魚雷活塞式凸輪發動機的智能控制設計

張在炳

(中國人民解放軍91640部隊, 廣東 湛江 524064)

引言

魚雷發動機是推動魚雷在水下航行的動力裝置，魚雷發動機是魚雷的主要動力系統，這是一種外燃活塞式凸輪發動機，采用轉閥配氣方法進行動力驅動，將魚雷燃料在燃燒室中進行充分燃燒，使用互鎖閥驅動發動機的動力裝置，將燃料燃燒產生的高溫高熱燃氣作為動力驅動工質，實現魚雷動力驅動[1]。魚雷發動機作為一種活塞式的凸輪發動機，在轉閥配氣和螺旋槳驅動過程中，需要進行發動機的優化動力控制，結合智能控制技術，提高發動機的輸出動力和功率，確保魚雷的穩定運行，研究凸輪發動機的智能控制技術，在魚雷動力系統設計中具有很好的應用價值。

魚雷活塞式凸輪發動機的轉閥和互鎖閥是控制魚雷發動機燃油進出油量的重要裝置，在魚雷發動機喘振放空閥瞬間產生進油指令，對發動機控制的基礎是進行互鎖閥轉閥控制，結合正反向的旋轉雙軸控制方法，將燃氣熱能轉變為驅動螺旋槳轉動的機械功，并帶動海水泵和燃料泵及發動機工作[2]。為了改善活塞式凸輪發動機工況，提高活塞式凸輪發動機的工作效率，本文提出一種基于正反向旋轉雙軸輸出控制的魚雷活塞式凸輪發動機的智能控制方法。首先構造魚雷活塞式凸輪發動機控制約束參量模型，發動機采用轉閥配齊方法進行燃氣熱能驅動控制，然后采用錐形滾動軸承轉動調節方法進行凸輪發動機的運轉工質調節，采用正反向旋轉雙軸輸出調節方法提高發動機驅動機械功，結合單片機進行魚雷活塞式凸輪發動機的計算機智能控制，最后進行仿真測試，展示了本文方法在提高發動機智能控制能力方面的優越性。

1 發動機的工作原理和結構組成

本文研究的某型魚雷動力系統所用的發動機采用活塞式凸輪機，采用轉閥配氣進行發動機的燃料調節，采用正反雙向旋轉雙軸輸出方法進行發動機的工質輸出控制，發動機的燃燒室安裝在隔板組件上，將內裝的固體藥柱燃燒產生的初始燃氣作為發動機的啟動工質，將魚雷燃料燃燒產生的高溫高壓燃氣作為發動機連續運轉的工質。發動機的功能是將燃料燃燒生成的高溫高壓燃氣熱能連續不斷地轉變為驅動螺旋槳旋轉的機械功，并帶動海水泵和燃料泵及發電機工作[3]。

發動機由帶動前螺旋槳轉動的外軸組件和帶動后螺旋槳轉動的內軸組件兩大部分組成，內、外軸組件前段與軸承相連，采用離心式轉動控制方法，進行讓發動機的錐形滾動軸承接觸控制，提高發動機的轉動驅動控制能力。發動機的配流部分在泵的中部，配流閥通過流盤、配流環進行泵軸轉動控制，燃料在一定的壓力作用下，經過配流閥進入柱塞孔內，泵軸繼續旋轉，使油缸配流窗口和動力輸出區域連通，燃料泵的工況預先設定好，并通過單向閥輸送到燃燒室做功[4]，根據上述原理，進行魚雷活塞式凸輪發動機的優化控制設計。

2 被控對象描述及凸輪發動機控制律優化

2.1 被控對象描述

首先構建活塞式凸輪發動機控制總體結構模型，活塞式凸輪發動機控制建立在燃料泵的配流分析和控制約束參量特征分析基礎上，采用加速度計和磁力閥進行活塞式凸輪發動機的流量調節和燃燒室做功調節，采用時滯跟蹤補償模型構建活塞式凸輪發動機控制的約束參量模型[5]，得到活塞式凸輪發動機擾動控制的被控對象模型如圖1所示。

圖1 活塞式凸輪發動機擾動控制的被控對象模型

Fig.1Controlledobjectmodelfordisturbancecontrolofpistoncamengine

在圖1所示的活塞式凸輪發動機擾動控制對象模型中，采用自適應線性抗擾動方法建立發動機控制的慣性約束模型描述為：

(1)

其中，f1(s)和f2(s)表示發動機的工質輸出飽和項和時滯項，采用積分補償方法，得到時滯控制對象模型描述為：

(2)

研究中，根據執行機構的做功性能，結合模糊控制方法進行活塞式凸輪發動機控制的輸出功率調節[6]，得到發動機的動力輸出函數為：

(3)

其中，C1(s)為配流控制約束項，C2(s)為配流環的擾動函數。

進一步弱化飽和對系統的影響，對活塞式凸輪發動機的擾動項進行自適應加權學習[7]，得到活塞式凸輪發動機的動力學特征參量為：

(4)

