基于快速原型化的小型渦噴發動機起動過程控制

王燦森,李睿超,趙萬里,徐建強,郭迎清

(西北工業大學 動力與能源學院,陜西 西安 710129)

航空發動機的起動過程是指燃氣發生器轉子轉速從零加速到地面慢車轉速的過程[1]。由于其過程具有強非線性且涉及執行機構眾多,因此需要設計合適的控制規律,從而確保其起動過程安全可靠。為了快速驗證起動控制算法,本文使用快速控制原型化(Rapid Control Prototype,RCP)技術和智能節點技術加快算法驗證。

RCP技術是一種快速開發并驗證算法的手段,是將控制算法由理論推向實際應用的重要步驟。構建發動機起動過程控制算法快速原型化試驗系統,可模擬真實控制器在起動過程中的控制效果,縮短發動機控制系統研發周期。盡管RCP技術是在開發階段快速驗證控制算法可靠性的重要手段,但航空發動機起動過程快速原型化仿真卻還處于初級階段。陸軍等[2]開展了基于快速原型化的數控系統實時仿真平臺研制;郭迎清等[3]基于快速原型方法構建了民用渦扇發動機的硬件實時仿真平臺;呂升等[4]以DSP為故障診斷裝置搭建了故障診斷硬件在環實時仿真平臺,該硬件在回路仿真平臺具有普遍性,但缺點是發動機為工控機而非真實發動機。Speedgoat實時目標機具有優異的運算性能和開發環境支持,能夠快速開發控制算法并進行驗證[5-6],是部署RCP技術的有力工具。

智能節點具有模塊化和余度管理等優點,國內外針對智能節點研制已經取得了顯著的成果[7]。徐科等[8]基于DSP設計了智能轉速傳感器;陳義峰等[9]對智能節點進行架構設計,提高了智能節點的模塊化功能;李睿超[10]搭建了基于TTCAN協議的智能節點,并進行了硬件在回路仿真,驗證了智能節點的有效性。智能節點大幅降低了電子控制器的計算負擔,使開發者專注控制算法開發,可實現控制架構的模塊化設計。

筆者以60 kg級小型渦噴發動機為研究對象,采用Speedgoat實時目標機作為電子控制器,以STM32為核心設計執行機構智能節點,驅動底層執行機構工作,搭建了快速原型化實物試驗系統,基于自動代碼生成技術,設計了一種起動過程控制規律,并對控制規律進行了快速原型驗證。

1 總體架構及功能

快速原型試驗系統由1臺商用臺式機、1臺Speedgoat Mobile實時目標機和1塊STM32開發板組成。該試驗系統總體架構如圖1所示,實物圖如圖2所示。其中,商用臺式機用于開發控制算法并部署到實時目標機中;實時目標機作為電子控制器,完成控制邏輯運算;STM32作為智能節點核心,驅動底層執行機構工作。具體介紹如下。

圖1 快速原型試驗系統總體架構

圖2 試驗系統實物

① 商用臺式機:用于主工作站,在前期設計階段,主工作站完成起動過程控制算法設計、總線通信方案設計及驗證、Simulink Real-Time操作系統的配置與啟動;在試驗過程中,部署電子控制器程序到實時目標機中,并實時顯示發動機參數;在試驗結束后,對試驗數據進行后期處理。

② 一臺Speedgoat Mobile實時目標機:用于完成控制算法解算。電子控制器在試驗過程中發出燃油指令,通過RS422總線,與智能節點進行數據交互,發送指令。同時采集發動機傳感器信號,將傳感器信號通過網線/交換線發送到主工作站進行顯示。

③ 一塊STM32開發板:用作智能節點,智能節點通過RS422總線與電子控制器進行數據通信,接收電子控制器指令,驅動執行機構,從而使開發者專注控制算法開發,而不必關注底層實現,可實現控制架構的模塊化設計。

各組成模塊間通信方式如下:臺式商用機和實時目標機之間采用網線/交換線連接,通過TCP/IP協議實現控制器程序下載、數據實時交互;實時目標機與智能節點之間采用RS422總線連接,通過Modbus協議實現信息交互。

