CN103345271A - 一种基于嵌入式***的燃气流量调节控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于嵌入式***的燃气流量调节控制装置，包括ARM控制器、步进电机驱动器、CAN驱动器、步进电机角度检测反馈***，其特征在于：ARM控制器与步进电机驱动器连接，ARM控制器通过CAN驱动器与固冲发动机控制***连接；ARM控制器包括主程序模块、中断控制模块、控制表模块、隶属函数模块、模糊PID模块、PID模块；可固定在固冲发动机燃气流量调节器内，用于控制固冲发动机燃气流量调节器碟片的转动，改变发动机喷管喉部面积以达到调节空燃比，充分利用推进剂的能量，使固冲发动机获得最佳工作性能。本发明采用模块化结构，闭环设计，能保证较高的控制精度，结构紧凑、装配及拆卸方便、可靠性高、环境适应性强。

Description

一种基于嵌入式***的燃气流量调节控制装置

技术领域

本发明属于自动控制领域，具体涉及一种基于嵌入式***的燃气流量调节控制装置，用于控制固冲发动机燃气流量调节器碟片的转动，改变发动机喷管喉部面积以达到调节空燃比。

背景技术

为保证燃气流量调节器的通用性和可移植性，燃气流量调节控制装置安装在燃气流量调节器的内部，以闭环形式实现燃气流量调节器的高精度控制，一般能达到秒级。燃气流量调节器的动态特性依赖于产生的燃气、自由容积和阀门动作，并且在燃气流量调节过程中存在负调特性：当期望燃气流量减少时，快速增大燃气发生器喷喉面积，燃气流量先减小再增大至预期的调节值；反之亦然。为保证燃气流量调节器的动态特性，一般要求燃气流量调节控制装置能时时动态响应各参数变化，并给出控制规律，控制执行机构做出响应。

国内固冲发动机燃气流量调节技术研究起步较晚，从调研情况来看，航天科技四院开展了相关项目的研究。由于流量调节控制装置与阀体结构、材料选型、燃气类型、速度和高度等紧密相关，仅仅靠有限的试验和理论模拟难以产生立竿见影的效果。目前国内研究还处于初级阶段。

国外对燃气流调节器的研究与固冲发动机的研制是同步进行的，取得了***的成果，其中许多成果已应用于现役导弹中。美国从上世纪七十年代中后期进行了大量的固体冲压发动机改进试验，其中燃气流调节控制是其中的重要内容，其研究成果已广泛用于固冲发动机。同属西方的法国、德国关于燃气流量调节控制的研究与美国几乎同时展开，成功地应用在法、德合作研制的固冲发动机上。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于嵌入式***的燃气流量调节控制装置，这种装置固定在燃气流量调节器内，用于控制固冲发动机燃气流量调节器碟片的转动，改变发动机喷管喉部面积以达到调节空燃比。

本发明的技术方案：本发明的一种基于嵌入式***的燃气流量调节控制装置包括ARM控制器、步进电机驱动器、CAN驱动器、步进电机角度检测反馈***，其特征在于：ARM控制器与步进电机驱动器连接，ARM控制器通过CAN驱动器与固冲发动机控制***连接；ARM控制器包括主程序模块、中断控制模块、控制表模块、隶属函数模块、模糊PID模块、PID模块；

主程序模块：根据固冲发动机控制***给出的控制燃气流量调节器碟片所需调节的角度值与步进电机角度检测反馈***的角度反馈值比较，向步进电机驱动器发出指令，控制阀门调节器碟片旋转角度，从而控制燃气流量；

