一种微型涡轮发动机的控制方法及控制系统与流程

1.本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种微型涡轮发动机的控制方法及控制系统。


背景技术：

2.微型涡喷发动机是一个复杂的气动热力机械，转速高达每分钟十几万转、涡轮前温度超过1000℃，其非线性特性随飞行高度、飞行马赫数的不同而剧烈变化。因此发动机转速、温度等必须工作在设计安全限制条件内。一般的安全保护限制设计采用极值超限判断的硬切油的方式，以达到保护涡轮温度不超温的目的。这种简单的安全保护设计，通常会因切油规律不合适，引发转速闭环系统的转速摆动问题，甚至产生燃烧不稳定、转速忽高忽低、空中停车等事故问题。
3.而且现有的开环油量控制经常出现油量偏差，造成转速变化不正常、启动失败、启动后转速上升缓慢等现象。


技术实现要素：

4.针对上述不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种微型涡轮发动机的控制方法及控制系统，使涡喷发动机起车响应快，顺利进入慢车工况，加车减车响应快，抗扰度能力强。
5.为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
6.一种微型涡轮发动机的控制方法，包括以下步骤：
7.s1、起动发动机，启动油量＝初始启动油量，输出初始供油pwm信号；
8.s2、获取发动机转速上升变化率dn；
9.s3、判断转速上升变化率dn是否大于预设定变化率d；
10.s4、如果大于，启动油量按照预设定减油量进行递减，输出对应的修正供油pwm信号，再执行s2；如果不大于，当前启动油量不变，输出对应的当前供油pwm信号；
11.s5、获取燃油增长率和转速增长率；
12.s6、判断燃油增长率是否小于转速增长率；
13.s7、如果小于，当前供油pwm信号不变；如果不小于，燃油增长率＝限制燃油增长率，输出对应的限制供油pwm信号。
14.优选方式为，所述s4具体为：
15.如果大于，根据转速上升变化率dn，调取对应的预设定减油量，输出对应的修正供油pwm信号，再执行s2。
16.优选方式为，还包括以下步骤：
17.s8、获取发动机的实际转速、目标转速和前馈供油pwm信号；
18.s9、利用增量式pid调速器，基于实际转速、目标转速和前馈供油pwm信号，输出对应的第一供油pwm信号；
19.s10、根据第一供油pwm信号，控制油泵，以稳定发动机转速。
20.优选方式为，所述s9之后，还包括以下步骤：
21.判断第一供油pwm信号是否超出预设定幅值；
22.如果超出，进入超温保护模式；
23.获取喷口温度t；
24.判断喷口温度t是否大于预设定tmax-δt；
25.如果大于，触发超温保护模块，利用公式δq＝x1*[t-(tmax-δt)]，计算出减油量δq；再利用公式q＝q-δq，计算出修正启动油量q，根据修正启动油量q，输出对应的第二供油pwm信号；
[0026]
如果不大于，退出超温保护；
[0027]
s10、根据第二供油pwm信号，控制油泵，以稳定发动机转速。
[0028]
优选方式为，还包括以下步骤：
[0029]
判断喷口温度t是否大于预设定tmax；
[0030]
如果大于，利用公式δq＝x2*(t-tmax)，计算出减油量δq；再利用公式q＝q-δq，计算出修正启动油量q，根据修正启动油量q，输出对应的第二供油pwm信号；
[0031]
如果不大于，退出超温保护。
[0032]
优选方式为，还包括以下步骤：
[0033]
判断喷口温度t是否大于预设定tmax+δt；
[0034]
如果大于，触发超温保护模块，利用公式δq＝x3*[t-(tmax+δt)]，计算出减油量δq；再利用公式q＝q-δq，计算出修正启动油量q，根据修正启动油量q，输出对应的第二供油pwm信号；