由此構建活塞式凸輪發動機控制對象模型，在外變干擾下采用模糊約束方法進行活塞式凸輪發動機的耦合處理，實現燃料泵的流量控制。

2.2 控制約束參量分析及控制算法

為了實現對魚雷活塞式凸輪發動機的自動控制設計，需要分析魚雷活塞式凸輪發動機控制輸入輸出關系模型，假設G0(s)e-τs是魚雷發動機的功率傳遞函數，Gc(s)是燃料輸出的密度，Y(s)與e-tms是海水泵的動力輸出和時滯變量。當發動機的電磁閥的特征量滿足Gm(s)=G0(s)，tm=τ，凸輪式發動機的電磁閥的節氣門反饋傳遞函數為：

H(s)+Y(s)=Gm(s)U(s)

(5)

采用Laplace變換進行活塞式凸輪發動機自抗擾控制[8]，發動機外軸的動力輸出表示為：

(6)

(7)

根據上述控制算法設計，采用錐形滾動軸承轉動調節方法進行凸輪發動機的運轉工質調節，采用正反向旋轉雙軸輸出調節方法提高發動機驅動機械功，實現發動機的控制算法優化設計[9]。

3 發動機智能控制設計

在構造魚雷活塞式凸輪發動機控制約束參量模型和發動機的結構特征分析的基礎上，進行發動機控制模型的優化設計，本文提出一種基于正反向旋轉雙軸輸出控制的魚雷活塞式凸輪發動機的智能控制方法。采用正反向旋轉雙軸輸出調節方法提高發動機驅動機械功，結合單片機進行魚雷活塞式凸輪發動機的計算機智能控制，本文設計的魚雷活塞式凸輪發動機智能控制系統由發動機控制信息調制解調模塊、上位機通信模塊、數據采集模塊、活塞式凸輪發動機控制設備的嵌入式控制模塊和人機交互模塊組成，提取反映活塞式凸輪發動機控制信息的頻譜特征，實現活塞式凸輪發動機控制信息的多通道信息融合，采用嵌入式技術進行發動機的控制系統開發[10]，使用51單片機進行魚雷活塞式凸輪發動機的計算機智能控制，以ADI公司的ADSP21160處理器系統作為核心控制器，對各個功能模塊的設計描述如下。

(1)活塞式凸輪發動機總線控制模塊。活塞式凸輪發動機總線控制模塊是實現發動機的實時數據采集功能，采用16位DSP進行傳感信息處理，采用20條左右的單周期指令進行多線程控制，得到活塞式凸輪發動機總線控制模塊電路如圖2所示。

(2)活塞式凸輪發動機的嵌入式控制模塊。活塞式凸輪發動機的嵌入式控制模塊是動力系統的核心，采用PCI9054的LOCAL 總線進行控制程序加載，采用ZigBee技術進行活塞式凸輪發動機控制時鐘采樣，采用 8 位和 16 位單片機微控制器進行魚雷活塞式凸輪發動機的智能控制，控制模塊電路設計如圖3所示。

(3)活塞式凸輪發動機控制調制解調模塊。調制解調模塊采用AD公司的AD9225芯片設計，根據活塞式凸輪發動機控制的AD采樣需求，采用正反向旋轉雙軸輸出調節方法提高發動機驅動機械功，結合單片機進行魚雷活塞式凸輪發動機的計算機智能控制，采用并行外設接口進行人機交互設計，根據上述設計描述，得到活塞式凸輪發動機控制信息的調制解調模塊的電路設計如圖4所示。

綜上分析，結合單片機進行魚雷活塞式凸輪發動機的計算機智能控制，提高魚雷活塞式凸輪發動機輸出增益，實現對魚雷活塞式凸輪發動機的智能控制設計。

圖3 活塞式凸輪發動機的嵌入式控制模塊電路

圖4 活塞式凸輪發動機控制調制解調模塊設計

Fig.4Designofcontrolmodulationanddemodulationmoduleforpistoncamengine

4 仿真實驗與結果分析

圖5 發動機的控制增益輸出

分析圖5得知，采用本文方法進行魚雷活塞式凸輪發動機控制的增益較高，發動機的燃料工質效率較高，提高了魚雷發動機的輸出穩定性，測試不同方法進行發動機控制的收斂曲線，如圖6所示。分析圖6得知，本文方法進行魚雷活塞式凸輪發動機控制的收斂性較好，魯棒性較高。

圖6 控制收斂曲線對比

5 結束語

魚雷發動機是一種活塞式的凸輪發動機，在轉閥配氣和螺旋槳驅動過程中，需要進行發動機的優化動力控制，結合智能控制技術，提高發動機的輸出動力和功率，確保魚雷的穩定運行。本文提出一種基于正反向旋轉雙軸輸出控制的魚雷活塞式凸輪發動機的智能控制方法。構造魚雷活塞式凸輪發動機控制約束參量模型，采用錐形滾動軸承轉動調節方法進行凸輪發動機的運轉工質調節，采用正反向旋轉雙軸輸出調節方法提高發動機驅動機械功，結合單片機進行魚雷活塞式凸輪發動機的計算機智能控制，進行控制系統的硬件設計開發。測試表明，本文設計的發動機控制系統具有較高的控制增益，提高了魚雷發動機的動力輸出穩定性和魯棒性。