基于TTP/C总线的开放式电子控制器的设计 及HIL仿真试验研究

开放式电子控制器具有模块化程度高、可靠性好、维护方便、全寿命周期成本低等特点,是未来航空发动机电子控制器的发展方向之一。基于自主开发的TTP/C总线构建了1个拥有3个智能节点的开放式电子控制器,实现了主机控制器与TTP/C总线控制器的接口设计,以及转速信号和油针位置信号的采集及其闭环控制和转速闭环控制功能,利用FADEC系统接口模拟器开展了HIL仿真试验研究。研究表明:基于TTP/C总线构建的开放式电子控制器的各智能节点能协调可靠地实现发动机的控制功能,同时具有实时性好、安全性高、开发维护方便等特点。     

某型涡扇发动机分布式容错控制系统设计与试验验证

为了提高某型涡扇发动机控制系统的安全性和可靠性,提出1种分布式架构下的容错控制方案。基于模块级硬件冗余的思想,设计了包含7个智能节点的基于TTP/C(时间触发协议)总线的发动机分布式容错控制系统,可以实现核心控制节点的硬件备份。基于控制律重构的方法,采用模型参考变结构控制算法设计了容错控制器,可以根据系统故障情况将控制结构切换至无故障的控制回路中。搭建了涡扇发动机分布式容错控制系统硬件在环仿真试验环境,开展了容错控制系统的试验验证。结果表明:在核心控制节点故障时,容错控制系统可以在120 ms内快速启用热备份节点代替故障节点;在非核心控制节点故障时,容错控制系统可以在100 ms内完成控制回路的切换,并保证发动机各状态量不产生明显波动。     

基于DSP和CAN的航空发动机分布式控制系统设计

航空发动机控制系统发展趋势是分布式控制系统,本文提出了基于DSP和CAN总线的航空发动机分布式控制系统设计.设计中,用工控机模拟航空发动机电子控制器(EEC);智能传感器和执行机构的控制核心采用DSP芯片;通讯总线选用CAN总线.论文阐述了航空发动机电子控制器与各智能传感器和执行机构的软硬件设计、CAN总线通讯的实现方法.在实验室条件下实现了整个发动机控制系统的物理仿真,仿真系统初步满足了分布式系统控制要求,为航空发动机分布式控制系统的研究奠定了基础.     

开放式FADEC系统的数据总线研究

研究了容错数据总线这个从集中式向开放式架构过渡的关键技术.在深入研究确定性、一致性、开放性、拓扑结构、调度策略、容错机制和传输带宽等开放式FADEC(全权限数字电子控制)数据总线关键特征的基础上,分析了总线数据传输的时间不确定性问题.从性能、可靠性和可用性的角度深入研究了TTP/C(time-triggered protocol/automotive class C),ARINC659,TTCAN(time-triggered controller area network)和FlexRay这4种时间触发架构数据总线的关键特征.研究结果表明:TTP/C总线是开放式FADEC的最佳选择,最后提出了一种基于TTP/C总线的航空发动机模块化DEEC(digital electronic engine controller)硬件架构.      

航空发动机分布式控制系统技术分析及系统方案

分析了航空发动机分布式控制系统的系统结构、通讯总线、智能元件、高温电子元器件及分布式电源总线等领域的研究现状,并进行技术成熟度评估.结果表明:航空发动机分布式控制系统研究处于基础研究阶段,各项技术成熟度(TRL)主要处于TRL1~TRL2.针对某涡扇发动机提出基于TTCAN(时间触发控制器局域网协议)总线的过渡分布式和部分分布式两种控制系统方案,分析了各方案中系统结构、控制功能和信号交互特点,以期为航空发动机分布式控制系统进一步研究提供参考.      

航空发动机分布式智能导叶控制装置设计

针对某型发动机电子控制器,对航空发动机分布式控制系统进行了初步研究。设计了1种基于分布式控制,用AD598、TMS320F2812 DSP和CAN总线构成的航空发动机智能导叶控制装置。阐述了智能导叶控制装置的壳体设计方法,以及TMS320F2812最小系统、基于AD598的LVDT(线性可变差动变压器)信号调理电路、电液伺服阀电流驱动电路(电流输出电路)、CAN总线接口电路和D/A转换模块等电路的设计方法,简述了软件系统设计。通过完成半物理试验,基本满足了对风扇进口可调叶片角度α1、高压压气机进口可调静子叶片角度α2的控制要求。结果表明:该装置具备体积小、智能化程度高、控制效果好等特点。     

