SIMJET微型涡喷发动机控制实践
微型涡喷发动机数字控制系统设计研究
摘要
微型涡喷发动机广泛应用于民用航模领域，并且在军用领域也受到越来越多的重视，逐渐 成为小型战术导弹、小型无人机、低成本攻击弹药的核心动力装置。其控制系统是确保该动力 装置充分发挥其性能的关键，并且凸显数字化、高度集成及低பைடு நூலகம்本的显著特点。本论文以微型 涡喷发动机为控制对象，对其数字式控制系统进行了方案设计、仿真研究及系统的工程实现。
Aimed at thecharacteristics of the micro turbine engine,selected the system control parameters,also,designed adjustment plan and control strategy of open-loop and closed-loop;
Classified Index: U.D.C:
A Dissertation for the Professional Degree of Master （Master of Engineering）
Design and research on the digital control system for micro turbine engine
Firstly,application background、function and framework of the system were illuminated.In view of its core component uints,developed the software and hardware design work,including ARM kernel embedded digital electronic control unit、embedded software based onμCOSⅡreal-time operating system and BLDC motor fuel pump;
基于快速原型化的小型涡喷发动机起动过程控制
收稿日期：２０２２－１１－０７基金项目：国家科技重大专项（Ｊ２０１９ Ｖ ０００３ ００９４）引用格式：王灿森，李睿超，赵万里，等．基于快速原型化的小型涡喷发动机起动过程控制［Ｊ］．测控技术，２０２４，４３（１）：５０－５４．ＷＡＮＧＣＳ，ＬＩＲＣ，ＺＨＡＯＷＬ，ｅｔａｌ．ＳｔａｒｔｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌｏｆＳｍａｌｌＴｕｒｂｏｊｅｔＥｎｇｉｎｅＢａｓｅｄｏｎＲａｐｉｄＣｏｎｔｒｏｌＰｒｏｔｏｔｙｐｅＴｅｃｈ ｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆ＣｏｎｔｒｏｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２４，４３（１）：５０－５４．基于快速原型化的小型涡喷发动机起动过程控制王灿森，李睿超，赵万里，徐建强，郭迎清（西北工业大学动力与能源学院，陕西西安 ７１０１２９）摘要：为快速验证小型涡喷发动机起动过程控制规律，基于快速原型化技术搭建了半物理试验平台。
设计了快速原型试验系统整体架构，对控制系统的软硬件设计和智能节点的工作原理进行了说明，使用ＳｐｅｅｄｇｏａｔＭｏｂｉｌｅ实时目标机作为电子控制器，以ＳＴＭ３２为核心设计智能节点，选用Ｍｏｄｂｕｓ协议对信号进行编码，实现电子控制器和智能节点之间的数据通信。
针对小型涡喷发动机的起动过程设计了一种控制规律，利用自动代码生成技术生成电子控制器可执行程序，部署到实时目标机中，完成了起动过程控制规律的试验验证。
仿真结果表明，电子控制器和智能节点通信正常，工作可靠稳定，起动过程平稳迅速、不熄火、不超温、不超转，提出的快速原型化控制技术能够有效地缩短开发周期，具有良好的工程实用价值。
关键词：小型涡喷发动机；快速原型化技术；智能节点；Ｍｏｄｂｕｓ协议中图分类号：Ｖ２１６；Ｖ２３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００－８８２９（２０２４）０１－００５０－０５ｄｏｉ：１０．１９７０８／ｊ．ｃｋｊｓ．２０２３．０１．２０３ＳｔａｒｔｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌｏｆＳｍａｌｌＴｕｒｂｏｊｅｔＥｎｇｉｎｅＢａｓｅｄｏｎＲａｐｉｄＣｏｎｔｒｏｌＰｒｏｔｏｔｙｐｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＷＡＮＧＣａｎｓｅｎ牞ＬＩＲｕｉｃｈａｏ牞ＺＨＡＯＷａｎｌｉ牞ＸＵＪｉａｎｑｉａｎｇ牞ＧＵＯＹｉｎｇｑｉｎｇ牗ＳｃｈｏｏｌｏｆＰｏｗｅｒａｎｄＥｎｅｒｇｙ牞ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ牞Ｘｉ ａｎ７１０１２９牞Ｃｈｉｎａ牘Ａｂｓｔｒａｃｔ牶Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｑｕｉｃｋｌｙｖｅｒｉｆｙｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌａｗｏｆｓｍａｌｌｔｕｒｂｏｊｅｔｅｎｇｉｎｅｓｔａｒｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ牞ａｓｅｍｉ ｐｈｙｓｉｃａｌｔｅｓｔｐｌａｔｆｏｒｍｉｓｂｕｉｌｔｂａｓｅｄｏｎｒａｐｉｄｐｒｏｔｏｔｙｐｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅｏｖｅｒａｌｌａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｒａｐｉｄｐｒｏｔｏｔｙｐｅｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄｈａｒｄｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍａｎｄｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｓｍａｒｔｎｏｄｅａｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．ＴｈｅＳｐｅｅｄｇｏａｔＭｏｂｉｌｅｒｅａｌ ｔｉｍｅｔａｒｇｅｔｍａｃｈｉｎｅｉｓｕｓｅｄａｓｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ牞ａｎｄｔｈｅＳＴＭ３２ｉｓｕｓｅｄａｓｔｈｅｃｏｒｅｔｏｄｅｓｉｇｎｔｈｅｓｍａｒｔｎｏｄｅ．Ｍｏｄｂｕｓｐｒｏｔｏｃｏｌｉｓｓｅｌｅｃｔｅｄｔｏｅｎｃｏｄｅｔｈｅｓｉｇｎａｌｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｄａｔａｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｎｄｔｈｅｓｍａｒｔｎｏｄｅ．Ａｃｏｎｔｒｏｌｌａｗｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒｔｈｅｓｔａｒｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆａｓｍａｌｌｔｕｒｂｏｊｅｔｅｎｇｉｎｅ．Ｔｈｅｅｘｅｃｕｔａｂｌｅｐｒｏｇｒａｍｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｓｇｅｎｅｒａ ｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｃｏｄｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｄｅｐｌｏｙｅｄｔｏｔｈｅｒｅａｌ ｔｉｍｅｔａｒｇｅｔｍａｃｈｉｎｅｔｏｒｕｎ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌａｗｏｆｔｈｅｓｔａｒｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｓｃｏｍｐｌｅｔｅｄ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｎｄｓｍａｒｔｎｏｄｅｗｏｒｋｒｅｌｉａｂｌｙａｎｄｓｔａｂｌｙ牞ａｎｄｔｈｅｓｔａｒｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｓｓｔａｂｌｅａｎｄｒａｐｉｄ牞ｗｉｔｈｏｕｔｓｔａｌｌｉｎｇ牞ｏｖｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ牞ａｎｄｏｖｅｒｒｕｎｎｉｎｇ．Ｔｈｅｒａｐｉｄｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｔｏｔｙｐｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｓｈｏｒｔ ｅｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｃｙｃｌｅ牞ａｎｄｈａｓｇｏｏｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒａｃｔｉｃａｌｖａｌｕｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ牶ｓｍａｌｌｔｕｒｂｏｊｅｔｅｎｇｉｎｅ牷ｒａｐｉｄｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｔｏｔｙｐｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ牷ｓｍａｒｔｎｏｄｅ牷Ｍｏｄｂｕｓｐｒｏｔｏｃｏｌ航空发动机的起动过程是指燃气发生器转子转速从零加速到地面慢车转速的过程［１］。
小型涡喷发动机燃油控制系统稳定性分析
