一种分布式架构下的航空发动机轴对称尾喷管智能执行机构节点的设计方法技术

本发明专利技术提供一种分布式架构下的航空发动机轴对称尾喷管智能执行机构节点的设计方法，属于航空发动机控制技术领域。该方法包括智能执行机构节点控制器、执行机构模拟系统、控制系统设计。能够很好的完成在分布式架构下与其他智能节点的通信，并实现对轴对称尾喷管系统多作动筒的等时协同控制，在部分传感器故障下也能实现有效的故障隔离。也能实现有效的故障隔离。也能实现有效的故障隔离。

【技术实现步骤摘要】
Array，简称FPGA)芯片作为总线控制器的芯片。智能执行机构节点控制器包括硬件设计和软件设计。
[0009]所述的硬件设计按照功能划分，包括尾喷管总线控制器、主机控制器以及调理驱动电路，用于完成智能节点的数据处理、控制算法的计算、控制量的输出以及上位机信号的传输；在分布式控制架构中，智能节点需要通过总线挂载到整个控制系统中，智能节点需要根据通信协议建立起一致的通信。
[0010]尾喷管总线控制器包括容器网络接口(Container Netwrok Interface，简称CNI)和物理层驱动模块，容器网络接口用于与主机控制器的通信，物理层驱动模块用于与通信总线的数据通信。
[0011]主机控制器包括32位CPU定时器、增强型模数转换器模块(Analog toDigital Converter，简称ADC)、串行通信接口模块、增强型脉冲宽度调制(EnhancePulse Width Modulation，简称EPWM)输出模块、数字接口和共用引脚功能模块；32位CPU定时器用于提供精准的定时以满足高实时性的控制系统；增强型模数转换器模块用于采集位移传感器输出的电压数据；串行通信接口模块用于与上位机的通信，实现位移数据的显示和各种中间变量的调试；增强型脉冲宽度调制输出模块用于输出PWM数据，通过调占空比和输出频率调节电作动筒驱动模块的驱动PWM的输出，实现电作动筒的调速控制。数字接口和共用引脚功能模块用于控制电机的驱动方向和总线控制器的通信连接。
[0012]调理驱动电路是整个智能节点的信号调理部分，包括电作动筒驱动模块和传感器信号调理模块，电作动筒驱动模块通过主机控制器输出的控制信号完成对大电压、大功率的电作动筒的驱动；传感器信号调理模块用于将位移传感器输出的
±
10V的信号调理成0
‑
3V信号，从而用于DSP芯片板载ADC模块的数据采集。
[0013]所述的软件设计是采用裸机编程，包括前台程序和后台程序。前台程序是中断服务程序，包括定时器中断、AD采集中断、主机接口中断以及接收到上位机指令的串口中断。后台程序是主流程操作，包括数据的读取、处理以及协同控制算法执行、控制量的输出以及SCI串口数据的发送等。
[0014]所述的执行机构模拟系统包括3个电作动筒和位移传感器；
[0015]所述的电作动筒用于完成对尾喷管出口面积收扩调节和偏转角度的调节，优选的，电作动筒包括尾喷管作动筒及配套的作动筒驱动器，接收控制器发送的作动筒位移指令，并反馈作动筒的工作状态。该作动筒需要具有位移精度高(≤2mm)、同步性强(≤2mm)的特点，选择伺服电机作为精密运动执行部件的作动装置实现。
[0016]所述的位移传感器用于实现对电作动筒的位移反馈，两者通过紧固件进行刚性连接，优选的，为实现电作动筒的闭环控制，使用线性可变差动变压器(LinearVariableDisplacementTransducer，简称LVDT)传感器，其主要原理和变压器原理类似，输出电动势和内部铁芯的位置成正比关系，因而可以将位移测量数据转换为电压信号的测量数据。
[0017]所述控制系统设计包括协同控制和故障诊断，协同控制让多电作动筒同时到达期望值以保证执行机构的稳定性，故障诊断用于避免在协同控制下的故障传递问题。
[0018]控制系统方案：该专利技术的控制方案用于轴对称矢量喷管的控制，其运动机理可由3个作动筒的控制实现。3个作动筒的控制根据独立控制到协同控制，最后到故障诊断的思路将整个控制逻辑分为3步介绍：
[0019]S1、当发动机状态不变时，A8(即喉道面积调节环)、A9(即转向控制环)的面积是定值，轴对称矢量喷管外环控制根据飞控系统输出的矢量方位角θ和矢量偏转角δ以及A8、A9的面积，由控制律解算出三个作动筒位移的给定值，然后通过内环(小闭环)驱动作动筒实现A9面积调节和偏转控制。由于矢量偏转角和方位角不能直接由传感器测得，A9控制采用开环控制，即控制律根据矢量方位角θ和矢量偏转角δ解算出作动筒的位移给定值，然后通过小闭环控制实现作动筒的运动。
[0020]S2、通过使用等时协同控制的逻辑，融合偏差耦合控制和主从控制特点进行设计。解决在A9转向矢量偏转时，A9环驱动作动筒位移输出不相等，导致作动筒不等时到达期望值的问题。
[0021]基于偏差比例的变偏差协同控制是3个作动筒控制回路各自计算给定信号与反馈信号的偏差(下文简称偏差)，将3个回路原始偏差信号绝对值最大的回路作为主回路；其它回路偏差按与最大偏差的比例进行比例缩减，即实现综合耦合矫正，矫正后偏差经过相同的控制器运算后，得到与偏差成正比的直流电机电压值，3个直流电机由此实现变速运动，调节时间相等且由主回路确定。