基于DSP的航空发动机转速传感器设计

提出了一种基于TMS320 LF2407A DSP的航空发动机智能转速传感器。设计了转速信号处理电路、显示电路、数字信号处理(DSP)与控制器局域网(CAN)总线接口电路和电源电路。提出采用动态分频技术的转速测量方法，并分析了其在2407A DSP上的实现，提高了转速测量的精度。实验结果表明该智能转速传感器功能强大、实时性好、精度可达0．01％，可应用于航空发动机分布式控制系统中。     

变循环发动机完全分布式控制

采用分布式控制架构可以降低变循环发动机控制系统的重量并有利于系统的开发和扩展。提出了一种完全分布式控制架构,控制算法的计算完全分布到智能执行机构中,计算所需的参数值由智能传感器通过串行数据总线发送到智能执行机构。变循环发动机完全分布式控制系统研发的主要工作是设计分散控制算法和总线通信方案。将控制回路的耦合当作总扰动的一部分,使用线性自抗扰控制器(ADRC)观测并在控制信号中消除总扰动,实现了分散控制。在CAN总线硬件的基础上,使用CANaerospace高层协议设计了时间触发的总线通信方案。从而实现了变循环发动机完全分布式控制。在MATLAB/Simulink环境下使用TrueTime工具箱搭建了仿真系统。使用TrueTime Kernel模块仿真智能执行机构与智能传感器的计算单元,使用TrueTime Network模块仿真CAN总线,并且将线性ADRC和CANaerospace协议写入到计算单元中。仿真结果表明:所建立的变循环发动机完全分布式控制系统能够适应发动机进气状况和健康状况的大范围变化,具有较好的鲁棒性。     

嵌入式分布式架构下航空发动机模型预测控制方法研究

传统集中式架构和离线设计控制器的方法已经很难满足航空发动机复杂多变、全生命周期控制需求。本文提出了一种部分分布式架构的涡喷发动机模型预测控制方法，并进行了鲁棒性分析：采用改进的组合线性模型求解方法，在保证精度的前提下大幅缩短求解时间，解决了发动机多变量线性状态空间模型求解问题；设计了基于线性模型预测控制的涡喷发动机控制器，解决了含有约束条件下发动机动态性能优化问题；考虑到分布式控制系统具有总线网络通信特性，建立了以网络工具箱模拟总线网络的分布式控制系统仿真平台，解决了存在总线网络丢包情况下的分布式控制系统鲁棒性分析问题；采用多节点模块化设计方法，设计并搭建了分布式控制系统硬件在环仿真平台并采用嵌入式矩阵运算优化方法，解决了模型预测控制算法在嵌入式平台上的应用问题。试验表明：模型预测控制的效果优于传统PID控制效果，有效地提高了发动机的动态响应；同时，在存在网络丢包情况下，本文所设计的基于模型预测控制的分布式控制系统依然具有稳定的控制效果和鲁棒性。     

基于DSP的航空发动机分布式控制

在航空发动机分布式控制系统的研究过程中,为保证系统的可靠性,对通讯总线的实时性和确定性提出了更高的要求。在现有航空发动机分布式控制系统CAN总线的研究成果基础上,提出将时间触发TTCAN总线应用于发动机分布式控制通讯总线的设想。针对航空发动机分布式控制系统平台讨论了TTCAN总线可行的通讯方案,给出TTCAN网络节点详细软件和硬件设计,并建立了通信试验平台。试验结果表明:TTCAN总线对于航空发动机分布式控制系统而言具有良好应用前景。     

某涡扇发动机分布式控制系统设计与总线性能

针对国内某型涡扇发动机,以该机目前采用的集中式FADEC为基础,依据地域分散原则,设计了一种发动机部分分布式控制系统结构,并对发动机控制系统中的传输信号进行了合理划分;对发动机采用分布式控制进行了总线通信需求分析;选择时间触发CAN总线作为发动机分布式控制系统通信总线,并进行了通信方案设计;利用TrueTime构建了分布式控制仿真系统,研究了网络时延、掉包对发动机性能的影响.研究表明:在250kbit/s和1Mbit/s带宽下,总线利用率分别为50%和12.34%,满足通信要求;250kbit/s带宽下所设计时间触发系统的网络诱导时延为12ms,高压转子转速上升时间延迟0.02s,而网络随机掉包使发动机响应明显变慢,设计时需要加以考虑.      