我们通常所说的稳定性，指的是测量仪器保持其计量特性随时间恒定的能力。
发动机的燃油控制系统中，稳定性是其中一个重要的指标。
这就引申出一个问题，既然稳定性如此重要，那要如何才能了解和掌握系统的稳定性能呢？国内外的控制学家们提出了各种系统稳定性的判定定理，并且这些定理都是基于系统的数学模型得出的。
1 小型涡喷发动机试验数据分析1.1 闭环控制试验闭环控制是控制论的一个基本概念，具体地说就是作为被控的输出以一定方式返回到作为控制的输入端，并对输入端施加控制影响的一种控制关系。
笔者将小型涡喷发动机分别与甲和乙两型燃油控制系统做了闭环试验，发现发动机在整个过程中运行正常，但是与乙型燃油控制系统试验时有不稳定的情况发生。
在整个闭环控制的试验过程中，甲乙两型燃油控制系统的试验条件相同，随意选取某一实验数据，发现试验参数随着时间的变化也在作出相应的变化，甲燃油控制系统工作相对稳定，而乙燃油控制系统中，当发动机转速在50-60之间时开始变得不稳定，燃油泵转速下降异常。
1.2 燃油调节器试验要想了解燃油调节器的稳态特性，就要研究燃油泵指令转速与泵流量、调节器回油流量、进出口压力以及燃油流量等四个影响因素之间的关系。
下面笔者从燃油泵指令转速与进出口压力的关系进行数据分析，试验可以看出，进口压力分别是50千帕、150千帕、200千帕，下面分别给出进口压力是50千帕、100千帕、150千帕和200Kpa 条件下的稳态特性关系。
不难发现，两者之间呈现出的是一种线性关系，一旦燃油泵转速增大，出口压力也随之增加，存在一定的滞后误差。
小型涡喷发动机燃油控制系统稳定性分析邱家彩 咸宁职业技术学院 湖北咸宁 437100玲 英 湖北工业大学 湖北武汉 4300682 小型涡喷发动机频域分析频域是描述信号在频率方面特性时用到的一种坐标系，对任何一个事物的描述都需要从多个方面进行，每一方面的描述仅为我们认识这个事物提供部分的信息。
从前面的实验容易发现，乙型燃油控制系统只有局部稳定性，在个别情况下会出现不稳定现象，这是一种潜在的危险，建议从发动机的频域着手分析这些属于个别情况的对象特性。
小型涡喷发动机数控调节器的半实物仿真
收稿日期:2003-06-10;修订日期:2003-09-18作者简介:程涛(1964-),男,山东莱州人,北京航空航天大学能源与动力工程学院副教授,主要从事航空发动机控制和半实物仿真试验的研究.第19卷 第3期2004年6月航空动力学报Journa l of Aerospace PowerV o l 119N o 13Jun . 2004文章编号:100028055(2004)0320383204小型涡喷发动机数控调节器的半实物仿真程 涛(北京航空航天大学能源与动力工程学院,北京100083)摘要:介绍了某小型涡喷发动机数控调节器的半实物仿真试验系统的设计,以及软件和硬件的试验配置。
半实物仿真试验对涡喷发动机控制系统的稳态和瞬态性能进行了校正和验证。
试验完成了发动机数控调节器在地面和空中起动、停车功能的检验;自动加、减速功能,稳态调节性能的校正和校验;评价了发动机空中起动,按理论弹道飞行过程的调节性能。
最后,给出了部分的仿真试验曲线。
关 键 词:航空、航天推进系统;涡喷发动机;半实物仿真;发动机模型;数字式控制中图分类号:V 231 文献标识码:AHardware i n the L oop Si m ula ti onof M i n itype Turbojet Eng i n e D i g it a l Con trol Regula torCH EN G T ao(Schoo l of Jet P ropulsi on ,Beijing U n iversity of A eronautics and A stronautics ,Beijing 100083,Ch ina )Abstract :T h is paper covers the design s of H ardw are in the L oop Si m ulati on (H I L S )test 2ing of m in itype turbo jet engine digital con tro l regulato r ,and hardw are and s oft w are configura 2ti on s .T he H I L S tests check up the tran sien t and steady state perfo r m ances of the engine con tro l syste m .T he tests co rrect and verify the capability of engine digital con tro l regulato r ground start and air start ,stopp ing ,autom atic accelerating and decelerating ,and steady state regulati on .A ls o the tests evaluate the adjusting capability of air start ,and flying al ong the ballistic trajecto ry .F i 2nally s om e test results are p resen ted .Key words :aero s pace p ropulsi on syste m ;turbo jet engine ;hardw are in the l oop si m ulati on ;engine model ;digital con tro l 发动机控制系统的主要目的是提供最大的推力,最小的燃油消耗;控制发动机在喘振边界内安全可靠地运行,保护转速、温度、压力等状态参数不超出工作极限。
