C8051F单片机的小型涡喷发动机控制系统方案.docx

基于C8051F单片机的小型涡喷发动机控制系统介绍了一种航空小型涡喷发动机控制系统的设计原理、实现方法、硬件和软件结构。单 片机，软件实现，中断控制一种基于单片机的小型涡轮喷气控制系统陈沈宋子善，北京航空航天大学（自动化科学与电气工程学院本文介绍了一种小型涡轮喷气控制系统的设计原理、实现方法和软硬件配置。控制系统; 涡轮喷气发动机；系统配置；单片机；软件实现；中断控制1颜倩小型涡喷发动机具有结构紧凑、体积小、重量轻、推重比大的特点。它可用于军事 和民用领域，如用于侦察、攻击和森林保护的无人机和小型无人机。发动机控制系统的 性能将直接影响发动机和飞机的性能。航空发动机控制系统的作用是根据操纵杆的指令 改变可控变量（供油），从而保证发动机的推力（转速）按预定规律变化，使发动机平安、 可靠、稳定地工作，获得最正确性能。传统上，发动机控制系统由液压机械和气动机械调节器实现。随着发动机控制与飞 机系统关系的增加，以及状态监测、故障诊断、参数显示等功能的扩展，飞机发动机综 合控制水平不断提高。无论是三维凸轮计算单元还是波纹管计算单元，它们能综合计算 的参数都非常有限。如果要增加的话，必然会导致重量、体积、本钱的增加，而且很难 实现。传统控制系统的开展受到限制。因此，在发动机控制中采用计算机控制系统越来 越重要。计算机控制系统用于发动机控制，具有改善发动机性能、降低油耗、提高可靠性和 可维护性等优点。计算机感受到的参数不仅限于其计算、逻辑判断、计算机测试、故障 诊断、存储和记忆的功能。此外，它易于与飞机系统接口，监控发动机状态，并与飞机 控制集成，这使其开展具有巨大的潜力。本文讨论的小型涡喷发动机控制系统集成了传感器、执行器和控制计算机，具有体 积小、重量轻、功能强的特点。可以完成发动机过渡控制（启动控制、加速控制、减速 控制）、推力控制、平安控制（包括转速、温度等。）和故障诊断功能。其推力控制包括图12半实物仿真结构图图13硬件在环仿真的动态响应曲线6与发动机的联合调整控制系统和发动机在线实验后，进行点火和转速闭环控制。当速度指令杆从73500 转/分推至83000转/分时，得到如图14所示的动态响应曲线。可以看出超调比很小。在实验过程中，由于控制算法中使用的模型参数与实际发动机模型不同，且比例增 益值较小，所以在硬件在环仿真中已经验证了积分环节，但在实际系统中并没有加入。 这些因素导致稳态误差比拟大，需要进一步推入模型，设置参数，以到达更好的动态稳 态控制品质。转速RPM图14动态响应曲线7结论涡喷发动机控制数字化是发动机性能提高的必然要求和开展趋势。控制系统在这一 开展趋势中做出了积极而深入的探索。计算机控制系统的进步和完善不仅需要硬件的稳 定性和可靠性，还基于对发动机型号识别的准确性。为了更准确地获得发动机的模型参 数，需要通过控制器的智能化来测量和记录发动机在各种工况下的参数数据，并用系统 辨识理论来分析和计算模型参数，从而更合理地调整控制参数，使发动机性能更加可靠、 高效和完善。遥控模式和数字指令模式。该控制系统的研制可以为我国无人机的技术升级和探索小型 涡喷发动机的自身特色控制技术奠定良好的基础，具有较高的军用和民用价值。2计算机控制系统方案控制系统方案如图1所示。废气温度EGT（废气温度）、涡轮转速（RPM）、控制系统的 电源电压和由遥控接收器发送的速度命令在系统中被监测，并且根据控制算法产生控制 数据。控制数据通过转换算法转换成控制量（PWM信号），由驱动电路控制油泵电机的转 速，使发动机工作在给定的推力（转速）下，实现推力控制。小型涡喷发动机的正常工作 需要许多辅助控制系统。该控制系统包括发动机起动过程控制系统、发动机过热自动保 护控制系统、发动机熄火过程控制系统和发动机故障检测与诊断系统。为了满足不同发 动机的控制需要，该系统还具有控制参数设定和保存系统以及发动机工作过程参数记录 系统。未来发动机功能完善后，可实现发动机进气控制，发动机系统性能可进一步提升。图1系统框图3系统配置控制系统主要由单片机、PWM控制电路、信号滤波放大电路、12c总线、状态指示电 路、参数设定及LCD显示电路、参数记录电路等组成。各局部的连接关系如图2所示。图2系统配置框图1微控制器从图2可以看出，只有当单片机拥有丰富的外设接口资源和足够高的运算速度时， 才能实现各种功能模块，满足系统的实时性要求。经过分析比拟，控制器采用CYGNAL 公司的51单片机C8051F,它具有以下特点：(1) 10位8通道逐次比拟型ADC,数据转换率可达lOOkspso(2) JTAG调试和边界扫描接口,可实现在线实时动态调试。