CN113419558B - 一种无人机发动机缸温自适应控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无人机发动机缸温自适应控制方法。首先，机载计算机对发动机电喷控制单元采集到的发动机缸温进行最大值、最小值和平均值计算，并对平均值进行野值剔除和滤波；然后，机载计算机根据缸温进行判断并计算电动舵机控制量，再根据计算出的电动舵机控制量数值来输出控制舵机偏转的电压值，驱动电动舵机调整气道开度，从而实现对吹向发动机缸体气流的控制，最终完成缸温调节。本发明能够在不增加设备和其他结构的情况下，采用有限状态机控制模式实现对缸温自适应控制策略，降低发动机因缸温过高或过低发生故障的概率，提升固定翼无人机发动机缸温控制的自动化水平。
Description
技术领域
本发明属无人机控制技术领域，具体涉及一种无人机发动机缸温自适应控制方法。
背景技术
发动机是无人机的心脏，是无人机***机械设备中故障率最高、调整最复杂、维护工作量最大的***，其工作状态的好坏将直接影响无人机的安全飞行。采用活塞式发动机的固定翼无人机，在飞行过程中主要通过监测发动机缸温来判断其工作状态，而对发动机缸温的控制是一项极为关键的任务，目前多数固定翼无人机的发动机缸温控制都是人工根据经验实施，主要依靠地面飞行操作人员人工监测缸温，当高于规定的理想工作缸温时，将发动机冷却气道机构的开度调大，反之过低时将冷却气道机构开度调小。这种人工实时干预的方法不可避免地加大了***操作的复杂度，导致可靠性降低，严重威胁无人机***的安全性能。
无人机发动机缸温难控制的关键在于其变化的复杂特性，不能通过一个特定的气道开度控制模式进行控制。现有的无人机***大多都在地面控制车内设有专门控制冷却气道开度的区域，进而调整缸温，由于缸温线性变化，因此只能完全凭经验来实施。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种无人机发动机缸温自适应控制方法。按照控制理论调节温度过程的思想，借鉴飞行操作人员对发动机缸温控制的操纵实践经验，有效利用无人机自身的冷却气道和电喷控制单元采集功能，在不增加设备和其他结构的情况下，采用有限状态机控制模式实现对缸温自适应控制策略。首先，机载计算机对发动机电喷控制单元采集到的发动机缸温进行最大值、最小值和平均值计算，并对平均值进行野值剔除和滤波；然后，机载计算机根据缸温进行判断并计算电动舵机控制量，再根据计算出的电动舵机控制量数值来输出控制舵机偏转的电压值，驱动电动舵机调整气道开度，从而实现对吹向发动机缸体气流的控制，最终完成缸温调节。采用本发明方法可以改善发动机工作环境，降低发动机因缸温过高或过低发生故障的概率，同时，提升固定翼无人机发动机缸温控制的自动化水平，降低飞行操纵人员的工作强度，有利于提升无人机飞行安全性和任务完成度。
一种无人机发动机缸温自适应控制方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：无人机发动机工作后，发动机电喷控制单元采集发动机缸温，并通过RS422传递给机载计算机；
步骤2：机载计算机运行软件，每T1时间获取发动机4个缸温，计算4个缸温的最大值TMax、最小值TMin及平均值TAvg，并对平均值TAvg进行野值剔除和滤波；
所述的T1为机载计算机任务环运行的时间；
所述的野值是指-40℃～470℃之外的数值；
所述的滤波是指按下式计算得到任一时刻t滤波后的值：
其中，y(t)表示t时刻的滤波值，N表示滤波队列长度，设置为6，zi(t)表示一个采样周期内的第i个测量值，Z(t)max表示一个采样周期内的最大测量值，Z(t)min表示一个采样周期内的最小测量值；