微型涡喷发动机的起动和供油系统及其启动和供油方法[发明专利]
![微型涡喷发动机的起动和供油系统及其启动和供油方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/2db39146a517866fb84ae45c3b3567ec102ddc83.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201610903139.6(22)申请日 2016.10.17(71)申请人 中国民用航空飞行学院地址 618307 四川省德阳市广汉市南昌路四段46号(72)发明人 侯甲栋 陈志超 赖安卿 程涵 罗文田 (74)专利代理机构 成都方圆聿联专利代理事务所(普通合伙) 51241代理人 曹少华(51)Int.Cl.F02C 7/22(2006.01)F02C 7/266(2006.01)F02C 7/268(2006.01)F02C 9/48(2006.01)F02C 7/06(2006.01)(54)发明名称微型涡喷发动机的起动和供油系统及其启动和供油方法(57)摘要本发明涉及发动机的控制领域，具体为微型涡喷发动机的起动和供油系统及其启动和供油方法，接收机由电池通过电调供电，接收机接收发射机的信号，接收机控制点火器，接收机给电调信号，电调控制起动电机和油泵的转速；燃油箱依次连接油泵、油滤、流量分配器，流量分配器的两个出口分别连接润滑油管道、燃油管路，润滑油管道与涡喷发动机的润滑油入口连接；燃油管路依次连接燃油阀、三通接头、涡喷发动机的燃油入口；三通接头还通过丁烷气阀连接丁烷气瓶。
该系统简单易操作，结构简单，成本低廉，可实现对微型涡喷发动机推力的基本控制，适合用于发动机初始的试车和航模用微型涡喷发动机的起动控制过程。
权利要求书1页 说明书4页 附图1页CN 106640379 A 2017.05.10C N 106640379A1.微型涡喷发动机的起动和供油系统，包括燃油箱(20)、点火器(5)，其特征在于，还包括流量分配器(15)、燃油管路(14)、润滑油管道(16)、电调(3)、接收机(4)；所述的接收机(4)由电池(2)通过电调(3)供电，接收机(4)接收发射机的信号，接收机(4)与点火器(5)连接，控制点火器(5)，点火器(5)与涡喷发动机(1)的点火电嘴(6)连接；所述的接收机(4)给电调(3)信号，电调(3)包括两个调速器，分别与起动电机(8)、油泵(19)连接，控制起动电机(8)和油泵(19)的转速；所述的燃油箱(20)依次连接油泵(19)、油滤(18)、流量分配器(15)，流量分配器(15)的两个出口分别连接润滑油管道(16)、燃油管路(14)，所述的润滑油管道(16)与涡喷发动机(1)的润滑油入口(17)连接；所述的燃油管路(14)依次连接燃油阀(12)、三通接头(9)、涡喷发动机(1)的燃油入口(7)；所述的三通接头(9)还通过丁烷气阀(10)连接丁烷气瓶(11)。
微小型涡喷发动机转子涡动控制方法研究
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推 进 技 术
2010年
λ4 + 2 dλ3 +
m
2k m
+
d2 m2
+
g2 m2
λ2
+
2
dk m2
λ
+
k2 + m2
s2
=0
(6)
由 R 2H准则 ,得稳定性条件为
d ( dk + gs) - m s2 > 0
2 转子支承形式
如图 1所示 ,转子为两支点支承形式 ,两端轴承 采用高速陶瓷滚动轴承 ,压气机端轴承底座处安装波 形弹簧以提供热和力作用下的变形补偿 ,并且在安装 压气机端螺母时给转子提供一定的预紧力 。
F ig. 1 Rotor2bear ing system
3 试验现象
发动机采用波形弹簧刚度值为 100 N /mm ,装配 时压气机端螺母限制力矩 8 N ·M ,涡轮端螺母限制 力矩 16 N ·M ,在 85～100 kr/m in各工况下运行时压 气机端离心叶轮与内导流罩均发生碰摩 ,涡轮前端面 部分碰摩 。分解后检查前后轴承外圈有沿周向的摩 擦痕迹 ;离心叶轮大小叶片均有碰摩 ;内导流罩转速 传感器孔附近碰摩较严重 ;涡轮前端面外环有 1 /4圈 的碰摩 ,涡轮叶片叶尖部分有较大碰摩 ,出现小台阶 ; 另外在如图 2所示的发动机垂直方向振动频域图上 明显有涡动的存在 。