(3)流水线指令结构，最高处理速度可达25兆位(见图3)o(4) 4K字节的片内RAM和64K字节的闪存程序存储器。(5)PWM信号由PCA产生，PCA由一个特殊的16位C/T和五个捕获/比拟模块组成。 每个模块可以独立设置为六种工作模式之一:边沿触发捕捉、软件定时器、高速输出、 频率输出(方波输出)、8位PWM和16位PWM等。从以上特点可以看出，C8051F单片机片内硬件资源丰富，运算速度快，为复杂控制 算法的实现提供了保障，几乎不需要系统扩展就能满足控制系统的硬件资源需求，大大 提高了系统可靠性。3. 2脉宽调制控制电路控制系统中的气阀、点火器、起动电机和油泵电机需要PWM信号来控制它们的运行。图3四种单片机最高执行速度的比拟去吧。这些大功率器件不能由单片机输出信号直接控制。因此，有必要设计一个驱动电 路来控制这些器件。根据各被驱动器件的工作特性，合理选择相应参数的MOS管，使 MOS管能可靠地控制各器件。电路如图4所示。图4 PWM控制电路3尾喷管温度测量电路喷嘴温度(EGT)最高可达1000C,是发动机平安可靠运行的重要指标。考虑到测温范 围、测量精度和本钱，采用银铭银硅(Ni、Cr、Si)热电偶作为测温元件。银铭模硅热电 偶线性度好，能很好地满足发动机尾喷管的测温要求。热电偶的输出是由两个端子输出 的差模小信号，这要求处理该信号的放大器具有非常高的输入阻抗和共模抑制比。这里 采用了常用的三运放差分放大器(即仪表放大器)，如图5所示。关于热电偶的冷端补偿, 采用单片机上的温度传感器测得的温度作为冷端温度。根据中间温度定律，E(T, O)=E(T, TO)+E(TO, 0),其中E(T0, 0)是根据热电势与温度的单值函数关系由实测冷端 温度T0得到的，所以也可以得到E(T, 0)o这种方法比常用的补偿电路实现冷端补偿更 简单方便。IN-RG-IN-RG-RG-RG+热电偶-IN+VCCGND图5仪表放大器3. 4速度和遥控指令测量电路发动机转速由光电装置测量，如图6所示。发动机每转一圈，测量电路就发出两个脉 冲。因为发动机推力控制的本质是对发动机转速的控制，转速的测量精度直接关系到控 制性能。通过单片机的16位定时器T4的捕捉功能(快速输入)测量每个脉冲的周期来计 算转速。当发动机处于正常工作状态时，其转速范围为33, 000转/分至120, 000转/ 分。由此可以计算出，正常工作状态下，周期范围为909 US-250 US,定时器每个计数 单位对应的时间值为1/18. 432M = 0. 054us (晶振为18. 432M),周期时间不会超过16位 定时器的溢出周期。因此，既能到达足够高的测量精度，又能为软件处理提供方便。发动机转速指令通过遥控接收器的通道发送到MCUO速度指令脉冲的脉冲宽度对应于 不同的预期转速，测量由16位T2定时器实现。4. 5 12c总线和UART总线该系统的功能模块包括状态指示电路、液晶显示电路、参数记录电路和键盘扫描电 路。图6转速测量电路原理图采用12c总线结构实现各模块的数据和指令交换。12c公共汽车有以下特点：(1)只需要两条线，SDA数据线和SCL时钟线。(2)总线上的每一个设备都是通过软件寻址的，总有一个主/从关系。当两个或多个 主机同时发起数据传输时，可以执行冲突检测和仲裁。(3)最高数据传输速率可达400 kbits/s除上述特点外，I2C总线作为一种流行的通用总线，有丰富的功能设备支持，扩展的功 能设备可以方便地连接到总线上，为系统扩展提供了极大的方便。其中，32K EEPROM (AT24c256)作为参数存储器件，4个LED状态显示灯由PCF8574 串并转换器驱动。如果发动机控制系统是分布式计算机控制系统的一个子系统，它可以 通过这条总线与上位机通信。为了实现功能扩展，通过接口芯片将芯片上的两个UART 接口连接起来，从而与PC或其他设备进行通信。5. 6液晶显示和参数设置根据参数显示的要求，液晶显示选用以HD44780为主控驱动电路的16字符X 2行 5X8点阵液晶显示器。该显示器通过并口与外部控制器相连，所以我们使用PCF 8574 I2C-并口转换芯片将其与系统相连。为了节省单片机提供LCD的读写控制信号和使能信 号，传输数据的低三位用来提供控制和使能信号，高半字节是发送给LCD的指令或数据。控制系统的状态和参数可以通过六个功能菜单显示或修改，其中四个可以通过快捷 键直接访问，所有菜单都可以通过菜单项选择择键(MENU+或MENU-)访问。