[0022]S3、基于偏差比例的变偏差协同控制在动态控制过程中，如果位移传感器出现固有偏差故障或传感器漂移故障，故障回路的偏差值迅速成为最大偏差，从回路此时的协同跟随将导致单回路的故障传递至整个控制系统。采用基于卡尔曼滤波器的故障诊断方法能通过计算加权和平方残差(Weighted Sum
‑
SquaredResidual，简称WSSR)判断该路位移传感器是否发生故障，进而防止故障在其他回路的传播。
[0023]本专利技术的有益效果：本专利技术设计的一种分布式架构下的航空发动机轴对称尾喷管智能执行机构节点，能够很好的完成在分布式架构下与其他智能节点的通信，并实现对轴对称尾喷管系统多作动筒的等时协同控制，在部分传感器故障下也能实现有效的故障隔离。
附图说明
[0024]图1为本专利技术分布式架构下轴对称尾喷管控制节点控制器整体实现方案。
[0025]图2为主机控制器软件功能实现流程图。
[0026]图3为作动筒与位移传感器的连接示意图。
[0027]图4为轴对称尾喷管智能节点控制架构图。
[0028]图5为协同控制偏差综合耦合器示意图。
[0029]图中：1、固定块，2、固定螺杆，3、LVDT位移传感器探头，4、电作动筒伸缩杆，5、电作动筒壳体，6、LVDT位移传感器塑料夹具，7、LVDT位移传感器管体。
具体实施方式
[0030]下面结合附图对本专利技术做进一步说明。如图所示，本航空发动机分布式尾喷管智能节点系统附图介绍主要包含轴对称尾喷管控制器整体实现方案、主机控制器软件流程、执行机构模拟、节点控制架构、协同控制偏差综合耦合五个部分。
[0031]所述的控制器综合实现方案图如图1所示从左到右分为调理驱动电路、尾喷管主机控制器和尾喷管总线控制器三个部分。硬件模块主要用于说明针对尾喷管智能控制节点
各方面要求下的硬件的需求与数据通信的关系。下面对各部分进行进一步详细说明：
[0032](1)调理驱动电路
[0033]调理驱动电路是整个智能节点的信号调理部分，包含作动筒驱动模块，通过主机控制器输出的控制信号完成对大电压、大功率的作动筒的驱动；传感器信号调理模块，将位移传感器输出的
±
10V的信本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分布式架构下的航空发动机轴对称尾喷管智能执行机构节点的设计方法，其特征在于，包括智能执行机构节点控制器、执行机构模拟系统、控制系统设计；所述的智能执行机构节点控制器是根据航空发动机控制的数学运算性能要求选择数字信号处理DSP芯片作为主机控制器的主要控制芯片，根据分布式通信总线的要求选择现场可编程门阵列FPGA芯片作为总线控制器的芯片；智能执行机构节点控制器包括硬件设计和软件设计；所述的硬件设计按照功能划分，包括尾喷管总线控制器、主机控制器以及调理驱动电路，用于完成智能节点的数据处理、控制算法的计算、控制量的输出以及上位机信号的传输；在分布式控制架构中，智能节点需要通过总线挂载到整个控制系统中，智能节点需要根据通信协议建立起一致的通信；尾喷管总线控制器包括容器网络接口CNI和物理层驱动模块，容器网络接口用于与主机控制器的通信，物理层驱动模块用于与通信总线的数据通信；主机控制器包括32位CPU定时器、增强型模数转换器模块ADC、串行通信接口模块、增强型脉冲宽度调制EPWM输出模块、数字接口和共用引脚功能模块；32位CPU定时器用于提供精准的定时以满足高实时性的控制系统；增强型模数转换器模块用于采集位移传感器输出的电压数据；串行通信接口模块用于与上位机的通信，实现位移数据的显示和各种中间变量的调试；增强型脉冲宽度调制输出模块用于输出PWM数据，通过调占空比和输出频率调节电作动筒驱动模块的驱动PWM的输出，实现电作动筒的调速控制；数字接口和共用引脚功能模块用于控制电机的驱动方向和总线控制器的通信连接；调理驱动电路是整个智能节点的信号调理部分，包括电作动筒驱动模块和传感器信号调理模块，电作动筒驱动模块通过主机控制器输出的控制信号完成对大电压、大功率的电作动筒的驱动；传感器信号调理模块用于将位移传感器输出的
±
10V的信号调理成0
‑
3V信号，从而用于DSP芯片板载ADC模块的数据采集；所述的软件设计是采用裸机编程，包括前台程序和后台程序；前台程序是中断服务程序，包括定时器中断、AD采集中断、主机接口中断以及接收到上位机指令的串口中断；后台程序是主流程操作，包括数据的读取、处理以及协同控制算法执行、控制量的输出以及SCI串口数据的发送；所述的执行机构模拟系统包括3个电作动筒和位移传感器；所述的电作动筒用...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜宪，任亚豪，马艳华，孙希明，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：