[发明专利]基于PWM技术的流体矢量发动机控制方法

说明书

本发明涉及一种基于脉宽调制技术的流体矢量发动机控制方法，属于流体矢量发动机的控制技术领域。该方法包括以下步骤：1)确定流体矢量发动机矢量角非线性特性；2)根据步骤1）确定的非线性段特点，选取响应速度快、频率相应高的阀门控制器；3)确定开关器每次打开作用的时间和单位时间最大开关次数；4)根据风洞数据和流体矢量发动机的特性进行控制律设计；5)根据步骤4）确定的控制律进行软件的编程；6)对系统进行测试并优化系统控制。本方法可以实现对流体矢量发动机矢量角的精确控制。

技术领域

本发明涉及一种基于脉宽调制(Pulse Width Modulator、简称PWM)技术的流体矢量发动机控制方法，属于流体矢量发动机的控制技术领域。

背景技术

现有的实用型航空发动机控制大多还是采用传统模拟信号输出的直接控制方法。但是，随着对飞行性能的要求不断提高和矢量发动机的出现，特别是新型流体矢量发动机的出现，传统的控制方式在硬件支持和控制律设计方面，已不能满足飞行性能对发动机控制的要求。

矢量发动机出现极大的促进了飞行器机动性能的提高，但同时也为发动机系统控制增加了新的通道和要求。特别是新一代流体矢量发动机的出现，其特殊的流体特性更是对传统硬件设备和控制方法提出了严峻的挑战。

根据风洞试验可知，流体矢量发动的矢量角在偏转角度较小时具有较好的线性。而在线性控制段对矢量角度进行精确控制则相对容易。对应于飞行器飞行状态和对矢量发动机的响应要求，此时该矢量角度较小的线性段主要用来实现飞行器的稳定控制、小过载机动等。而在飞行器进行大过载机动时，则要求发动机的具有较大的矢量角。但是，传统控制方法在流体矢量发动机的矢量角偏转到一定角度之后，矢量角的响应将失去线性特性，表现出明显的非线性和迟滞效应。此时，对该矢量角度段的控制将变的困难，传统的控制方式不能满足飞行状态对发动机控制性能的要求。

PWM就是脉冲宽度调制，占空比可变的脉冲波形。脉冲宽度调制是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM波是数字的，在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。因此，只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。PWM控制技术就是对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列赋值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

流体矢量发动机通常的PWM控制方法，PWM芯片输出不同的占空比控制指令，调节引流进气口的大小来调节引流的大小从而起到对矢量角控制的目的。

然而，该控制方式控制下的流体矢量发动机矢量角响应方式如图1所示。从该图可知，矢量角响应有以下特点：

1)平稳线性矢量角小风洞试验显示只有7～8度；

2)突变量大如图1所示，矢量角在突变发生时会直接从8度突变到18度左右；

3)突变的突然性从突变开始到突变结束控制量变化很小，即Δp几乎为零；

4)突变到最大后，增大期望角度，发动机的矢量角响应增加缓慢；

5)推杆和收杆的响应曲线不重合如图1所示，由于流体的粘性附壁效应，收杆时矢量角响应较慢。

根据流体矢量发动机的响应特性可知，流体矢量发动的矢量角在偏转角度较小时具有较好的线性，在该段传统PWM控制方式可以对矢量角度进行有效的控制。但是，当发动机的矢量角偏转到一定角度之后，矢量角的变化会失去线性，且表现出迟滞效应。此时，常规的PWM控制方式难以达到满意的控制效果，不能满足工程应用的要求。因此，通常控制方案仅能在矢量角度较小范围内达到满意的控制效果，极大的限制了流体矢量发动机性能的发挥。