[0035]
如果不大于，退出超温保护。
[0036]
优选方式为，前馈供油pwm信号从预设定第二曲线图查得，所述第二曲线图根据发动机转速和供油pwm信号预设定。
[0037]
一种微型涡轮发动机的控制系统，所述系统包括电控单元及分别与所述电控单元电连接的油泵、发动机、转速传感器、启动油量修正单元和燃油限制单元；所述转速传感器用于采集所述发动机的转速，并传输至所述电控单元；所述启动油量修正单元用于获取发动机转速上升变化率dn，再判断转速上升变化率dn是否大于预设定变化率d；如果大于，启动油量按照预设定减油量进行递减，输出对应的修正供油pwm信号至所述电控单元，重复判断直至不大于；如果不大于，当前启动油量不变，输出对应的供油pwm信号至所述电控单元；所述燃油限制单元用于获取燃油增长率和转速增长率，再判断燃油增长率是否小于转速增长率；如果小于，输出当前供油pwm信号至所述电控单元；如果不小于，燃油增长率＝限制燃油增长率，输出对应的限制供油pwm信号至所述电控单元；所述控制单元根据接收的供油pwm信号控制所述油泵，以控制所述发动机转速。
[0038]
优选方式为，所述系统还包括pid调速单元，所述pid调速单元包括增量式pid调速器，所述增量式pid调速器根据实际转速、目标转速和前馈供油pwm信号，输出对应的第一供油pwm信号至所述电控单元，所述电控单元根据接收的第一供油pwm信号控制所述油泵。
[0039]
优选方式为，所述系统还包括超温保护单元，所述超温保护单元用于在所述第一供油pwm信号超出预设定幅值时，根据喷口温度t生成并传输对应的第二供油pwm信号至所
述电控单元，所述电控单元根据接收的第二供油pwm信号调整所述油泵。
[0040]
采用上述技术方案后，本发明的有益效果是：
[0041]
由于本发明的微型涡轮发动机的控制方法及控制系统，主要通过启动油量自动修正和燃油闭合控制，来稳定发动机转速，其中启动油量自动修正是在发动机起动之初，给定初始启动油量，以便利用初始供油pwm信号控制油泵，在起动过程中将发动机转速上升变化率dn，与预设定变化率d进行比较，当dn大于d时，启动油量按照预设定减油量进行递减，输出对应的修正供油pwm信号，重复上述判断直到dn不大于d时，启动油量恒定不变，输出对应的当前供油pwm信号，此时发动机起动成功；起动成功后再获取燃油增长率和转速增长率，判断燃油增长率是否小于转速增长率，如果小于当前供油pwm信号不变；如果不小于，燃油增长率＝限制燃油增长率，输出对应的限制供油pwm信号。可见，本发明使微型涡喷发动机快速起车，快速进入慢车状态，并提高起车成功率；在从慢车状态到额定车速的加油门过程，转速响应快，转速波动小。
附图说明
[0042]
图1是本发明中微型涡轮发动机的控制方法的流程图；
[0043]
图2是本发明中转速前馈和闭环控制的原理框图；
[0044]
图3是实施例中超温保护单元的温度保护曲线图；
[0045]
图4是本发明中超温保护的流程示意图；
[0046]
图5是本发明中微型涡轮发动机的控制系统的原理框图。
具体实施方式
[0047]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，且不用于限定本发明。
[0048]
实施例一：
[0049]
如图1所示，一种微型涡轮发动机的控制方法，包括以下步骤：
[0050]
步骤s1、起动发动机，启动油量＝初始启动油量，输出初始供油pwm信号，以控制油泵；
[0051]
步骤s2、获取发动机转速上升变化率dn；
[0052]
步骤s3、判断转速上升变化率dn是否大于预设定变化率d；
[0053]