摘 要 : 针对微小型涡喷发动机转子系统的涡动以及稳定性问题 , 提出了一种涡动控制方法 , 并通过试验验证 了该方法的有效性 。该方法主要通过轴向预紧力或波形弹簧压缩量 、波形弹簧刚度 、转子转速 、转子质量以及不平 衡量信息在标量系统中利用能量相等原理 , 计算衰减涡动需要的库仑阻尼垫片厚度 、数量以及安装形式 , 结合阻尼 橡胶对转子的外阻尼进行调节并装配结构 , 从而精确控制发动机转子的涡动幅值以达到微小型涡轮喷气发动机在 较高转速下稳定工作的要求 。
研究教育用微型涡喷发动机的测试实验系统
TECHNOLOGY AND INFORMATION教育与信息化120 科学与信息化2020年1月下研究教育用微型涡喷发动机的测试实验系统王庆五 华北电力大学（保定） 河北 保定 071003 摘 要 微型涡喷发动机实验系统是代替大中型燃气轮机实验系统的可行方案。
为研究发动机的压气机、涡轮效率特别是绘制特性曲线，搭建了实验系统，探讨微小传感器探头等问题，该实验可作为燃气涡轮课程的综合实验。
关键词 微型涡喷发动机；测试实验；数据采集；电子控制单元ECU前言随着燃气轮机越来越广泛的应用，许多能源电力、航空航天等专业需要进行实验。
但并非所有学校都有能力通过运行发动机提供实际操作经验。
建立大中型燃气轮机测试实验系统投资巨大。
实验系统的要求与发动机的尺寸成正比，微型喷气发动机是很好的替代品，这样可以大大降低测试实验系统的成本。
1 实验台（1）微型涡喷发动机。
发动机成本与获得的压力比和推力成正比，本文采用的发动机在海平面静态条件下具有14公斤的最大推力。
所选发动机的规格为：单级离心压气机、蒸发管逆流环形燃烧室、单级向心涡轮、收敛形尾喷管、空气流量0.4千克/秒、压比4、最大推力140牛 (转速12万转/分)、怠速推力4牛 (3万转/分)、最高排气温度600℃、耗油率330克/分、Jet A1煤油燃料、一杆油启动、Mobil Jet2或Exxon 2380润滑油、燃油润滑混合比20:1、Ø115mm ×320mm 。
此外，还有供油、启动、电子控制单元（ECU ）等系统[1]。
（2）测试实验硬件系统。
整个发动机试验台有上中下3个区域，包括显示器、发动机固定和推力测量台、防爆屏、进排气管系统、在线监测系统、数据采集系统、传感器和电源系统以及电子控制器、燃料以及数据记录系统。
如图1所示。
图1 微型涡喷发动机实验台的软硬件在发动机气流中安装了皮托管、热电偶、压力、流量等传感器。
测量的数据有：发动机转速、推力、排气温度、大气压力、温度、湿度、压气机进出口压力温度、涡轮进出口压力温度、油门量、油泵电压、耗油量、油箱油量等。
微型涡喷发动机起动控制系统设计
（ １ ． Ｔ ｅ ｓ ｔ Ｃ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ｏ ｆ Ｏ ｒ ｄ ｎ ａ ｎ ｃ ｅ ， Ｂ ａ ｉ ｃ ｈ ｅ ｎ ｇ １ ３ ７ ０ ０ １ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ；
２ ． Ｎ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｎ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇ ２ １ ０ ０ １ ６ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
的起动控制 系统。通过采用基于多传感器 的 自适应控制方法 ， 减小发动机建模误差和外界干扰的影响 ， 以提高起动 过程中系统 的鲁棒性。试车实验结果表 明： 该方法使微型涡喷发动机在一定外界条件下快速 、 平稳地起动 ， 降低 了发 动机贫油 、 富油 和喘振的可能性 ， 保证 发动机可靠起动。 关键词 ： 微 型涡喷发动机 ， 自适应控制 ， Ｍ Ｒ Ａ Ｃ 中图分类号 ： Ｔ Ｐ ２ ７ ３ ． ２ 文献标识码 ： Ａ
Ｖ ０ １ ．３ ８． Ｎｏ ． ８
火 力 与 指 挥 控 制
Ｆ ｉ ｒ ｅ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ＆Ｃ ｏ ｍｍａ ｎ ｄ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｏｌ ｒ
第３ ８ 卷
第８ 期
Ａ ｕ ｇ ， ２ ０ １ ３
２ ０ １ ３年 ８月
文章编号 ： １ ０ ０ ２ — ０ ６ ４ ０ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ８ — ０ １ ４ ４ — ０ ４
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ Ｓ ｔ ａ ｒ ｔ － ｕ ｐ Ｃｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｆ ｏ ｒ ａ Ｍｉ ｃ ｒ ｏ Ｔｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ
ＭＡ Ｄｅ － ｙ ｏ ｕ ， Ｓ Ｕ Ｊ ｕ ｎ ， ＨＵＡＮＧ Ｊ ｉ ａ ｎ ， Ｗ ＡＮ Ｊ ｉ ａ － ｑ ｉ ｎ ｇ 。