2 控制系統硬件設計

2.1 電子控制器硬件設計

Speedgoat實時目標機內嵌MathWorks實時操作系統,可搭配Simulink Real-Time進行實時仿真和測試。本文所使用的Speedgoat Mobile實時目標機配備了FPGA板卡、模擬信號調理板卡、PWM生成與捕獲板卡和溫度信號采集板卡,具體介紹如下。

① FPGA板卡:本文使用的FPGA板卡型號為IO333-325k。該板卡屬于Kintex 7系列FPGA,具有325 000個邏輯單元,閉環采樣率可達10 MHz,可隨時在Simulink開發環境中設計算法并通過FPGA HDL Coder自動生成技術生成位流文件。同時,其具有很高的靈活性,并且采用并行運算,從而大幅降低了CPU計算負擔。

② 模擬信號調理板卡:本文使用的模擬信號調理板卡是IO333-325k-6板卡。該板卡通過前端插件連接到FPGA板卡上,具有16路16位的500 kHz A/D轉換通道、8路建立時間為10 μs的16位D/A 轉換通道。該板卡主要用于采集傳感器模擬信號。

③ PWM生成與捕獲板卡:本文使用的PWM生成及捕獲板卡是IO333-325k-21板卡。該板卡通過后部I/O口經電平轉換后連接到FPGA板卡上,提供56路TTL電平I/O口,用戶可靈活配置輸出。該板卡主要用于輸出PWM波和捕獲轉速傳感器產生的PWM波。

④ 溫度信號采集板卡:本文使用的溫度信號采集板卡是IO171板卡。該板卡可以采集熱電偶、RTD和應變片溫度信號,冷端補償在專用接線盒內進行,熱電偶轉換時間為22 ms。該板卡用于采集熱電偶傳感器信號。

2.2 智能節點硬件設計

本文采用STM32F103芯片作為智能節點的主芯片。STM32F103芯片具有ARM 32位Cortex-M3內核,主頻為72 MHz,具有112個I/O端口,通過RS422收發器SN65HVD74D芯片可實現總線通信功能。智能節點硬件結構如圖3所示。

圖3 智能節點硬件結構

STM32F103芯片產生兩路數字信號,經過IRS44262芯片和IRL2705功率場效應管組成的驅動電路后,輸出12 V直流電壓驅動輔助油路電磁閥和主油路電磁閥。

STM32F103芯片產生兩路PWM波,經過IRS44262芯片+IRF3205功率場效應管組成的驅動電路后,輸出12 V直流電壓驅動熱火頭和起電機。

3 控制系統軟件實現

3.1 電子控制器軟件實現

在起動過程中,電子控制器應保證發動機不熄火、不超溫,可平穩過渡到慢車狀態[11]。航空發動機起動規律主要分為兩種:一種是按照油氣比或轉速變化的開環控制規律[12];另一種是基于轉子加速度的閉環控制規律[13]。

本文采用第一種控制規律,控制邏輯如圖4所示。起動開始時,熱火頭先進行燃燒室預熱,預熱結束后啟動起電機、開啟輔助油路,恒定供油;當轉速到達3 000 r/min時,關閉起電機,防止燃燒室熄火;當溫度達到150 ℃時,關閉熱火頭,啟動電機,按照控制規律增加燃油;當轉速達到6 000 r/min時,開啟熱火頭,使燃燒室充分燃燒;當轉速達到8 000 r/min時,開啟主油路,關閉熱火頭,增加燃油小階躍,防止燃燒室熄火;當轉速繼續上升到12 000 r/min時,關閉起電機和輔助油路,按照控制規律增加燃油至慢車狀態。同時,為了保證燃燒室不超溫,起動過程對溫度進行全程監測,當溫度超過限制值時,降低燃油流量。

圖4 起動過程控制邏輯

在Simulink環境下利用Stateflow圖實現電子控制器控制邏輯,搭建硬件模塊,如圖5所示。各模塊含義及功能如下。

圖5 用于生成控制器代碼的Simulink模型

① Speedgoat IO333-325k Setup v3模塊:IO333-325k FPGA板卡用于初始化模型,包含FPGA HDL Coder自動代碼生成的位流文件。