步骤3：机载计算机根据缸温进行判断并计算电动舵机控制量，再根据计算出的电动舵机控制量数值来输出控制舵机偏转的电压值，从而驱动电动舵机调整气道开度，完成缸温调节；其中，电动舵机控制量与电压值、气道开度在数值上满足线性关系，控制量值为电压值的4倍，最小控制量值对应气道开度为0°，气道开度最大值为40°；
所述的根据缸温进行判断并计算电动舵机控制量具体如下：
状态a：如果当前4个缸温处于发动机的正常工作范围内且其平均值TAvg处于理想范围内，则机载计算机输出电动舵机控制量δqd保持不变，保持当前冷却气道开度；
状态b：如果当前4个缸温处于发动机的正常工作范围内且其平均值TAvg未处于理想范围内，则机载计算机按下式计算并输出电动舵机控制量δqd：
其中，kt为比例系数，kti为积分系数，Ta为当前4个缸温平均温度，Tg为给定的缸温调节目标温度，δqd0当前电动舵机控制量，t为当前4个缸温处于正常工作范围内且其平均值不在理想范围内的时间；所述的kt的取值范围-1～1，kti取值范围-0.5～0.5，kt和kti通过地面控制站遥控调整；
状态c：如果当前4个缸温的最大值TMax大于发动机工作的高温边界且缸温最小值TMin未小于发动机工作的低温边界，则机载计算机按下式计算并输出电动舵机控制量δqd：
δqd＝Δδ0+kC*tC/T1+δqdc (3)
其中，Δδ0为控制量常值一，设定为舵机左右偏转角度范围的10％；δqdc为进入状态c时刻电动舵机控制量值；kC表示每个运行任务周期内增加的电动舵机控制量，kC＝(40-Δδ0)/(TC/T1)，TC为气道开度从关闭到全开需要的时间；计时时间tC为缸温最大值TMax大于高温边界且缸温最小值TMin未小于低温边界的时间；
状态d：如果当前4个缸温的最大值TMax未大于高温边界且最小值TMin小于低温边界，则机载计算机按下式计算并输出电动舵机控制量δqd：
δqd＝δqdd-Δδ0-kC*td/T1 (4)
其中，δqdd为进入状态d时刻电动舵机控制量值；td为缸温最大值TMax未大于高温边界且缸温最小值TMin小于低温边界的时间；
状态e：如果当前4个缸温的最大值TMax大于发动机工作的高温边界且最小值TMin小于发动机工作的低温边界，则机载计算机按下式计算电动舵机控制量δqd：
δqd＝Δδ0+kC*te1/T1+δqde (5)
其中，te1为计时开度增大的时间，设置为120s，δqde为进入状态e时刻电动舵机控制量值；
te1时间后，将气道开度设置为进入该状态e时的开度，并保持te12时间，再按下式计算电动舵机控制量δqd：
δqd＝δqde (6)
其中，te12为计时开度保持的时间，设置为120s；
状态f：如果在e状态后4个缸温的最大值TMax仍大于发动机工作的高温边界且最小值TMin小于发动机工作的低温边界，则立即报警提示，无人机由飞行状态转入平飞直飞，断开自动缸温控制。
本发明的有益效果是：由于采用有限状态机控制模式实现对缸温自适应控制策略，使得发动机缸温基本控制理想温度范围，大大解决飞行操作人员手动拖动冷却气道控制缸温的问题；由于采用该种缸温自适应控制策略，有效改善发动机工作环境，将缸温较好地控制在120℃～180℃范围内，降低发动机因缸温过高或过低发生故障的概率，提高了无人机发动机缸温控制的自动化水平，降低飞行操纵人员的工作强度，同时提升无人机飞行安全性和任务完成度。
附图说明
图1是本发明的无人机发动机缸温自适应控制方法流程图；
图2是本发明方法的发动机缸温状态切换逻辑示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
如图1所示，本发明提供了一种基于具有冷却气道机构的无人机发动机缸温自适应控制方法，其具体实现过程如下：
步骤1：无人机发动机工作后，发动机电喷控制单元采集发动机缸温，并通过RS422传递给机载计算机；
步骤2：机载计算机运行软件，每T1时间获取发动机4个缸温，计算4个缸温的最大值TMax、最小值TMin及平均值TAvg，并对平均值TAvg进行野值剔除和滤波；
