基于变控制律方法的发动机自动油门控制系统研究_章卫国

基于变控制律方法的发动机自动油门控制系统研究章卫国　邓红德　高季雍　段富海西北工业大学自动控制系　西安:710072 摘　要　本文采用具有非线性的高效交流磁滞同步电机、8098单片机、线性旋转变压器与交流测速机,设计了一个具有双环反馈结构的交流数控随动系统。

该系统已成功地应用在某航空发动机试车台自动油门控制系统上。

关键词　自动油门控制系统　变控制律方法　变阻尼Abstract　This paper designs an AC numerical-contro l fo llow ing system w ith the struc-ture o f double-loo p feedback by adopting a no n-linear high-efficient AC mag netic-hys-teresis synchronus mo to r,an8098mo no lithic co mputer,a linear ro tating tra nsfo rmer and an AC tacho-generator.The sy stem has been successfully applied into a Chinese g round test facility fo r aero-engine.Keywords　Auto-th rottle contro l sy stem　Varying control law method　Va rying damp-ing1　引　言 过去试车台上的发动机通常安装在地面上,试车员通过拉杆摇臂手柄调节发动机的油门角度。

对于先进的吊挂式发动机试车台,控制台距发动机油门机构较远,若仍采用拉杆摇臂机构,则达不到所要求的控制精度。

因此,目前国外多采用数字式电传操纵自动油门控制系统。

通常,发动机自动油门控制系统的设计指标为:调节时间小于2秒,超调量小于百分之2,稳态误差小于0.5°,输出力矩大于0.25kg m。

设计位置随动控制系统时,根据系统要求合理选择伺服电动机是十分重要的。

对快速性要求高的随动系统,选用磁滞电动机具有许多优越性。

它无需附加任何启动绕组,可借助磁滞转矩自行启动。

它的启动力矩大,启动电流与额定电流的比值小,适用于频繁启动或驱动惯性较大的负载。

本吊挂式发动机试车台自动油门控制系统,在不同的偏差段,采用不同的控制策略(如变阻尼方法,积分分离式方法),使电机分别达到同步转速与各种不同的异步转速。

在同步状态时,可充分发挥磁滞电机的快速性。

通过改变阻尼系数,可使电机工作在异步状态的不同转速上。

结合双向可控硅的移相触发,可有效地解决磁滞电机的减速和稳定问题。

由于采用了积分分离控制方式,保证了系统的稳态控制精度,使所研制的发动机自动油门控制系统能快速、稳定、准确地跟踪给定的油门角度。

2　自动油门控制系统的分析与设计 自动油门控制系统的框图如图2—1所示。

图2—1所示的系统,是一个具有严重非线性的系统。

如磁滞电机、线性旋转变压器、测速机与各调理电路,都具有不同程度的非线性。

文图2—1　自动油门控制系统框图中用软件对线性旋转变压器、各调理电路都做了非线性补偿。

为了克服磁滞电机的严重非线性,采用了深度负反馈方法,运用“速度反馈振荡线性化”原理,经过减速器(比值为500),有效地解决了高频振荡问题。

图中虚框内的功能由8098单片机完成。

系统硬件结构简图见图2—2。

图2—2　系统硬件结构简图 8098单片机的功能为:采集给定的与实际的油门角信号、测速机的角速率信号;非线性补偿;控制律计算;可控硅移相触发角计算;接收400Hz 同步脉冲信号;将控制信号送给伺服驱动电路;定时刷新油门角度数字显示器;进行故障检测,判断与报警工作;工作模态的选择。

给定信号有两种工作模态。

一种是自动试车模态,由下位机提供给定信号;另一种是人工操纵模态,由操作员推动操纵手柄提供给定信号。

控制律采用了积分分离式PID 控制方式。

为防止系统超调,在偏差绝对值小于某一阈值时才引入积分作用,用以消除系统的稳态误差。

由于人工推杆近似于斜坡输入信号,·故在控制律中引入位置给定信号的微分项K g X g ,用以增强系统跟踪斜坡输入的能力。

测速反馈回路的Kv 设计成随角位置偏差变化而变化,从而起到改变系统阻尼的作用,用来调节系统的快速性与减小系统的超调量。

系统的控制律为:_=K g Xg +K p e +K I∫ttoedt +K d e -K v (e )KsX(2—1)式中e 表示角位置偏差,K V (e )表示K V 随e 变化。