中断控制模块：给出主程序输出控制信号和反馈信号的标识；

模糊PID模块：模糊PID控制器以角度偏差e和角度偏差变化率ec作为输入量，计算 Kp：比例函数、Ki：积分函数、Kd：微分函数作为模糊控制器输出值；

PID模块：计算出角度偏差e，再根据模糊PID输出的Kp、Ki、Kd计算步进电机控制脉冲输出量；

隶属函数模块：包括对应各角度偏差值的e、ec、Kp、Ki、Kd的隶属函数控制曲线图；

控制规则表模块：根据多次反复试验对比，确定的模糊PID控制规则表放在控制规则表模块中，每条控制规则中包括对应角度偏差值的e、ec、Kp、Ki、Kd值。

所述的步进电机角度检测反馈***包括旋转变压器，旋转变压器与步进电机同轴连接，旋转变压器通过旋转数字转换器、电平转换芯片与ARM控制器连接；

所述的隶属函数模块中隶属函数选用三角形函数，e、ec、Kp、Ki、Kd隶属函数的横坐标为各参数的论域，纵坐标为各参数的取值；隶属函数曲线斜率确定：模糊PID模块中模糊PID算法采用7个语言变量，即负大NB、负中NM、负小NS、零Z0、正小PS、正中PM、正大PB；角度偏差e的基本论域为[-emax,+emax]，角度偏差变化率ec的基本论域为[-ecmax,+ecmax]；若实际值超过基本论域，都取为基本论域边界值；对应7个语言变量，论域取为[-3，-2，-0，0，1，2，3]，根据论域值可计算出e和ec的比例因子，公式如下：

$\mathrm{Ke}=\frac{3}{e\max }---\left(1\right)$

$\mathrm{Kec}=\frac{3}{\mathrm{ec}\max }---\left(2\right)$

同样设定Kp、Ki、Kd的基本论域分别为[-Kpmax，+Kpmax]、[-Kimax，+Kimax]、[-Kdmax，+Kdmax]，Kp、Ki、Kd的论域分别取为[-3，-2，-1，0，1，2，3]、[-0.5，-0.4，-0.3，-0.2，-0.1， 0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5]、[-1.5，-1，-0.5，0，0.5，1，1.5]，根据论域值可计算出Kp、Ki、Kd的比例因子，公式如下：

$K_{\mathrm{kp}\max }=\frac{\mathrm{kp}\max }{3}---\left(3\right)$

$K_{\mathrm{ki}\max }=\frac{\mathrm{ki}\max }{0.5}---\left(4\right)$

$K_{\mathrm{kd}\max }=\frac{\mathrm{kd}\max }{1.5}---\left(5\right).$

所述的控制规则表模块共分49条控制规则，将角度最大开度值等分49段，依次由小到大分别对应49条控制规则，每条控制规则中的e、ec、Kp、Ki、Kd分别遵从对应隶属函数变化。

所述的主程序模块将旋转变压器反馈的角度信息与所需的阀门调节角度进行比较，如有偏差则补发指令对阀门调节器碟片旋转角度进行修正，形成闭环控制；主程序模块实时监测旋转变压器输出值，若出现正弦或余旋丢相、正弦或余旋输出值超过设置的阀值时，ARM控制器保持上一次输出的角度值不变，直到旋转变压器输出正常。

所述的中断控制模块设两个计时器，初始化时，两个计时器都置1，开始后，第一计时器延时20毫秒置0，给出主程序输出控制信号标识，第二计时器延时40毫秒置2，给出主程序将步进电机角度检测值反馈给固冲发动机控制***的标识。

所述的步进电机以电机体的形式固定在流量调节装置腔体内，旋转变压器固定在步进电机的转动轴上；步进电机通过步进电机安装架固定在流量调节装置腔体内，轴承承力杆连接在步进电机的轴上，轴承卡套将轴承、轴承承力杆、步进电机安装架组合在一起固定在步进电机的端面，螺旋套通过销轴与步进电机的轴相连，步进电机轴的转动通过螺旋套输出。

本发明的技术效果体现在：本发明的控制装置采用模块化设计，各模块功能独立，更利于布置，提高流量调节器内部空间使用率；本发明的控制装置集成度高、体积小、驱动能力强，可驱动较大的负载；本发明的控制装置，控制精度高、响应速度快、算法适应性强，可方便地适应流量调节器动态特性，解决其负调特性；本发明的控制装置，其装配调节及拆卸方便、可靠性高、环境适应性强。

本发明可解决现有此类控制装置中动态响应特性差、空间占用大、安装调节不方便以及不能有效解决负调特性的问题。本发明适用于高精度固冲发动机燃气流量调节器的控制，具有较好的应用价值和推广前景。

