專利名稱：渦輪噴氣發(fā)動機的燃油調(diào)節(jié)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對發(fā)動機供油量的控制裝置，具體地說，是指一種渦輪噴氣發(fā)動機的燃油調(diào)節(jié)器。
背景技術(shù)：
發(fā)動機為飛行器提供推力，飛行器對發(fā)動機的要求是保證飛行器在任何環(huán)境條件和任何工作狀態(tài)下都能穩(wěn)定、可靠地運行，并且充分發(fā)揮其性能效益，即提供適當?shù)耐屏?。而對于發(fā)動機來說，推力的改變要靠供油量的改變來實現(xiàn)。
傳統(tǒng)的控制發(fā)動機的方法是用相關(guān)傳感器感受飛行器所處的環(huán)境和工作狀態(tài)，最后通過相關(guān)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(dǎo)致控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性低以及設(shè)計調(diào)試周期長等一些發(fā)動機敏感參數(shù)的不理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是公開一種采用電子元器件構(gòu)成的燃油調(diào)節(jié)器對發(fā)動機進行控制燃油量的渦輪噴氣發(fā)動機的燃油調(diào)節(jié)器。
本發(fā)明的一種燃油調(diào)節(jié)器，該燃油調(diào)節(jié)器同發(fā)動機、采集發(fā)動機轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)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(qū)動器、步進電機構(gòu)成渦輪噴氣發(fā)動機的供油系統(tǒng)。
所述的燃油調(diào)節(jié)器包括信號調(diào)理電路、基準電壓電路、CPU、鎖存器、存儲器、以及驅(qū)動鎖存器的雙向驅(qū)動器、以及驅(qū)動存儲器的單向驅(qū)動器，信號調(diào)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(zhuǎn)換成CPU接收的反饋信號，CPU對接收的反饋信號與轉(zhuǎn)速指令比較構(gòu)成偏差信號，經(jīng)控制律算法求解，將糾偏信號從CPU輸出PWM信號至細分驅(qū)動器驅(qū)動所述的步進電機，由所述的步進電機驅(qū)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(fā)動機轉(zhuǎn)子經(jīng)減速傳動后帶動齒輪油泵工作，增壓后經(jīng)等壓差活門進行恒壓調(diào)節(jié)，部分多余燃油經(jīng)回油管回收；經(jīng)等壓差活門恒壓調(diào)節(jié)后的中壓燃油進入計量油門開關(guān)，在計量油門開關(guān)前后構(gòu)成恒定的等壓力差，計量油門開關(guān)的流量輸出大小與計量油門開關(guān)的等邊三角形截面面積成正比例，經(jīng)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(zhuǎn)動，經(jīng)CPU計量的燃油進入限壓活門輸出給噴油咀。
本發(fā)明的控制裝置與現(xiàn)有發(fā)動機的控制裝置相比有以下一些優(yōu)點結(jié)構(gòu)簡單傳統(tǒng)的控制裝置結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，所使用的機械液壓元器件很多，而在本發(fā)明中只有一個簡單的電子控制器。
可靠性高現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)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(tǒng)控制裝置的所使用的執(zhí)行機構(gòu)。另外，根據(jù)原件越少，可靠性越高的原則，本發(fā)明的可靠性要高于傳統(tǒng)的控制裝置。
重量輕由于本發(fā)明所使用的設(shè)備大多數(shù)為電子器件，重量都很輕。再加上執(zhí)行機構(gòu)的大大簡化，使本發(fā)明控制裝置的重量遠遠低于其它控制裝置，這為發(fā)動機其它部件的設(shè)計提供了更大的空間。
成本低現(xiàn)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(fù)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(shù)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(fā)周期短本發(fā)明具有通用性。如果發(fā)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(zhí)行機構(gòu)不需要做任何的改變。而傳統(tǒng)的控制裝置通常是任何一個要求的改變，往往導(dǎo)致整個控制裝置的重新設(shè)計。


圖1是本發(fā)明燃油調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是本發(fā)明燃油調(diào)節(jié)器的控制結(jié)構(gòu)框圖。
圖3是本發(fā)明供油裝置結(jié)構(gòu)框圖。
圖4是起動電機的控制原理圖。
圖5是本發(fā)明控制結(jié)構(gòu)原理圖。
圖6是本發(fā)明的流程框圖。
圖7是本發(fā)明CPU的電路原理圖。
圖8是本發(fā)明信號調(diào)理電路原理圖。
具體實施例方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
本發(fā)明的渦輪噴氣發(fā)動機的供油系統(tǒng)由燃油調(diào)節(jié)器、供油裝置、細分驅(qū)動器、步進電機和溫度、壓力傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器組成。