SIMJET微型涡喷发动机控制实践
总体特征： 总体特征：长-260mm，直径 ，直径-89mm，重量 ，重量-1000g 发动机主体：单级离心压气机、燃烧室、 发动机主体：单级离心压气机、燃烧室、单级涡轮 发动机机身附件：永磁直流起动电机、 点火器、 发动机机身附件 ： 永磁直流起动电机 、 点火器 、 传感器及 信号调理板 性能参数： 慢车转速55000RPM， 额定转速 性能参数 ： 慢车转速 ， 额定转速155000RPM， ， 最大推力6Kg，慢车推力：0.36-0.6 Kg，发动机正常排气温 最大推力 ，慢车推力： ， 度 ： 540-590℃ ， 发动机自保护排气温度 ： 800℃ ， 最大推 ℃ 发动机自保护排气温度： ℃ 力时油耗：238ml/min 力时油耗： 两种燃料：丙烷、 航空滑油的航空煤油。 两种燃料：丙烷、含4%航空滑油的航空煤油。前者用于预 航空滑油的航空煤油 燃加温，后者一部分经过轴承,达到润滑轴承的目的 达到润滑轴承的目的， 燃加温， 后者一部分经过轴承 达到润滑轴承的目的，另一 部分通过蒸发管加热蒸发， 部分通过蒸发管加热蒸发，到燃烧室燃烧 起动方式： 采用直流电机直接带动转子旋转， 起动方式 ： 采用直流电机直接带动转子旋转 ， 通过丙烷预 对煤油加热蒸发， 燃，对煤油加热蒸发，进而在燃烧室可靠燃烧
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6.控制规律研究
—实物在回路仿真 实物在回路仿真
微发模型 接口模拟器 隔离通道 执行机构 信号输入 传感器信号输出 0～3000Hz 转速信号
RS232
1# 工控机
微发模型
电机 PWM
点火器 PWM
油泵 PWM
丙烷阀 燃油阀 1/0 1/0
0～2.4V 温度信号
控制器原理样机
微型燃气涡轮发动机实验指导书
微型燃气涡轮发动机实验指导书中国民航大学发动机运行与控制实验室目录实验1：发动机启动、运行演示实验....................................... 1..实验2：发动机推力实验................................ 错. 误!未定义书签。
实验3：微型涡轮喷气式发动机控制综合实验.............. 错误!未定义书签。
实验4：发动机循环及效率实验.......................... 错误!未定义书签。
实验5：涡喷发动机部件效率实验........................ 错误! 未定义书签。
开放选题：涡喷发动机性能分析.......................... 错误!未定义书签。
实验1:发动机启动、运行演示实验实验目的熟悉CM14发动机软、硬件设备；掌握CM14发动机启动、运行和停机方法；熟悉并掌握应用小型涡轮燃气涡轮实验台数据采集系统获取实验数据。
实验设备CM14发动机（含油箱和引燃气体）；数据采集系统；控制计算机（已安装Armfield 软件）；AMT 软件。
实验步骤（1）准备（提前完成）A.燃油、滑油混合可选用燃油JP-4 Paraffin或jet A-1，由于涡轮机需要燃油润滑，因而必须在燃油中混入4.5%的润滑油（Aeroshell 500 turbine oil）。
润滑油在启动和停机过程中会起到润滑发动机的作用，当激活关机按钮时，混油润滑剂的燃油会停止流入发动机，发动机内残留的燃油在热端挥发，在涡轮机表面形成润滑油层；下次开机启动时，这些润滑油也会润滑发动机。
不允许在润滑剂的情况下运行发动机，否则会对发动机造成不可逆的损害。
油箱的容量是5升，滑、燃油混合时应遵循以下顺序：用量筒量取250m壳牌500航空涡轮机润滑油，并倒入混合容器内；图1-1控制软件界面（发动机示意图）（2）启动为保证发动机正常启动，必须严格按照以下顺序进行操作：点击控制计算机软件界面的电源按钮（“Power Or）”点击控制计算机软件界面的允许按钮（“ En ab©点击控制计算机软件界面的启动按钮（“Start ”当按下启动按钮（“ Start）”之后，发动机便开始启动，不再需要其他任何操作。
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tim e
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8.总结与展望
—总结 总结 初步建立了微型涡喷发动机控制系统的研究平台 （含一系列嵌入式控制器、控制与测量软件） 基本找到了解决控制系统中关键传感器和执行元件 问题的技术措施 研制成功经过不断改进的3种控制器原理样机
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8.总结与展望
—展望 展望 建立微型涡喷发动机全状态实时动态数学模型 微型涡喷发动机自适应控制 微小燃油流量精确控制 控制系统的集成化和微型化 自动起动、 自动起动、空中起动及再起动 机载可靠性
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控制实践：
