無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)缸溫自動(dòng)控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉長(zhǎng)亮，王宏新，殷少鋒，鮑傳美，包 化

（1.武漢軍械士官學(xué)校 無 人機(jī)系機(jī)電教研室， 湖北 武 漢430075；2.中國人民解放軍71521部隊(duì)65分隊(duì)，河南 新 鄉(xiāng) 4 53800）

無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行過程中的工作狀態(tài)主要通過監(jiān)測(cè)缸溫進(jìn)行判斷，因此，氣缸溫度對(duì)于無人機(jī)主站操作人員是非常敏感的參數(shù)，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)是無人機(jī)的心臟，是無人機(jī)系統(tǒng)機(jī)械設(shè)備中故障率最高、調(diào)整最復(fù)雜、維護(hù)工作量最大的系統(tǒng)，其工作狀態(tài)的好壞將直接影響無人機(jī)的安全飛行[1]。氣缸溫度的調(diào)控是一項(xiàng)極為關(guān)鍵的任務(wù)，目前我軍多種無人機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸溫度控制都是人工實(shí)施的，主要依靠主控站內(nèi)操作員人工進(jìn)行監(jiān)測(cè)缸溫，當(dāng)超出規(guī)定范圍時(shí)將其打開，反之過低時(shí)則將其關(guān)閉[2]。這種需要人工實(shí)時(shí)干預(yù)的方法不可避免地加大了系統(tǒng)操作的復(fù)雜度，導(dǎo)致可靠性降低，嚴(yán)重威脅無人機(jī)系統(tǒng)的安全性能。

1 氣缸溫度自動(dòng)控制的難點(diǎn)

無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的缸溫難控制的關(guān)鍵在于其變化的復(fù)雜特性，不能通過一個(gè)特定的氣道開度控制模式進(jìn)行控制?，F(xiàn)有的無人機(jī)系統(tǒng)大多都在主控站內(nèi)設(shè)有一個(gè)專門按鍵以控制氣道的開閉，進(jìn)而調(diào)整缸溫，由于該缸溫線性變化，因此只能完全憑經(jīng)驗(yàn)來實(shí)施。該發(fā)動(dòng)機(jī)缸溫具體有以下特點(diǎn)：

1）影響因素復(fù)雜影響發(fā)動(dòng)機(jī)缸溫的因素很多，如無人機(jī)飛行速度、無人機(jī)周遭氣體環(huán)境、無人機(jī)飛行高度、發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況等[3]。這使得簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)對(duì)有效控制缸溫?zé)o法起到顯著作用。

2）大時(shí)滯非線性變化無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的缸溫與氣道開度的關(guān)系并非是一個(gè)簡(jiǎn)單隨動(dòng)，而是一個(gè)具有大時(shí)滯、非線性的過程，如圖1所示。

圖1 缸溫隨氣道開閉的變化

從圖1中可以看出，無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)缸溫的控制過程可大致分為兩種情形：第一種是氣道開，這是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸溫度過高時(shí)采取調(diào)控的一種措施。在這種操作下，氣道全開，冷空氣全速流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱片，溫度在支撐一段時(shí)間后開始緩慢并加速下降，最終穩(wěn)定。第二種是氣道關(guān)，這是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸溫度過低的時(shí)候采取的措施，這種操作使得氣道關(guān)閉，從而使得流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱片的冷空氣中斷，溫度從開始緩慢回升，但是在后半段會(huì)有所加速。

2 基于模糊控制的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模糊控制不需要掌握被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，特別適合于上述分析的非線性控制。它對(duì)過程參數(shù)的變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，并且可加入一些人為的經(jīng)驗(yàn)因素，使控制過程更易于按照人為的要求實(shí)現(xiàn)[4]。這種氣缸溫度模糊控制器的工作原理是設(shè)計(jì)一張控制策略表存入單片機(jī)的ROM中，控制時(shí)根據(jù)對(duì)溫度的采樣結(jié)果計(jì)算輸入量的值，然后通過量化因子將其模糊化以得到其論域，再查表得到相應(yīng)的控制量[5]。將該控制量與比例因子相乘即可作為輸出量對(duì)氣道開度實(shí)施控制。