本發(fā)明的渦輪噴氣發(fā)動機的燃油調(diào)節(jié)器，該燃油調(diào)節(jié)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(jīng)信號調(diào)理電路進行隔離、濾波后輸出至CPU的A/D轉(zhuǎn)換成CPU接收的反饋數(shù)字信號，經(jīng)CPU進行處理后輸出PWM信號至細分驅(qū)動器驅(qū)動步進電機，由步進電機驅(qū)動供油裝置供油，發(fā)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(fā)明中，燃油調(diào)節(jié)器的控制采用電子元器件實現(xiàn)，其處理器選取80C196KB芯片，其芯片資源配置豐富。根據(jù)設(shè)計要求為處理器U12配置有兩個單向驅(qū)動器74LS244、一個雙向驅(qū)動器74LS245、一個鎖存器74LS373和兩個存儲器65256、27256。其連接關(guān)系為(請參見圖7所示)處理器U12的地址/數(shù)據(jù)線60～53端分別接雙向驅(qū)動器U3的2～9端，地址/數(shù)據(jù)線52～45端分別接單向驅(qū)動器U1的2、4、6、8、11、13、15、17端，62、61、40、41端分別接單向驅(qū)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(fù)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(qū)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(qū)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(shù)，KI＝KiT為積分系數(shù)，KD＝Kd/T為微分系數(shù)，T為采樣周期。
被控對象在“小偏離”狀態(tài)下動態(tài)數(shù)學(xué)模型可寫為G(s)＝KT/(TTs+1)。則系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為T(s)=Y(s)R(s)=KT(Kds2+Kps+Ki)(TT+KTKd)s2+(1+KTKp)s+KTKi]]>定義時間加權(quán)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(tǒng)的輸出信號。
滿足最優(yōu)ITAE準則的n階I型標準傳遞函數(shù)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(shù)可以查表求得。對于本系統(tǒng)，n＝2，其分母多項式的形式s2+1.4ωns+ωn2.]]>但分子要求為常數(shù)，故在系統(tǒng)中引進一個前饋控制器Gp(s)＝Ki/(Kds2+Kps+Ki)。
此時系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為T′(s)=KTKi(TT+KTKd)s2+(1+KTKp)s+KTKi]]>與最優(yōu)ITAE準則比較可得，TT+KTKd＝1，1+KTKp＝1.4ωn，KTKi=an=ωn2]]>發(fā)動機最大工作狀態(tài)下KT＝0.4，TT＝0.5。對其1秒的調(diào)節(jié)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(fā)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(fā)動機轉(zhuǎn)子經(jīng)減速傳動后帶動齒輪油泵工作，增壓后經(jīng)等壓差活門進行恒壓調(diào)節(jié)，部分多余燃油經(jīng)回油管回收；經(jīng)等壓差活門恒壓調(diào)節(jié)后的中壓燃油進入計量油門開關(guān)，經(jīng)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(zhuǎn)動，經(jīng)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(qū)動采用步進電機，其可用數(shù)字信號直接進行開環(huán)控制，位移與輸入脈沖數(shù)對應(yīng)，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(zhuǎn)及變速響應(yīng)好，停止時有自鎖能力，在小步距下可實現(xiàn)超低速穩(wěn)定運行。為實現(xiàn)對燃油的精確控制，選用細分驅(qū)動器直接驅(qū)動步進電機，能完全消除電機的低頻振蕩，提高輸出轉(zhuǎn)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(fā)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(diào)理電路，其電路由四塊AD620芯片和發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)理電路構(gòu)成，每塊AD620芯片接收不同傳感器采集的信號。信號調(diào)理電路由尾噴管排氣溫度調(diào)理電路U11、滑油壓力調(diào)理電路U12、壓氣機進口總壓壓力調(diào)理電路U13、壓氣機進口總溫溫度調(diào)理電路U14、發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)理電路五部分組成，其中，尾噴管排氣溫度調(diào)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(diào)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(diào)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(diào)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(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)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(diào)理電路通過接口JP2同CPU的接口JP3實現(xiàn)數(shù)據(jù)連接。
請參見圖6所示，系統(tǒng)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(diào)用起動曲線數(shù)據(jù)，按起動供油規(guī)律輸出電脈沖信號，控制步進電機驅(qū)動計量油門開關(guān)，向發(fā)動機精確供油。若在起動階段出現(xiàn)超溫、超轉(zhuǎn)、熱懸掛、冷懸掛等故障，則相應(yīng)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(fā)動機進入慢車穩(wěn)態(tài)，溫度、壓力、轉(zhuǎn)速傳感器傳回反饋信號。CPU經(jīng)定時采樣后，按控制律要求對轉(zhuǎn)速偏差信號閉環(huán)控制，精確計算燃油量，轉(zhuǎn)換后的脈沖信號控制步進電機的轉(zhuǎn)角，從而帶動計量活門開關(guān)轉(zhuǎn)動，被控的燃油噴入發(fā)動機燃燒室，完成過渡態(tài)、穩(wěn)態(tài)控制。過渡態(tài)加減速要求CPU調(diào)用EPROM加減速曲線數(shù)據(jù)，按過渡態(tài)供油規(guī)律控制發(fā)動機工作。