SIMJET微型涡喷发动机控制实践
第十四讲
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主要内容
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 微型涡喷发动机简介 控制系统的组成与工作原理 控制系统研究的技术难点 控制器的硬件平台 控制器的软件设计 控制规律研究 台架试车实验研究 结束语
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1.微型涡喷发动机简介 微型涡喷发动机简介
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1.微型涡喷发动机简介 微型涡喷发动机简介
—发动机的结构分解 发动机的结构分解
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1.微型涡喷发动机简介 微型涡喷发动机简介
—发动机的配套件 发动机的配套件
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1.微型涡喷发动机简介 微型涡喷发动机简介
—发动机的应用
微型涡喷发动机特点
– 重量轻、功率大、能量密度高 – 是飞机动力装置的缩微版，具有与常规涡喷发动机相似的工作过程和运行特征
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5.控制器软件设计
—软件的功能定义 软件的功能定义
实时时钟基准 状态采集：转速、温度、油门指令、电源电 压等 执行机构的操纵 起动控制逻辑 发动机状态操纵与调节 安全保护逻辑 通信 参数配置
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6.控制规律研究
仿真技术 实物在回路仿真技术 接口模拟器 起动控制规律研究 状态调节控制规律研究
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2.控制系统的组成与工作原理 控制系统的组成与工作原理
—原理框图 原理框图
直流起 动电机 点火器 丙烷阀 燃 燃 油 油 泵 阀 燃气涡轮发动机 转速 传感器
温度 传感器
FADEC控 制 器
油门操 纵装置
状态监 视终端
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2.控制系统的组成与工作原理 控制系统的组成与工作原理 —工作原理
接通点火器加热 接通电机带动转子旋转，然后快速断开， 接通电机带动转子旋转，然后快速断开，以得到一个较低的转速 状态（观察转速信号） 状态（观察转速信号） 打开气阀，丙烷气应在燃烧室内点火成功（观察排气温度信号） 打开气阀，丙烷气应在燃烧室内点火成功（观察排气温度信号） 如果点火成功，则断开点火器， 如果点火成功，则断开点火器，接通电机加速 接通油阀,控制油泵 使燃油进入燃烧室，并维持一个较小的流量 接通油阀 控制油泵,使燃油进入燃烧室 控制油泵 使燃油进入燃烧室， 燃油蒸发燃烧时,发动机的状态有显著变化 转速上升 燃油蒸发燃烧时 发动机的状态有显著变化,转速上升 声音增大 发动机的状态有显著变化 转速上升,声音增大 调节供油量， 调节供油量，避免转速悬挂 当转速达到一定程度时， 当转速达到一定程度时，切断气阀 当转速达到一定程度时， 当转速达到一定程度时，电机脱开 继续加油， 继续加油，直至发动机进入慢车状态 慢车以后，改变供油量，可以改变发动机状态， 慢车以后，改变供油量，可以改变发动机状态，产生期望的推力 12
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思考题
1. SIMJET发动机控制系统中有哪些传感器和 发动机控制系统中有哪些传感器和 执行机构 2. 简述微型涡喷发动机的控制方案 3. 供油量是通过什么手段调节的 4. *控制器的基本工作原理 控制器的基本工作原理 5. *简述微型涡喷发动机的起动控制过程 简述微型涡喷发动机的起动控制过程
民用领域
– 电影业的航拍 – 广告业的飞行广告 – 高级航模运动
形成新型武器系统和新作战模式
– 各类微型无人机（飞行科目训练、军事侦查、高速小型靶标、飞行器设计验证 ) – 微型导弹（陆军用、无人机或直升机用）
未来军事应用需求
– 作为微型高速靶机可提高我军空、陆、海诸军种防空部队的训练水平 – 作为微型诱饵机、侦察机、攻击机等可显著增强部队的战斗力。 – 可独立或结合燃料电池发展为高能量密度军用电源
最 大 转 速 121926rpm 最 大 油 压 234.3KPa 起 动 时 间 22秒
最 大 推 力 7.34Kg
10 0
50
0 0 70 1 40
tim e (s)
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7.台架试车实验研究
—基于快速原型控制系统 基于快速原型控制系统
Ta N g(R P M ) PW M Wf Ft FP
