微型涡喷发动机电子控制器设计与验证

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微型涡喷发动机作为一种轻型航空发动机,被广泛应用于无人侦察机、巡航导弹、靶机等众多飞行器的动力系统中。与之配套的控制系统是保障其稳定运行的关键部件。基于此背景,本文以对微型涡喷发动机的控制研究为出发点,以产品化的工程应用为最终目标,针对某一型号的微型涡喷发动机研发了一套完整的控制系统并进行了地面试车试验。主要完成的工作如下:(1)确立控制系统的设计目标和总体方案。本文所使用的发动机本体重量为780 g,最大推力为6 da N,最高转速为160000 RPM。为使控制系统达到轻量化、高可靠性、易操作、传感信号丰富、可扩展性强的设计目标,确定了以基于LIN总线通信的分布式控制器作为控制系统的设计架构。控制系统包括主控制器、辅助控制器、操纵台控制器和测控系统上位机,各控制器通过LIN总线实现数据交互。(2)根据执行机构和传感器的特性设计控制器硬件。发动机的执行机构包括起动电机、燃油阀门、点火器、油泵;传感器包括转速传感器、排气温度传感器、大气温湿度传感器、大气压力传感器、姿态传感器、振动传感器、台架推力传感器。通过分析其各自的工作原理和信号特征,设计了对应的驱动电路和信号采集电路,最终组合为一套完整的控制系统硬件方案并制作出控制器实物。(3)设计了下位机软件和上位机软件。采用Free RTOS作为主控制器和辅助控制器的软件架构,通过对任务的设计和分配实现整体功能。通过对LIN总线通信协议层的重新设计提升了总线带宽利用率,以满足控制器间的高速通信需求。基于Labview设计了测控系统上位机软件,实现了对控制系统的测量、控制和数据记录功能。(4)设计了发动机起动控制律。将发动机起动过程划分为电机起动、点火、预热、加速、脱开、慢车共六个阶段,通过试车试验逐步确定每个阶段的具体控制参数和状态转换条件。最终实现发动机起动过程的时间小于35 s,最高排气温度小于630℃。(5)建立了发动机转速模型和地面静止环境下的推力模型。分别使用动态系数法和神经网络方法基于开环试验数据建立发动机模型。通过两组试验数据对模型进行验证,采用两种方法所建立模型的误差分别小于2%和3%。(6)设计了基于增益调度PI的发动机转速控制算法。通过选取三个转速指令设计点分别设计对应的控制器参数,使用线性插值的方法将控制器参数与转速指令建立调度关系。先后通过数值仿真和试车试验进行验证,取得了预期的转速控制效果。
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