② AnalogIn模塊:模擬信號調理模塊,用于采集流量傳感器和推力傳感器信號。

③ Stateflow模塊:控制算法實現模塊,通過transmit函數發送Modbus消息幀。

④ Fuel_PWM模塊:燃油指令輸出模塊,用于輸出占空比不同的PWM波。

⑤ Capture_N模塊:CAP捕獲模塊,用于捕獲轉速傳感器PWM波。本文使用測周法測量發動機轉速。

⑥ Capture_T模塊:溫度信號采集模塊,用于測量渦輪后溫度。

⑦ ModbusRe模塊:接收Modbus消息幀,用于判斷實時目標機和智能節點是否正常通信。

搭建完模型后,使用自動代碼生成技術將電子控制器算法生成電子控制器可執行程序,并編譯、生成可以在實時內核系統中運行的可執行程序。

3.2 智能節點軟件實現

智能節點除了可產生底層驅動信號外,最重要的功能是通過RS422總線與目標機進行通信。Modbus協議是RS422總線的上層協議,數據信號采用差分傳輸方式,可以有效地解決共模干擾問題,最大距離可達1 200 m,并且允許多個收發設備接到同一條總線上[14]。本文采用的是Modbus-RTU通信協議。由主機向從機發送的信息幀如表1所示。

表1 Modbus幀格式

信息幀由5個部分組成,其中地址碼是信息幀的第一個字節,代表了從機地址,只有符合地址碼的從機才能接收由主機發送的消息;功能碼代表從機需要執行的動作,例如讀線圈位置、讀寫寄存器等;數據地址代表數據寫入的地址;數據段因不同的功能碼和從機而不同,在本文中表示由主機需要寫入從機寄存器地址中的數據;CRC校驗由主機計算,放置于發送消息的尾部,接收消息的從機重新計算接收到的信息的CRC碼,比較計算得到的CRC碼是否與接收到的CRC碼一致,如果不相符,則表明出錯。

根據Modbus協議,在Keil MDK開發環境下搭建模型,其狀態圖如圖6所示。

圖6 Modbus狀態圖

4 試驗驗證

在搭建好圖2所示的快速原型實時試驗系統后,接下來的工作流程如下。

① 配置實時目標機和模型環境參數。主要包括實時目標機網口、自動代碼生成類型和需要監測的數據信號等。

② 調試各模塊是否正常工作。主要包括:是否能正常采集轉速信號、溫度信號和智能節點是否能正常通信、油泵能否正常輸出等。

③ 調試完畢后,進行快速原型實時試驗。在上位機部署控制算法到實時目標機中進行試驗,使用仿真數據檢查器(Simulation Data Inspector,SDI)觀測、保存數據。

通過試驗,起動過程中發動機參數變化如圖7所示。從圖7中可以看出轉速平穩過渡到慢車狀態。在起動過程中按照控制規律2次關閉起電機,造成了轉速下降現象。

圖7 發動機起動過程參數

為了保證打開主油路時燃燒室富油熄火,在24 s時再次打開熱火頭,因此溫度呈“階躍式”上升,28 s時,熱火頭關閉,溫度下降。在整個起動過程中,發動機沒有出現超溫的情況,控制性能良好。

5 結束語

本文基于工業測控設備和嵌入式設備,搭建了快速原型試驗系統。用Speedgoat Mobile實時目標機作為電子控制器,以STM32為核心設計了執行機構智能節點,驅動底層執行機構工作。采用Modbus協議實現與電子控制器的實時交互。基于自動代碼生成技術設計了一種起動過程控制規律,生成嵌入式設備可執行程序,實現控制算法的快速原型化,避免了手工編寫代碼帶來的邏輯漏洞。對起動過程控制算法進行試驗。試驗結果表明:電子控制器和智能節點通信正常,工作可靠穩定,起動過程平穩迅速、不熄火、不超溫、不超轉。所搭建的快速原型化試驗系統驗證了起動過程控制算法的有效性。圖形化的編程方式提高了開發效率,縮短了控制算法研發周期,為穩態及過渡態控制規律奠定了基礎。