2.1 輸入和輸出量的確定

模糊控制器輸入量的選擇對(duì)系統(tǒng)性能的影響很大，在這個(gè)課題中，汽缸溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及散熱片溫度都可作為輸入量，但是這些方法工程上實(shí)現(xiàn)難度大且效果差[6]。根據(jù)采樣的方便性與計(jì)算的精確性，將缸溫傳感器的輸出變化率ΔT/Δt作為模糊控制的輸入量便可實(shí)現(xiàn)較完美的控制。輸出量則是PWM波的占空比增量Δton經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后的控制電壓信號(hào)。

2.2 語言變量、論域及隸屬度的確定

?。ǎ?，－2，－1，0，+1，+2，+3）作為論域，輸入量ΔE的基本論域?yàn)椋郏?，5］，量化因子即為

相應(yīng)的，由實(shí)驗(yàn)得出ΔT/Δt的最大值為2．513 0×10－2V/S，量化因子即為

輸出為控制電壓信號(hào)，其論域段的劃分方法同上，用U表示輸出控制量，則比例因子確定為

對(duì)于論域（－3，－2，－1，0，+1，+2，+3），定義7個(gè)語言變量值：NB（負(fù)大）、NM（負(fù)中）、NS（負(fù)?。（零）、PS（正?。M（正中）和PB（正大），采用正態(tài)函數(shù)模型構(gòu)造隸屬函數(shù)[7]。其中，參數(shù)a取適當(dāng)值使集合{－3，－2，－1，0，+1，+2，+3}映射到集合{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，參數(shù)b決定隸屬函數(shù)的形狀，可根據(jù)系統(tǒng)誤差加以調(diào)整以得到合適的控制靈敏度和穩(wěn)定性。

2.3 模糊控制策略表的建立

根據(jù)上述分析，不同情況下，缸溫控制的方式也是不一樣的，如果只將ΔE作為主要判別標(biāo)準(zhǔn)，必然會(huì)給控制結(jié)果帶來比較大的偏差。基于此認(rèn)識(shí)，可以采用增加ΔU/Δt權(quán)值的途徑加以改善。其解析式為：

式中，α∈［0，1］稱為修正因子，＜ ＞表示四舍五入取整，E 和EC是 Δ E與 Δ U/Δt的模糊量化。

考慮到控制差異性，適當(dāng)增加權(quán)值，令α=0．6，經(jīng)過上式運(yùn)算，再經(jīng)過最大隸屬度判決可得到模糊控制表，如表1所示。

表1 模糊控制表

表1中0表示維持現(xiàn)在的控制電壓，+1表示控制電壓信號(hào)增加一個(gè)等級(jí)，－1表示控制電壓信號(hào)減小一個(gè)等級(jí)，依次類推根據(jù)得出的電壓等級(jí)乘以比例因子Ku，即得到輸出的控制電壓變化值。將此變化值加到前一時(shí)刻的電壓值上就是此次應(yīng)輸出的控制電壓信號(hào)。例如，當(dāng)輸入量E為2，而此時(shí)變化率EC為－1時(shí)，輸出電壓應(yīng)該為0．6×2+（1－0．6）×（－1）≌1。

3 軟件部分設(shè)計(jì)

為了達(dá)到自動(dòng)控制的目的，本系統(tǒng)軟件部分直接寫入微處理機(jī)ROM，其設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 軟件設(shè)計(jì)流程

4 硬件組成與實(shí)現(xiàn)