40 35 30 25 20 15 10 5 0 -5 50 60 70 80 90 100
—SIMJET-1200 AES型发动机特点 型发动机特点
总体特征： 总体特征：长-260mm，直径 ，直径-89mm，重量 ，重量-1000g 发动机主体：单级离心压气机、燃烧室、 发动机主体：单级离心压气机、燃烧室、单级涡轮 发动机机身附件：永磁直流起动电机、 点火器、 发动机机身附件 ： 永磁直流起动电机 、 点火器 、 传感器及 信号调理板 性能参数： 慢车转速55000RPM， 额定转速 性能参数 ： 慢车转速 ， 额定转速155000RPM， ， 最大推力6Kg，慢车推力：0.36-0.6 Kg，发动机正常排气温 最大推力 ，慢车推力： ， 度 ： 540-590℃ ， 发动机自保护排气温度 ： 800℃ ， 最大推 ℃ 发动机自保护排气温度： ℃ 力时油耗：238ml/min 力时油耗： 两种燃料：丙烷、 航空滑油的航空煤油。 两种燃料：丙烷、含4%航空滑油的航空煤油。前者用于预 航空滑油的航空煤油 燃加温，后者一部分经过轴承,达到润滑轴承的目的 达到润滑轴承的目的， 燃加温， 后者一部分经过轴承 达到润滑轴承的目的，另一 部分通过蒸发管加热蒸发， 部分通过蒸发管加热蒸发，到燃烧室燃烧 起动方式： 采用直流电机直接带动转子旋转， 起动方式 ： 采用直流电机直接带动转子旋转 ， 通过丙烷预 对煤油加热蒸发， 燃，对煤油加热蒸发，进而在燃烧室可靠燃烧
6.控制规律研究
—实物在回路仿真 实物在回路仿真
微发模型 接口模拟器 隔离通道 执行机构 信号输入 传感器信号输出 0～3000Hz 转速信号
RS232
1# 工控机
微发模型
电机 PWM
点火器 PWM
油泵 PWM
丙烷阀 燃油阀 1/0 1/0
0～2.4V 温度信号
控制器原理样机
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6.控制规律研究
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1.微型涡喷发动机简介 微型涡喷发动机简介
—发动机的应用
美微小型巡航导弹
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2.控制系统的组成与工作原理 控制系统的组成与工作原理
—组成 组成
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2.控制系统的组成与工作原理 控制系统的组成与工作原理
—组成 组成
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2.控制系统的组成与工作原理 控制系统的组成与工作原理
—执行元件 执行元件
起动电机：永磁高速直流电机， 起动电机：永磁高速直流电机，在 提供8V～ 直流电源时， 提供 ～9.6V直流电源时，可以将 直流电源时 发动机的转子带到10000RPM 以上 发动机的转子带到 点火器： 的电阻丝， 点火器：0.3Ω的电阻丝，在供给 的电阻丝 9.6V点火脉冲时 9.6V点火脉冲时，为丙烷气体提供 点火脉冲时， 点火源 丙烷阀、燃油阀 ：交直流两用电磁 丙烷阀、 阀，用于控制燃气和燃油的通断 燃油泵： 燃油泵：直流电机带动的单向齿轮 泵 ，采用PWM方式调节直流电机 采用 方式调节直流电机 转速， 转速，从而调节供油量
4.控制器硬件平台研究
—原装控制器 原装控制器
11.4Hz 6
0
5Vቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
起动 电机
燃油泵
燃油阀
丙烷阀
点火器
转速 传感器
温度 传感器
起动电机 控制电路
燃油泵 控制电路
燃油阀 控制电路
丙烷阀 控制电路
点火器 控制电路
转速信号 采集电路
温度信号 采集电路
电池组
电源 电路
电池 电压 采集 电路
AT89S8252单片机核心电路
—实物在回路仿真 实物在回路仿真
从原装控制器获取控制规律
– 电机控制规律 – 点火控制规律 – 气阀控制规律 – 油阀控制规律 – 油泵控制规律 – 供油量规律
验证原理样机控制器的控制规律
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7.台架试车实验研究
—基于快速原型控制系统 基于快速原型控制系统
Ta N g (R P M ) P la PW M Wf Ft FP
驾驶舱 面板指 示电路
驾驶舱 面板
FADEC电路
油门指令信号 输入电路 串行通信 接口电路
油门操纵装置
状态监控终端
700
50Hz 2300us
PWM
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4.控制器硬件平台研究 —基于工控机的快速原型控制平台
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5.控制器软件设计
软件的功能定义 软件的模块划分 基于C语言的程序设计 软件的实时性与RTOS 软件的可配置性