附图说明

图1为本发明硬件逻辑框图。

图2为本发明软件逻辑框图。

图3为本发明主程序模块逻辑框图。

图4为本发明中断控制模块逻辑框图。

图5 模糊PID控制原理图。

图6为e隶属函数控制曲线图。

图7为ec隶属函数控制曲线图。

图8为Kp隶属函数控制曲线图。

图9为Ki隶属函数控制曲线图。

图10为Kd隶属函数控制曲线图。

图11为控制表模块图。

图12为本发明的步进电机装配示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明硬件逻辑框图：本发明硬件由控制板和电源板组成。

控制板包括ARM控制器、步进电机驱动器、CAN驱动器、步进电机角度检测反馈***， ARM控制器与步进电机驱动器连接，ARM控制器通过CAN驱动器与固冲发动机控制***连接。电源板供给各种电源。

图2为本发明软件逻辑框图：ARM控制器包括主程序模块、中断控制模块、控制表模块、隶属函数模块、模糊PID模块、PID模块。

图3为本发明主程序模块逻辑框图：

主程序模块：根据固冲发动机控制***给出的控制燃气流量调节器碟片所需调节的角度值与步进电机角度检测反馈***的角度反馈值比较，向步进电机驱动器发出指令，控制阀门调节器碟片旋转角度，从而控制燃气流量。

主程序模块将旋转变压器反馈的角度信息与所需的阀门调节角度进行比较，如有偏差则补发指令对阀门调节器碟片旋转角度进行修正，形成闭环控制；主程序模块实时监测旋转变压器输出值，若出现正弦或余旋丢相、正弦或余旋输出值超过设置的阀值时，ARM控制器保持上一次输出的角度值不变，直到旋转变压器输出正常。

图4为本发明中断控制模块逻辑框图：中断控制模块设两个计时器，初始化时两个计时器都置1，开始后，第一计时器延时20毫秒置0，给出主程序输出控制信号标识，第二计时器延时40毫秒置2，给出主程序将步进电机角度检测值反馈给控制***的标识。

图5 模糊PID控制原理图：

控制算法采用的是模糊PID控制算法，该算法是将输入量角度偏差e和角度偏差变化率ec进行模糊化成模糊量，再把模糊量用相应的模糊语言表示，从而得到输入量模糊语言的一个子集，再由模糊子集和控制规则根据推理合成规则进行决策，得到输出量Kp、Ki、Kd。根据一般模糊控制器及电机控制***中的输入量的特性，设计模糊PID控制器以角度偏差e和角度偏差变化率ec作为输入量，电机控制脉冲作为输出量，Kp：比例函数、Ki：积分函数、Kd：微分函数为模糊控制器输出量值。

模糊PID模块：根据一般模糊控制器及电机控制***中的输入量的特性，设计模糊PID控制器以角度偏差e和角度偏差变化率ec作为输入量，计算 Kp：比例函数、Ki：积分函数、Kd：微分函数作为模糊控制器输出值；

PID模块：计算出角度偏差e，再根据模糊PID输出的Kp、Ki、Kd计算步进电机控制脉冲输出量；

隶属函数模块：包括对应各角度偏差值的e、ec、Kp、Ki、Kd的隶属函数控制曲线图；图6、图7、图8、图9、图10 为e、ec、Kp、Ki、Kd的隶属函数控制曲线图。

隶属函数模块中隶属函数选用三角形函数，e、ec、Kp、Ki、Kd隶属函数的横坐标为各参数的论域，纵坐标为各参数的取值；隶属函数曲线斜率确定：模糊PID模块中模糊PID算法采用7个语言变量，即负大NB、负中NM、负小NS、零Z0、正小PS、正中PM、正大PB；角度偏差e的基本论域为[-emax,+emax]，角度偏差变化率ec的基本论域为[-ecmax,+ecmax]；若实际值超过基本论域，都取为基本论域边界值；对应7个语言变量，论域取为[-3，-2，-0，0，1，2，3]，根据论域值可计算出e和ec的比例因子，公式如下：

$\mathrm{Ke}=\frac{3}{e\max }---\left(1\right)$

$\mathrm{Kec}=\frac{3}{\mathrm{ec}\max }---\left(2\right)$

同样设定Kp、Ki、Kd的基本论域分别为[-Kpmax，+Kpmax]、[-Kimax，+Kimax]、[-Kdmax，+Kdmax]，Kp、Ki、Kd的论域分别取为[-3，-2，-1，0，1，2，3]、[-0.5，-0.4，-0.3，-0.2，-0.1， 0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5]、[-1.5，-1，-0.5，0，0.5，1，1.5]，根据论域值可计算出Kp、Ki、Kd的比例因子，公式如下：