步骤s4、如果大于，即dn》d，启动油量按照预设定减油量进行递减，输出对应的修正供油pwm信号，再执行s2；如果不大于，即dn≤d，当前启动油量不变，输出对应的当前供油pwm信号，此时发动机起动成功；具体地，预设定减油量是根据转速上升变化率dn从第一曲线图中查得，第一曲线图是以转速上升变化率dn和减油量为坐标中的曲线。
[0054]
步骤s5、发动机起动成功后，获取燃油增长率和转速增长率；
[0055]
步骤s6、判断燃油增长率是否小于转速增长率；
[0056]
步骤s7、如果小于，即燃油增长率《转速增长率，当前供油pwm信号不变；如果不小于，即燃油增长率≥转速增长率，燃油增长率＝限制燃油增长率，输出对应的限制供油pwm信号。
[0057]
本发明的控制方法主要包括启动油量自动修正和燃油限制，启动油量自动修正基于现有技术中开环油量控制经常出现油量偏差，造成转速变化不正常、启动失败、启动后转速上升缓慢等现象而设置的。
[0058]
电机拖转着火阶段，启动油量处于轻度富油状态，以助于加浓起车，在此阶段实时采集发动机转速，根据转速得到转速上升变化率dn，再将转速上升变化率dn与预设定变化率d进行比较，根据比较结果，控制启动油量按照预设定减油量递减或保持恒定，使发动机转速按合适的转速上升率稳步升至慢车状态，从而解决了启动油量出现偏差，造成转速变化不正常发动机起动失败的技术问题。
[0059]
当发动机起动成功后，由于发动机惯性大于油泵惯性，发动机转速增量相对落后，吸入空气相对有量不足，导致燃油燃烧不充分，在启动到慢车阶段可能会造成发动机的温度会急剧上升，造成超温现象。基于此，在发动机起动成功后，实时采集燃油和转速，根据燃油和转速得到燃油增长率和转速增长率，再将燃油增长率与转速增长率进行比较，当燃油增长率小于转速增长率时，表明发动机正在稳步进入慢车状态，保持当前油泵状态即可，当燃油增长率不小于转速增长率时，限制燃油增长率，使其小于转速增长率，使燃油的增长率受限于转速增长率，从而使得发动机稳步进入慢车状态。
[0060]
可见，采用本发明的方法后，可使微型涡喷发动机快速起车，快速进入慢车状态，并提高起车成功率；在从慢车状态到额定车速的加油门过程，转速响应快，转速波动小。
[0061]
如图2所示，本发明的控制方法还包括发动机转速的前馈+pid闭环控制，包括以下步骤：
[0062]
步骤s8、获取发动机的实际转速、目标转速和前馈供油pwm信号，此前馈供油pwm信号可为转速开环控制中的标定量；
[0063]
步骤s9、利用增量式pid调速器，基于实际转速、目标转速和前馈供油pwm信号，输出对应的第一供油pwm信号；
[0064]
步骤s10、根据第一供油pwm信号，控制油泵，以稳定发动机转速。
[0065]
本发明的转速控制方法，基于开环模式下前馈供油pwm信号，加上基于转速闭环的增量式pid调速器组成，增量式pid调速器由比例部分、积分部分、和基于转速变化率预测的微分部分组成，实现了速度跟随油门响应迅速，稳态速度波动变化小。
[0066]
如图4所示，本实施例中在步骤s9之后，还包括以下步骤：
[0067]
判断第一供油pwm信号是否超出预设定幅值；
[0068]
如果超出，进入超温保护模式；
[0069]
获取喷口温度t；
[0070]
判断喷口温度t是否大于预设定tmax-δt；
[0071]
如果大于，即t》tmax-δt,触发超温保护模块，利用公式δq＝x1*[t-(tmax-δt)]，计算出减油量δq；再利用公式q＝q-δq，计算出修正启动油量q，根据修正启动油量q，输出对应的第二供油pwm信号；
[0072]
如果不大于，即t≤tmax-δt,退出超温保护；
[0073]
步骤s10、根据第二供油pwm信号，控制油泵，以稳定发动机转速。
[0074]
还包括以下步骤：
[0075]
判断喷口温度t是否大于预设定tmax；
