值，废气门关闭，为了防止增压器喘振和压力波动，关闭废气门使当前增压压力值趋向目标增压压力值，当两者趋近到一定范围后，采用PID方法控制废气门的开闭，使当前增压压力值与目标增压压力值一致。实际目标增压压力值小于当前增压压力值，废气门打开，直接采用PID闭环控制算法。 步骤6:控制系统输出驱动脉冲，完成驱动功能； 控制系统对位置伺服驱动系统中的电机输出驱动脉冲，实现废气门运动控制，达到增压压力稳定控制要求。
【文档编号】F02B37/12GK104234821SQ201410479862
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月18日 优先权日:2014年9月18日
【发明者】张奇, 丁水汀, 杜发荣, 闵敏 申请人:北京航空航天大学