面向对象的航空发动机电子控制器建模与仿真

为了模拟航空发动机电子控制器的结构和功能,根据1种典型的民用涡扇发动机数字电子控制器的硬件结构和工作原理,采用基于面向对象的建模方法,为航空发动机数控系统仿真平台FADEC Works搭建了数字电子控制器部件仿真类库,利用数字电子控制器部件仿真类库建立了双通道数字电子控制器模型,在FADEC Works仿真平台上与发动机模型进行了集成,构成了航空发动机闭环数控系统,并对搭建的双通道数字电子控制器模型进行了仿真和验证。结果表明:利用数字电子控制器部件仿真类库搭建的数字电子控制器模型能够模拟数字电子控制器的运行过程。该模型可应用于控制运行逻辑、故障诊断逻辑、通道切换逻辑的开发、集成、测试和验证。     

涡扇发动机性能退化缓解控制与推力设定

为了补偿性能退化发动机的推力损失,减轻飞行员工作负担,提高推进系统的自动化程度,开展了涡扇发动机性能退化缓解控制(EPDMC)研究。针对某型涡扇发动机部件级模型设计了具备稳态控制、加/减速过渡态控制和极限保护等功能的基准控制器;在此基础上设计了外环推力控制回路,给出1种在多参数约束下的推力设定方法,并设计了合理的切换逻辑确保内外环控制器能协调工作。MATLAB/Simulink下的仿真结果表明:该智能改进控制系统架构可以在保证发动机安全工作的前提下,通过合理地设定期望推力,最大程度地补偿推力损失,维持油门杆角度和推力的对应关系近似不变。     

涡扇发动机分路式多变量PI解耦控制

根据基于模型的智能数字发动机控制的特点,针对某型涡扇发动机,以直接推力控制模式为例,研究了涡扇发动机分路式多变量PI解耦控制.并采用了零点配置技术保证解耦控制器的稳定性,通过稳态解耦矩阵对涡扇发动机进行解耦达到分路控制的目的.利用SISO系统PI控制器设计方法确定每个环路的最优PI控制器.仿真结果表明,该算法具有较好的动态和静态解耦性能.      

小型涡扇发动机分布式控制系统总线触发机制研究

为分析比较2种总线触发机制(时间触发和事件触发)对航空发动机实时控制的影响,以某小型涡扇发动机为对象,采用智能节点型分布式结构,构建了其分布式控制系统数字仿真平台;利用True Time/Matlab工具箱展开网络实时仿真研究,系统各节点通过CAN总线进行数据通信。以此仿真平台为基础,对2种触发机制下发动机的转速响应以及对应的时延统计结果表明:在事件触发机制下发动机转速超调量比时间触发机制下的大2.32%;在不同网络负载下,在事件触发机制下的时延大小和尖峰数均大于在时间触发机制下的。最终认为时间触发机制更适合于航空发动机分布式控制系统。     

Development of a PC-based Open Architecture Software-CNC System

As a key technology in the field of advanced manufacturing, an open architecture controller is studied. In order to develop an open architecture software-CNC system on personal computer (PC) according to open modular architecture controllers (OMAC). First, the software and hardware platform is chosen and software realization methodology for the CNC system is determined. Second, static mod- eling methods of an open architecture controller inclusive of object-oriented (OO) programming technology, dynamic link library (DLL) technology and system modules partition are investigated. Third, the dynamical behavioral modeling and the data flow representation of open architecture controller are discussed, which are both described in hierarchy finite state machine (FSM) model. Fourth, a reusable software module model is established to develop software function module library. Finally, a 3-axis milling machine tool test-bed, named for HIT-CNC, is successfully designed by means of the constructed software function module library and the system configuring method. The experimental results show that, besides increasing the degree of reusability and openness, application of above-mentioned method- ology leads to significant decrease of development time as well as maintenance cost.     

基于C8051的冗余CAN总线智能节点设计

为了提高CAN通信系统的可靠性,研究了基于C8051的冗余CAN总线系统.给出了系统结构图、硬件原理框图和软件流程图,详述了不同故障的检测方法和切换策略,开发了基于该冗余设计原理的CAN总线智能节点.实验系统的测试结果表明;当一条总线上出现故障致使通信不能正常进行时,系统可自动切换到另一路备份总线上继续工作,提高了总线通信的可靠性.