所述的T1时间为机载计算机任务环运行的时间，即每隔该时间运行温度采集任务一次，一般可以设置T1＝10ms；
所述的野值是指-40℃～470℃之外的数值；
所述的滤波是指按下式计算得到某一时刻滤波后的值：
其中，y(t)表示t时刻的滤波值，N表示滤波队列长度，选取数值为6,zi(t)表示一个采样周期内的第i个测量值，Z(t)max表示一个采样周期内的最大测量值，Z(t)min表示一个采样周期内的最小测量值；
步骤3：机载计算机根据缸温进行判断并计算电动舵机控制量，再根据计算出的电动舵机控制量数值来输出控制舵机偏转的电压值，从而驱动电动舵机调整气道开度，完成缸温调节；其中，电动舵机控制量与电压值、气道开度在数值上满足线性关系，控制量值为电压值的4倍，最小控制量值对应气道开度为0°，气道开度最大值为40°；
所述的根据缸温进行判断并计算电动舵机控制量具体如下：
当前4个缸温处于该型发动机的正常工作范围内(120℃～180℃)且其平均值TAvg处于理想范围内，则机载计算机输出电动舵机控制量δqd保持不变，保持当前冷却气道开度，此时定义为状态a；本实施例中，发动机的正常工作范围内为120℃～180℃，理想范围为130℃～170℃。
随着时间的推移，在a状态下，出现平均值TAvg未处于理想范围内定义为状态b，此时由状态a切换至状态b，此时机载计算机按下式计算并输出电动舵机控制量δqd：
其中，Ta为当前4个缸温平均温度，Tg为给定的缸温调节目标温度，δqd0当前电动舵机控制量，t为当前4个缸温处于正常工作范围内且其平均值不在理想范围内的时间；所述的kt的取值范围-1～1，本实施例中，选kt为0.25，kti取值范围-0.5～0.5，本实施例中，选kti为-0.01，kt和kti通过地面控制站遥控调整，积分项进入条件为|Ta-Tg|≤20，积分项饱和∫(Ta-Tg)dt≤10，积分死区|Ta-Tg|≤5；
在b状态下，出现4个缸温的最大值TMax大于该型发动机工作的高温180℃边界且缸温最小值TMin未小于该型发动机工作的低温120℃边界的情况，定义为状态c，出此时有状态b切换至状态c，此时机载计算机按下式计算并输出电动舵机控制量δqd：
δqd＝Δδ0+kC*tC/T1+δqdc (9)
其中，Δδ0为控制量常值一，设定为舵机左右偏转角度范围的10％，本实施例中其值为5；δqdc为进入状态c时刻电动舵机控制量值；kC表示每个运行任务周期内增加的电动舵机控制量，kC＝(40-Δδ0)/(TC/T1)，TC为气道开度从关闭到全开需要的时间，本实施例中为140s；计时时间tC为缸温最大值TMax大于高温边界且缸温最小值TMin未小于低温边界的时间段；
在b或c状态下，出现4个缸温的最大值TMax未大于该型发动机工作的高温边界且最小值TMin小于该型发动机工作的低温边界的情况，定义为状态d，此时机载计算机按下式计算并输出电动舵机控制量δqd：
δqd＝δqdd-Δδ0-kC*td/T1 (10)
其中，δqdd为进入状态d时刻电动舵机控制量值；td为缸温最大值TMax未大于高温边界且缸温最小值TMin小于低温边界的时间段；
在c或d状态下，出现4个缸温的最大值TMax大于该型发动机工作的高温边界且最小值TMin小于该型发动机工作的低温边界的情况，定义为状态e，此时机载计算机按下式计算电动舵机控制量δqd：
δqd＝Δδ0+kC*te1/T1+δqde (11)
其中，te1为计时开度增大的时间，取值为120s，δqde为进入状态e时刻电动舵机控制量值；
te1时间后，将气道开度设置为进入该状态e时的开度，并保持te12时间，此时机载计算机按下式计算电动舵机控制量δqd：
δqd＝δqde (12)
其中，te12为计时开度保持的时间，取值为120s。