K g ,K p ,K I ,K d ,K S 均为常数,控制周期为 6.25ms 。

8098单片机把控制量u 线性地转换成可控硅的移相触发角T :T =T max -(T max -T min )·|u |/|u |max (2—2)在400Hz 电源的同步脉冲信号作用下,按移相触发角T 进行延时。

当达到延时时间时,直接从高速输出口发出正转或反转的触发脉冲,送给双向可控硅电路,驱动磁滞同步电动机。

测速反馈信号和位置反馈信号分别由400Hz 、36V 交流测速发电机和线性旋转变压器提供。

磁滞电机由单相400Hz ,115V 电源提供,通过减速器带动发动机油门机构。

下面介绍电机的加、减速及方向控制。

由磁滞同步电机原理和动力学关系式∑M i =J d 2θdt2可知,当电机输出转矩大于负载时,电机将加速至同步转速;而当输出转矩小于负载转矩时,电机将减速。

在加、减速过程中,电机运行在异步状态。

对给定电动机,输出转矩与定子电流有关。

控制定子电流就可以控制输出转矩,从而使磁滞电动机作加、减速运动。

从图2—2上可知,磁滞电动机为三相绕组,采用单相交流115V ,400Hz 电源供电,用电容C 分相启动。

当双向可控硅SCR1或SCR2其中之一导通时,分相电容或串入b 相绕组或串入a 相绕组,从而改变旋转方向。

电源同步脉冲接至8098单片机的高速输入端HSI .1。

以同步脉冲边沿为起点,经过与移相触发角α相应的延时,8098单片机通过高速输出端HSO.0或HSO.1产生触发脉冲。

在任何时刻,HSO .0或HSO .1只有一个输出脉冲。

相应地双向可控硅SCR1或SCR2也只有其中一个被周期性地触发而导通。

通过改变触发角α而改变施加于定子绕组上的电压,也相应地改变了流经定子绕组的电流。

下面详细介绍控制律中K V 的变阻尼作用。

图2—3　系统软件主程序流程图 通常位置随动控制过程是使被控运动对象按加速—匀速—减速—定位的顺序运动。

磁滞同步电动机的特点是启动力矩大,在一定的定子电流下,输出转矩与转速无关。

若采用变阻尼的控制方法,在随动控制的前两个阶段取消测速阻尼反馈,即控制运算中不引入测速反馈,则机械负载会以最大加速度加速至与电动机同步转速对应的运动速度上,并以此速度接近定位点。

这样就能充分地利用磁滞电动机的优点,使系统获得所希望的快速随动特性。

位置随动系统在定位点附近的稳定性至关重要。

位置环路上的积分项用于消除位置静差。

在定位点附近,若具有弱阻尼(K V 较小),则环路增益相对大,积分作用易使系统振荡。

适当的强阻尼,会使系统获得良好的稳定性。

由加速、匀速阶段的无阻尼到定位阶段的强阻尼,若采用逐渐增大的变化规律,则会使电动机平稳地减速。

将速度反馈阻尼系统K V 设计成位置偏差的分段函数。

当偏差绝对值较大时,令K V =0,此时位置控制过程是无阻尼的,系统将获得快速跟随性能。

随着角位置偏差绝对值的减小,则分段地增加Kv ,强制使磁滞电动机工作在异步状态并逐渐减速。

当偏差绝对值很小时,K V 已增至很大,使电动机转矩进一步减小,转速也随之减小,最终图2—4　运行子程序流程图使输出转矩与负载转矩达到平衡,从而产生定位作用。

在此过程中,积分作用产生了使机构精确定位所需的校正输出。

变阻尼规律的确定与负载转矩的变化形式等因素有关,可按具体应用对象加以调整。

系统软件的主程序流程图见图2—3。

系统运行子程序流程图见图2—4。

3　系统实验结果 基于上述的理论分析,作者设计并研制了发动机自动油门变控制律数控系统。

通过现场调试和实际运行,证实了上述理论分析的正确性。

当给该随动控制系统输入最大阶跃信号110°时,从现场实际测到的系统响应曲线见图3—1。

系统的调节时间为1.4秒,超调量为零,稳态误差为零,均优于原设计指标。

图3—1　系统阶跃响应曲线4　结束语 虽然所研制的发动机自动油门控制系统具有严重的非线性,但由于采用了变控制律方法,使所设计的系统在稳定性,快速性和可靠性方面均达到并优于设计指标。

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