[0076]
如果大于，即t》tmax,利用公式δq＝x2*(t-tmax)，计算出减油量δq；再利用公式q＝q-δq，计算出修正启动油量q，根据修正启动油量q，输出对应的第二供油pwm信号；
[0077]
如果不大于，即t≤tmax-δt,退出超温保护。
[0078]
还包括以下步骤：
[0079]
判断喷口温度t是否大于预设定tmax+δt；
[0080]
如果大于，即t》tmax+δt,触发超温保护模块，利用公式δq＝x3*[t-(tmax+δt)]，计算出减油量δq；再利用公式q＝q-δq，计算出修正启动油量q，根据修正启动油量q，输出对应的第二供油pwm信号；
[0081]
如果不大于，即t≤tmax+δt,退出超温保护。
[0082]
上述前馈供油pwm信号从预设定第二曲线图查得，第二曲线图根据发动机转速和供油pwm信号预设定。
[0083]
为防止控制失控，增量式pid调速器的输出需要加限幅处理，但仍然可能会导致油量富余导致的超温现象，一旦超温发生可能对发动机涡轮结构造成永久性损坏，因此实际在控制涡喷发动机过程中，必须避免这种情况。传统的控制超温办法一般是采取超温后硬切油的方式，这种方式会造成切油后转速下降快，但温度下降慢，造成转速忽高忽低的游车，甚至停车等。
[0084]
基于上述问题，本发明利用采用热电偶温度传感器采集喷口温度t，再将喷口温度t与预设定tmax-δt、预设定tmax、预设定tmax+δt进行比较，预设定tmax-δt为超温保护预警温度，tmax是超温保护温度，tmax+tmax+δt是严重超温保护线t是严重超温保护温度。根据比较结果，即根据超温程度，调取对应的x1、x2和x3，再利用对应的公式得出对应的减油量δq，根据减油量δq减少燃油量，以控制油泵，从而避免发动机涡轮超温引起安全事故。
[0085]
如图3所示，喷口温度t与预设定tmax-δt、预设定tmax、预设定tmax+δt之间的比较，相当于图4中的关系，本发明设置了三条温度保护线，第一条tmax-δt是超温保护预警线，第二条tmax是超温保护线，第三条tmax+δt是严重超温保护线。根据反馈的喷口温度t距离三条温度保护线的远近，对燃油实施不同程度的减油措施。
[0086]
实施例二：
[0087]
如图5所示，一种微型涡轮发动机的控制系统，应用实施例一所述的微型涡轮发动机的控制方法，系统包括电控单元及分别与电控单元电连接的油泵、发动机、转速传感器、温度传感器、启动油量修正单元和燃油限制单元；转速传感器用于采集发动机的转速，温度传感器用于采集喷口温度t，转换成对应的电信号，分别传输至电控单元。
[0088]
其中启动油量修正单元用于获取发动机转速上升变化率dn，再判断转速上升变化率dn是否大于预设定变化率d；如果大于，即dn》d，启动油量按照预设定减油量进行递减，输出对应的修正供油pwm信号至电控单元，重复判断直至dn≤d；如果不大于，即dn≤d，当前启动油量不变，输出对应的供油pwm信号至电控单元；递减量是从预设定第一曲线图中查得，第一曲线图为转速上升变化率和减油量为标定量的曲线图；通过启动油量修正单元使发动机转速按合适的转速上升率稳步升至慢车状态，从而解决了启动油量出现偏差，造成转速变化不正常发动机起动失败的技术问题。
[0089]
其中，燃油限制单元用于获取燃油增长率和转速增长率，再判断燃油增长率是否
小于转速增长率；如果小于，即燃油增长率《转速增长率，输出当前供油pwm信号至电控单元；如果不小于，即燃油增长率≥转速增长率，燃油增长率＝限制燃油增长率，输出对应的限制供油pwm信号至电控单元；控制单元根据接收的供油pwm信号控制油泵，以控制发动机转速；通过燃油限制单元使发动机起动成功后，能够以稳步的转速步入慢车状态，避免由于发动机惯性大于油泵惯性，发动机转速增量相对落后，吸入空气相对有量不足，导致燃油燃烧不充分，在启动到慢车阶段可能会造成发动机的温度会急剧上升，造成超温现象。