模糊控制器要完成輸入信號(hào)（給定信號(hào)和反饋信號(hào)的偏差和偏差的變化率）的模糊化，根據(jù)模糊知識(shí)庫進(jìn)行模糊推理和模糊判決（解模糊），得到精確控制的變量[8]。但是由于本文系統(tǒng)采用了在ROM中預(yù)存模糊控制表的方法，將在線推理運(yùn)算轉(zhuǎn)變成了查表運(yùn)算，大大提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的組成框圖

4.1 微處理機(jī)模塊

圖3中模糊化、模糊決策以及解模糊環(huán)節(jié)都是在微處理機(jī)模塊中完成的，這里選用單片機(jī)MC68HC05SR3，其內(nèi)部資源豐富，有較大的ROM和RAM空間，便于實(shí)施模糊控制。另外，該器件還帶有4個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，便于檢測(cè)模擬量。該單片機(jī)與相應(yīng)的接口電路配合構(gòu)成系統(tǒng)的控制核心。

4.2 溫度采樣電路

一般情況是通過A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)4個(gè)缸溫傳感器的感測(cè)模擬信號(hào)值進(jìn)行采樣，然后送入微處理機(jī)模塊作為控制的依據(jù)，如果溫度變化產(chǎn)生偏差則控制電壓產(chǎn)生相應(yīng)的變化從而形成實(shí)時(shí)的控制。本文所采用的MC68HC05SR3單片機(jī)本身就具備A/D轉(zhuǎn)換功能，其引腳PD0～PD3可直接接入模擬信號(hào)，其具體硬件電路如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)硬件電路圖

4.3 控制電壓輸出電路

首先，微處理機(jī)模塊通過PWM脈寬調(diào)制方式把計(jì)算出的控制電壓變化量以數(shù)字方式輸出，然后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)變?yōu)槎鏅C(jī)可用的控制電壓變化量，將此變化量加到舵機(jī)的控制電路中一起輸出便得到所需的控制電壓信號(hào)。D/A轉(zhuǎn)換模塊選用TLC5615，因其最大輸出電壓是基準(zhǔn)電壓值的兩倍且?guī)в猩想姀?fù)位功能，具有較高的性價(jià)比。

4.4 電源供應(yīng)模塊

本系統(tǒng)從實(shí)際出發(fā)，嚴(yán)格按照系統(tǒng)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，充分利用現(xiàn)有的電源供應(yīng)系統(tǒng)，采用7805三端集成穩(wěn)壓模塊實(shí)現(xiàn)了電壓轉(zhuǎn)換。由于無人機(jī)機(jī)載穩(wěn)壓電源提供的電壓達(dá)10 V以上，且極性復(fù)雜，不能直接送給單片機(jī)使用，必須進(jìn)行電壓處理。TA7805型三端集成穩(wěn)壓模塊由于其所需外圍元件少，并具有過流、過熱及調(diào)整管保護(hù)電路，可靠方便及價(jià)格便宜，適合本系統(tǒng)應(yīng)用。將其接入驅(qū)動(dòng)舵機(jī)工作的匯流條取電，即可方便的變換出微處理機(jī)及其他器件所需的+5 V電壓。

5 結(jié)論

通過對(duì)無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸溫度的監(jiān)測(cè)得到了模糊控制所依據(jù)的電壓變化量，以此變化量為輸入設(shè)計(jì)了模糊控制策略表并實(shí)現(xiàn)了智能跟蹤模糊控制。實(shí)驗(yàn)證明，在該機(jī)構(gòu)的控制下，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸溫度較平穩(wěn)地保持在了額定工作狀態(tài)下的水平，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。通過與傳統(tǒng)一開一閉的氣道控制方式對(duì)比，這種基于模糊控制的無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)氣道開度自適應(yīng)機(jī)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：自主控制，反應(yīng)速度和可靠性大大增加；非線性控制平滑流暢；溫度變化和緩。由此可見，采用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸溫度控制過程的自動(dòng)化和智能化，對(duì)無人機(jī)武器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力的提高具有重大意義。

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