$K_{\mathrm{kp}\max }=\frac{\mathrm{kp}\max }{3}---\left(3\right)$

$K_{\mathrm{ki}\max }=\frac{\mathrm{ki}\max }{0.5}---\left(4\right)$

$K_{\mathrm{kd}\max }=\frac{\mathrm{kd}\max }{1.5}---\left(5\right).$

控制规则表模块：图11为控制表模块图，根据多次反复试验对比，确定的模糊PID控制规则表，每条控制规则中包括对应角度偏差值的e、ec、Kp、Ki、Kd值。

控制规则表模块共分49条控制规则，将角度最大开度值等分49段，分别对应49条控制规则，每条控制规则中的e、ec、Kp、Ki、Kd分别遵从对应隶属函数变化。

工作过程描述：固冲发动机控制***固冲发动机吸入压缩空气量的实时参数，根据计算出控制装置驱动流量调节器碟片所需调节的角度值，控制算法解析出控制规律后驱动器发出指令给向电机。步进电机工作，旋转变压器记录下步进电机旋转的角度并反馈给ARM控制器，ARM控制器将旋转变压器反馈的角度信息与***指令进行比较，如有偏差，则补发指令对阀门调节器碟片旋转角度进行修正，形成闭环控制。步进电机通过传动机构控制阀门调节体碟片旋转角度，改变喉部面积，从而控制燃气流量。

与此同时，ARM控制器实时监测旋转变压器输出值，若出现正弦或余旋丢相、正弦或余旋输出值超过设置的阀值时，ARM控制器保持上一次输出的角度值不变，直到旋转变压器输出正常。

具体如下：（补充ARM控制器各模块工作过程）

主程序模块通过CAN总线中断接收固冲发动机控制***给出的控制燃气流量调节器碟片所需调节的角度值，与步进电机角度检测反馈***的角度反馈值比较，两者相减得到模糊PID输入量e，根据输入量e查控制表模块（表1）得到模糊PID模块输出量Kp、Ki、Kd的语言变量，根据各自的语言变量分别查图8、图9、图10得到Kp、Ki、Kd的隶属函数曲线，各变量的隶属函数曲线斜率分别可由公式（3）、公式（4）和公式（5）计算得到，根据论域值可分别计算出模糊PID模块的输出量Kp、Ki、Kd的值。计算得到PID模块输入量Kp、Ki、Kd，再计算得到控制模块输入量电机转速，控制模块输出步进电机转速控制阀门调节器碟片旋转到目标角度；每个控制周期PID计算一次，在控制周期内输出当前转速值控制电机旋转，控制周期标志位为零时，重新计算PID值输出电机转速控制电机旋转，直至调节到目标位置角度；中断控制模块给出主程序模块输出控制信号、反馈信号和控制周期的标识位。

图12为本发明的步进电机装配示意图：步进电机作为执行机构，以电机体的形式固定在燃气流量调节器的腔体内部，以螺旋传动的方式带动碟片旋转。步进电机7通过步进电机安装架1固定在流量调节装置腔体内。轴承卡套3、轴承承力杆4和轴承6组合在一起固定在步进电机7的端面，保护电机不承受轴向压力。螺旋套2通过销5与步进电机7的轴相连，步进电机7轴的转动通过螺旋套2输出。旋转变压器固定在步进电机转动轴上。控制装置中的步进电机驱动器通过采样电阻实现过流保护，通过二极管实现过压保护。

Claims (7)

1.一种基于嵌入式***的燃气流量调节控制装置，包括ARM控制器、步进电机驱动器、CAN驱动器、步进电机角度检测反馈***，其特征在于：ARM控制器与步进电机驱动器连接，ARM控制器通过CAN驱动器与固冲发动机控制***连接；ARM控制器包括主程序模块、中断控制模块、控制表模块、隶属函数模块、模糊PID模块、PID模块；

主程序模块：根据固冲发动机控制***给出的控制燃气流量调节器碟片所需调节的角度值与步进电机角度检测反馈***的角度反馈值比较，向步进电机驱动器发出指令，控制阀门调节器碟片旋转角度，从而控制燃气流量；