[0090]
系统还包括pid调速单元，pid调速单元包括增量式pid调速器，增量式pid调速器根据实际转速、目标转速和前馈供油pwm信号，输出对应的第一供油pwm信号至电控单元，电控单元根据接收的第一供油pwm信号控制油泵，参见图2；通过pid调速单元实现了速度跟随油门响应迅速，稳态速度波动变化小
[0091]
系统还包括超温保护单元，超温保护单元用于在第一供油pwm信号超出预设定幅值时，根据喷口温度t生成并传输对应的第二供油pwm信号至电控单元，电控单元根据接收的第二供油pwm信号调整油泵，参见图3和图4，利用超温保护单元实现超温保护，避免引起安全事故。
[0092]
如图5所示，本发明的微型涡轮发动机的控制系统，在发动机起动初期，利用初始pwm信号控制油泵，起动后电控单元启动通过启动油量修正单元，对启动油量自动修正，具体为：利用转速上升变化率，来实时修正启动油量，比如启动油量按照预设定减油量进行递减或者保持当前启动油量恒定不变，实现启动油量自动修正，减少转速波动，提升发动机起动成功机率。
[0093]
发动机成功后，电控单元启动燃油限制单元，使燃油增长率受限于转速增长率的方式，来使发动机稳步进入慢速状态。
[0094]
可见，本发明有助于微型涡喷发动机的快速起车，快速进入慢车状态，并提高起车成功率；在从慢车状态到额定车速的加油门过程，转速响应快，转速波动小；喷口的温度始终控制在安全的范围内，防止发动机涡轮超温。
[0095]
以上仅为所述本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同一种微型涡轮发动机的控制方法及控制系统的改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种微型涡轮发动机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、起动发动机，启动油量＝初始启动油量，输出初始供油pwm信号；s2、获取发动机转速上升变化率dn；s3、判断转速上升变化率dn是否大于预设定变化率d；s4、如果大于，启动油量按照预设定减油量进行递减，输出对应的修正供油pwm信号，再执行s2；如果不大于，当前启动油量不变，输出对应的当前供油pwm信号；s5、获取燃油增长率和转速增长率；s6、判断燃油增长率是否小于转速增长率；s7、如果小于，当前供油pwm信号不变；如果不小于，燃油增长率＝限制燃油增长率，输出对应的限制供油pwm信号。2.根据权利要求1所述的微型涡轮发动机的控制方法，其特征在于，所述s4具体为：如果大于，根据转速上升变化率dn，调取对应的预设定减油量，输出对应的修正供油pwm信号，再执行s2。3.根据权利要求1所述的微型涡轮发动机的控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：s8、获取发动机的实际转速、目标转速和前馈供油pwm信号；s9、利用增量式pid调速器，基于实际转速、目标转速和前馈供油pwm信号，输出对应的第一供油pwm信号；s10、根据第一供油pwm信号，控制油泵，以稳定发动机转速。4.根据权利要求3所述的微型涡轮发动机的控制方法，其特征在于，所述s9之后，还包括以下步骤：判断第一供油pwm信号是否超出预设定幅值；如果超出，进入超温保护模式；获取喷口温度t；判断喷口温度t是否大于预设定tmax-δt；如果大于，触发超温保护模块，利用公式δq＝x1*[t-(tmax-δt)]，计算出减油量δq；再利用公式q＝q-δq，计算出修正启动油量q，根据修正启动油量q，输出对应的第二供油pwm信号；如果不大于，退出超温保护；s10、根据第二供油pwm信号，控制油泵，以稳定发动机转速。