参数设置盒上的 10个按键由一个PCF8574芯片实现，构成矩阵键盘，采用倒置法只需两次扫描读数即可 识别按键。该参数箱也通过I2C总线与系统相连。4控制系统软件控制软件需要完成的任务包括:数据检测(包括4路A/D转换、速度和速度指令测量 等。)、键盘扫描、液晶显示、参数存储和提取、控制算法和4路PWM输出等。6. 1主程序首先，主程序要实现系统时钟、MCU端口、中断设置和学习速度指令(包括关机、怠 速和大车状态)的初始化，从参数存储设备中提取发动机启动和正常工作状态所需的参 数。发动机进入起动过程后，根据发动机起动油量曲线，控制起动电机、可燃气体和油 泵电机的供油，使发动机在最短的时间内进入正常工作状态。启动过程完成后，主程序进入循环状态，主要完成参数检测和状态显示，直到发出 关机指令。主程序流程图如图7所示。7. 2中断控制控制软件需要实现多个任务。如果将RTOS嵌入到单片机中，可以简化多任务的调度 管理和软件设计过程。控制系统的实时性要求操作系统支持任务抢占。Keic自带的 RTX51 TINY只支持循环任务切换，其他操作系统都涉及到迁移和开销等问题，所以不使 用操作系统。每个任务的调度和管理，为了实时执行重要的任务，需要对每个中断的精 确规划和协调来保证。控制软件中使用了七种中断，包括INT1外部中断、TO中断、UARTO中断、T4中断、 12c总线中断、IE6扩展外部中断、A/D转换完成中断等。其功能特点是：(1) INT1中断，主要给出发动机的启动或停止指令，由外部开关触发。(2) tO定时器中断完成系统采样周期的时间。(3) UARTO中断用于实现与PC机的数据通信。(4)中断T4计时器以测量发动机转速。(5)中断12c总线，实现总线协议，完成数据传输。(6) IE6外部中断，T2定时器记录速度指令脉冲的下降沿，上升沿时触发此中断， 并读取此时T2的数据。速度指令的脉冲宽度可以通过将它们相减得到。(7)中断A/D转换用于测量发动机启动时的排气喷嘴温度(EGT), EGT是启动时的重要 参数依据。图7主程序流程图并不是每一个中断都是从头到尾工作的，只是在不同的阶段，有些中断是启用的， 有些中断是禁用的，同一中断在发动机运行的不同状态下优先级会有所不同。IE6外部 中断在速度指令脉宽学习和正常运行期间是高电平中断，但在启动期间是低电平中断。 TO作为一个采样周期，在正常工作状态下要求定时准确，所以也设置为高级中断。当与 IE6高级中断同时触发时，默认优先级较高，因此首先执行TO中断。在另一种情况下， 当TO中断被触发时，IE6中断已经被执行。这个中断只有三条C指令，分别是赋值指令 和减法指令。最大延迟几十uS,所以对TO的实时影响可以忽略。如果在触发IE6中断 时TO中断已经响应，那么在从TO中断程序返回之前清除IE6的中断标志位可以确保速度 指令脉冲宽度测量的准确性。通过以上灵活的中断设置和协调，可以实现实时任务和非实时任务的调度管理。图8 To中断流程图图9 PID控制系统框图(7) PID控制算法该算法在T0中断程序中完成，程序流程如图8所示。PID控制器是应用最广泛的自 动控制器，它按比例(P)、积分和微分(D)进行控制。在计算机控制系统中，PID控制 与计算机的逻辑判断和运算功能相结合，使PID控制更加灵活，可以满足各种要求。该 算法改进了积分项，并采用积分别离PID算法，使控制性能更加完善。相应的连续域 PID控制系统框图如图9所示，采样周期为20ms。5系统模拟5. 1数学模拟数学结构图如图10所示，所选控制对象为一阶环节，时间常数为470 ms. sample当周期为20ms, Kp = 1, Ki = 0.023, Kd = 0. 199时，得到如图11所示的动态响应曲 线。图10数学模拟结构框图图11数学模拟的动态响应曲线8. 2半物理模拟硬件在环仿真框图如图12所示。单片机输出的燃油泵PWM控制信号先经过有源二阶滤 波器，滤波后近似为脉动小的DC电压信号，与原系统供油相对应。这个信号加到由RC 组成的一阶环节上，RC近似认为是涡喷发动机的物理模型，时间常数T设为470 ms, 一阶对象的输出电压信号对应的是泯喷发动机的转速信号。A/D采样后，根据电压值， 可编程计数器阵列的通道0(CEX0)工作在高速输出模式(HS0)下，产生相应的速度方波信 号。速度方波信号用于通过速度测量通道测量速度，并在PID控制算法中用作实际发动 机速度。遥控速度指令脉冲由波形发生器模拟。当Kp = 1, Ki = 0. 023, Kd = 0. 199, 速度指令由40000转/分改为80000转/分时，可以得到如图13所示的系统动态响应曲 线。