如一6KW的發(fā)電機，其由四個電瓶串聯(lián)后供電帶轉(zhuǎn)發(fā)動機從靜止加速到慢車轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速2000轉(zhuǎn)/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(nèi)主油路燃油，發(fā)動機轉(zhuǎn)速迅速上升至慢車轉(zhuǎn)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(tài)繼電器SSR1、SSR2分別控制J1、J2。起動電路工作原理接通開關(guān)K，按下起動按鈕。1.8秒時從單片機P1.0輸出低電平，固態(tài)繼電器1吸合導(dǎo)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(jīng)起動電機的電流為160A，起動電機轉(zhuǎn)動并帶轉(zhuǎn)發(fā)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(jīng)起動電機的電流增大，轉(zhuǎn)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(fā)動機的起動過程。
發(fā)動機起動以后，由傳感器采集壓氣機進口的溫度、壓力和發(fā)動機的溫度和轉(zhuǎn)速以及滑油壓力信號輸入至本發(fā)明的燃油調(diào)節(jié)器中來實現(xiàn)對供油裝置的控制，從而達到控制發(fā)動機用油量的目的。本發(fā)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(zhuǎn)速信號和滑油壓力信號經(jīng)信號調(diào)理電路隔離、濾波后輸出至CPU，經(jīng)CPU、U5、步進電機驅(qū)動電路以及供油裝置，最后至噴油咀。
在本發(fā)明中，步進電機為23HS3002型兩相混合式電機。當CPU向步進電機驅(qū)動發(fā)一個脈沖時，經(jīng)過細分驅(qū)動器驅(qū)動細分以后，步進電機的轉(zhuǎn)過的角度為0.045度。由于供油裝置需要轉(zhuǎn)過的角度為0～283度，所以最多需要向步進電機驅(qū)動發(fā)的脈沖數(shù)為6289個。
權(quán)利要求
1.一種燃油調(diào)節(jié)器，該燃油調(diào)節(jié)器同一提供推力的發(fā)動機；采集上述發(fā)動機轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)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(fā)動機提供燃油的供油裝置；對上述供油裝置進行驅(qū)動的步進電機構(gòu)成渦輪噴氣發(fā)動機的供油系統(tǒng)，其特征在于所述的步進電機由細分驅(qū)動器驅(qū)動；所述的燃油調(diào)節(jié)器包括信號調(diào)理電路、基準電壓電路、CPU、鎖存器、存儲器、以及驅(qū)動鎖存器的雙向驅(qū)動器、以及驅(qū)動存儲器的單向驅(qū)動器，信號調(diào)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(zhuǎn)換成CPU接收的反饋信號，CPU對接收的反饋信號與轉(zhuǎn)速指令比較構(gòu)成偏差信號，經(jīng)控制律算法求解，將糾偏信號從CPU輸出PWM信號至細分驅(qū)動器驅(qū)動所述的步進電機，由所述的步進電機驅(qū)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(fā)動機轉(zhuǎn)子經(jīng)減速傳動后帶動齒輪油泵工作，增壓后經(jīng)等壓差活門進行恒壓調(diào)節(jié)，部分多余燃油經(jīng)回油管回收；經(jīng)等壓差活門恒壓調(diào)節(jié)后的中壓燃油進入計量油門開關(guān)，在計量油門開關(guān)前后構(gòu)成恒定的等壓力差，計量油門開關(guān)的流量輸出大小與計量油門開關(guān)的等邊三角形截面面積成正比例，經(jīng)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(zhuǎn)動，經(jīng)CPU計量的燃油進入限壓活門輸出給噴油咀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃油調(diào)節(jié)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(jù)權(quán)利要求1所述的燃油調(diào)節(jié)器，其特征在于所述的信號調(diào)理電路由尾噴管排氣溫度調(diào)理電路U11、滑油壓力調(diào)理電路U12、壓氣機進口總壓壓力調(diào)理電路U13、壓氣機進口總溫溫度調(diào)理電路U14、發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)理電路五部分組成，其中，尾噴管排氣溫度調(diào)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(diào)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(diào)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(diào)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(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)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(jù)權(quán)利要求1所述的燃油調(diào)節(jié)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(jù)權(quán)利要求1所述的燃油調(diào)節(jié)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(fā)明公開了一種渦輪噴氣發(fā)動機的燃油調(diào)節(jié)器，該燃油調(diào)節(jié)器接收溫度、壓力傳感器采集的溫度、壓力信號，以及轉(zhuǎn)速傳感器采集的發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號，經(jīng)燃油調(diào)節(jié)器的CPU處理后輸出PWM信號至細分驅(qū)動器驅(qū)動步進電機，由步進電機驅(qū)動供油裝置供油，發(fā)動機所需油量由CPU精確計算后供給。該燃油調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)設(shè)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(yōu)先權(quán)日2004年4月2日
發(fā)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(xué)