中断控制模块：给出主程序输出控制信号和反馈信号的标识；

模糊PID模块：模糊PID控制器以角度偏差e和角度偏差变化率ec作为输入量，计算 Kp：比例函数、Ki：积分函数、Kd：微分函数作为模糊控制器输出值；

PID模块：计算出角度偏差e，再根据模糊PID输出的Kp、Ki、Kd计算步进电机控制脉冲输出量；

隶属函数模块：包括对应各角度偏差值的e、ec、Kp、Ki、Kd的隶属函数控制曲线图；

控制规则表模块：根据多次反复试验对比，确定的模糊PID控制规则表放在控制规则表模块中，每条控制规则中包括对应角度偏差值的e、ec、Kp、Ki、Kd值。

2.根据权利要求1所述的基于嵌入式***的燃气流量调节控制装置，其特征在于：步进电机角度检测反馈***包括旋转变压器，旋转变压器与步进电机同轴连接，旋转变压器通过旋转数字转换器、电平转换芯片与ARM控制器连接。

3.根据权利要求1或2所述的基于嵌入式***的燃气流量调节控制装置，其特征在于：隶属函数模块中隶属函数选用三角形函数，e、ec、 Kp、Ki、Kd隶属函数的横坐标为各参数的论域，纵坐标为各参数的取值；隶属函数曲线斜率确定：模糊PID模块中模糊PID算法采用7个语言变量，即负大NB、负中NM、负小NS、零Z0、正小PS、正中PM、正大PB；角度偏差e的基本论域为[-emax,+emax]，角度偏差变化率ec的基本论域为[-ecmax,+ecmax]；若实际值超过基本论域，都取为基本论域边界值；对应7个语言变量，论域取为[-3，-2，-0，0，1，2，3]，根据论域值可计算出e和ec的比例因子，公式如下：

同样设定Kp、Ki、Kd的基本论域分别为[-Kpmax，+Kpmax]、[-Kimax，+Kimax]、[-Kdmax，+Kdmax]，Kp、Ki、Kd的论域分别取为[-3，-2，-1，0，1，2，3]、[-0.5，-0.4，-0.3，-0.2，-0.1， 0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5]、[-1.5，-1，-0.5，0，0.5，1，1.5]，根据论域值可计算出Kp、Ki、Kd的比例因子，公式如下：

4.根据权利要求1或2所述的基于嵌入式***的燃气流量调节控制装置，其特征在于：控制规则表模块共分49条控制规则，将角度最大开度值等分49段，依次由小到大分别对应49条控制规则，每条控制规则中的e、ec、Kp、Ki、Kd分别遵从对应隶属函数变化。

5.根据权利要求1或2所述的基于嵌入式***的燃气流量调节控制 装置，其特征在于：主程序模块将旋转变压器反馈的角度信息与所需的阀门调节角度进行比较，如有偏差则补发指令对阀门调节器碟片旋转角度进行修正，形成闭环控制；主程序模块实时监测旋转变压器输出值，若出现正弦或余旋丢相、正弦或余旋输出值超过设置的阀值时，ARM控制器保持上一次输出的角度值不变，直到旋转变压器输出正常。

6.根据权利要求1或2所述的基于嵌入式***的燃气流量调节控制装置，其特征在于：中断控制模块设两个计时器，初始化时，两个计时器都置1，开始后，第一计时器延时20毫秒置0，给出主程序输出控制信号标识，第二计时器延时40毫秒置2，给出主程序将步进电机角度检测值反馈给固冲发动机控制***的标识。

7.根据权利要求2所述的基于嵌入式***的燃气流量调节控制装置，其特征在于：步进电机（7）以电机体的形式固定在流量调节装置腔体内，旋转变压器固定在步进电机（7）的转动轴上；步进电机（7）通过步进电机安装架（1）固定在流量调节装置腔体内，轴承承力杆（4）连接在步进电机（7）的轴上，轴承卡套（3）将轴承（6）、轴承承力杆（4）、步进电机安装架（1）组合在一起固定在步进电机（7）的端面，螺旋套（2）通过销轴（5）与步进电机（7）的轴相连，步进电机（7）轴的转动通过螺旋套（2）输出。 

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