在经过e状态调整后,出现4个缸温的最大值TMax仍大于该型发动机工作的高温边界且最小值TMin小于该型发动机工作的低温边界的情况，定义为状态f，机载计算机立即下传报警提示，无人机由飞行状态转入平飞直飞，断开自动缸温控制。
各状态模式之间可以根据温度数值大小来判断所处的范围，实现控制模式互相转换。
Claims (1)
1.一种无人机发动机缸温自适应控制方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：无人机发动机工作后，发动机电喷控制单元采集发动机缸温，并通过RS422传递给机载计算机；
步骤2：机载计算机运行软件，每T1时间获取发动机4个缸温，计算4个缸温的最大值TMax、最小值TMin及平均值TAvg，并对平均值TAvg进行野值剔除和滤波；
所述的T1为机载计算机任务环运行的时间；
所述的野值是指-40℃～470℃之外的数值；
所述的滤波是指按下式计算得到任一时刻t滤波后的值：
其中，y(t)表示t时刻的滤波值，N表示滤波队列长度，设置为6，zi(t)表示一个采样周期内的第i个测量值，Z(t)max表示一个采样周期内的最大测量值，Z(t)min表示一个采样周期内的最小测量值；
步骤3：机载计算机根据缸温进行判断并计算电动舵机控制量，再根据计算出的电动舵机控制量数值来输出控制舵机偏转的电压值，从而驱动电动舵机调整气道开度，完成缸温调节；其中，电动舵机控制量与电压值、气道开度在数值上满足线性关系，控制量值为电压值的4倍，最小控制量值对应气道开度为0°，气道开度最大值为40°；所述的根据缸温进行判断并计算电动舵机控制量具体如下：
状态a：如果当前4个缸温处于发动机的正常工作范围内且其平均值TAvg处于理想范围内，则机载计算机输出电动舵机控制量δqd保持不变，保持当前冷却气道开度；
状态b：如果当前4个缸温处于发动机的正常工作范围内且其平均值TAvg未处于理想范围内，则机载计算机按下式计算并输出电动舵机控制量δqd：
其中，kt为比例系数，kti为积分系数，Ta为当前4个缸温平均温度，Tg为给定的缸温调节目标温度，δqd0当前电动舵机控制量，t为当前4个缸温处于正常工作范围内且其平均值不在理想范围内的时间；所述的kt的取值范围-1～1，kti取值范围-0.5～0.5，kt和kti通过地面控制站遥控调整；
状态c：在状态b下，如果当前4个缸温的最大值TMax大于发动机工作的高温边界且缸温最小值TMin未小于发动机工作的低温边界，则机载计算机按下式计算并输出电动舵机控制量δqd：
δqd＝Δδ0+kC*tC/T1+δqdc (3)
其中，Δδ0为控制量常值一，设定为舵机左右偏转角度范围的10％；δqdc为进入状态c时刻电动舵机控制量值；kC表示每个运行任务周期内增加的电动舵机控制量，kC＝(40-Δδ0)/(TC/T1)，TC为气道开度从关闭到全开需要的时间；计时时间tC为缸温最大值TMax大于高温边界且缸温最小值TMin未小于低温边界的时间；
状态d：在状态b或c下，如果当前4个缸温的最大值TMax未大于高温边界且最小值TMin小于低温边界，则机载计算机按下式计算并输出电动舵机控制量δqd：
δqd＝δqdd-Δδ0-kC*td/T1 (4)
其中，δqdd为进入状态d时刻电动舵机控制量值；td为缸温最大值TMax未大于高温边界且缸温最小值TMin小于低温边界的时间；
状态e：在状态c或d下，如果当前4个缸温的最大值TMax大于发动机工作的高温边界且最小值TMin小于发动机工作的低温边界，则机载计算机按下式计算电动舵机控制量δqd：
δqd＝Δδ0+kC*te1/T1+δqde (5)
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| CN113419558A (zh) | 2021-09-21 |
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