5.根据权利要求4所述的微型涡轮发动机的控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：判断喷口温度t是否大于预设定tmax；如果大于，利用公式δq＝x2*(t-tmax)，计算出减油量δq；再利用公式q＝q-δq，计算出修正启动油量q，根据修正启动油量q，输出对应的第二供油pwm信号；如果不大于，退出超温保护。6.根据权利要求5所述的微型涡轮发动机的控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：判断喷口温度t是否大于预设定tmax+δt；如果大于，触发超温保护模块，利用公式δq＝x3*[t-(tmax+δt)]，计算出减油量δq；再利用公式q＝q-δq，计算出修正启动油量q，根据修正启动油量q，输出对应的第二供油pwm信号；
如果不大于，退出超温保护。7.根据权利要求3至6任一项所述的微型涡轮发动机的控制方法，其特征在于，前馈供油pwm信号从预设定第二曲线图查得，所述第二曲线图根据发动机转速和供油pwm信号预设定。8.一种微型涡轮发动机的控制系统，其特征在于，所述系统包括电控单元及分别与所述电控单元电连接的油泵、发动机、转速传感器、启动油量修正单元和燃油限制单元；所述转速传感器用于采集所述发动机的转速，并传输至所述电控单元；所述启动油量修正单元用于获取发动机转速上升变化率dn，再判断转速上升变化率dn是否大于预设定变化率d；如果大于，启动油量按照预设定减油量进行递减，输出对应的修正供油pwm信号至所述电控单元，重复判断直至不大于；如果不大于，当前启动油量不变，输出对应的当前供油pwm信号至所述电控单元；所述燃油限制单元用于获取燃油增长率和转速增长率，再判断燃油增长率是否小于转速增长率；如果小于，输出当前供油pwm信号至所述电控单元；如果不小于，燃油增长率＝限制燃油增长率，输出对应的限制供油pwm信号至所述电控单元；所述控制单元根据接收的供油pwm信号控制所述油泵，以控制所述发动机转速。9.根据权利要求8所述的微型涡轮发动机的控制系统，其特征在于，所述系统还包括pid调速单元，所述pid调速单元包括增量式pid调速器，所述增量式pid调速器根据实际转速、目标转速和前馈供油pwm信号，输出对应的第一供油pwm信号至所述电控单元，所述电控单元根据接收的第一供油pwm信号控制所述油泵。10.根据权利要求9所述的微型涡轮发动机的控制系统，其特征在于，所述系统还包括超温保护单元，所述超温保护单元用于在所述第一供油pwm信号超出预设定幅值时，根据喷口温度t生成并传输对应的第二供油pwm信号至所述电控单元，所述电控单元根据接收的第二供油pwm信号调整所述油泵。

技术总结
本发明公开了一种微型涡轮发动机的控制方法及控制系统，主要包括启动油量自动修正和燃油闭合控制，在发动机起动之初，给定初始启动油量，输出初始供油PWM信号；判断转速上升变化率dn是否大于预设定变化率D，dn大于D启动油量按照预设定减油量进行递减，输出修正供油PWM信号，dn不大于D启动油量不变，输出当前供油PWM信号；判断燃油增长率是否小于转速增长率，如果小于当前供油PWM信号不变；如果不小于，燃油增长率＝限制燃油增长率，输出限制供油PWM信号。可见，本发明使微型涡喷发动机快速起车，快速进入慢车状态，提高起车成功率；在从慢车状态到额定车速的加油门过程，转速响应快，转速波动小。转速波动小。转速波动小。


技术研发人员：王立峰 王秀强 衣金水 从田增 李树素 刘晓亮 苏明涛 吴鹏超
受保护的技术使用者：博陆航天科技（山东）有限公司
技术研发日：2023.03.01
技术公布日：2023/5/26