【摘 要】無(wú)人機(jī)在洪澇災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)、大型科學(xué)試驗(yàn)和軍事斗爭(zhēng)中發(fā)揮了重要作用，本文對(duì)基于單片機(jī)的無(wú)人機(jī)小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了闡述，該系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功能強(qiáng)大的特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】MCU 無(wú)人機(jī) 渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)

【Abstract】the drones in the flood disaster emergency monitoring， large scientific experiments and played an important role in military struggle， in this paper， the unmanned aerial vehicle （uav） small turbojet engine control system based on single chip microcomputer， the system has the characteristics of small volume， light weight， powerful.

【Keyword】MCU，Unmanned aerial vehicles，Turbojet engine

一、前言

無(wú)人機(jī)上的小型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕和推重比大等特點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)性能的性能直接影響無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)一直由液壓機(jī)械式和氣動(dòng)機(jī)械式調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)控制和飛機(jī)系統(tǒng)之間聯(lián)系的增加以及狀態(tài)監(jiān)視，故障診斷，參數(shù)顯示等功能的擴(kuò)充，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)一體化控制的水平要求不斷提高。不論是三維凸輪計(jì)算元件還是膜盒組計(jì)算元件，其所能綜合計(jì)算的參數(shù)是很有限的。在小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)控制中，采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的要求越來(lái)越重要。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管氣體溫度、渦輪轉(zhuǎn)速、控制系統(tǒng)電源電壓和遙控接收機(jī)發(fā)來(lái)的速度指令，根據(jù)控制算法產(chǎn)生控制數(shù)據(jù)，控制數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換算法產(chǎn)生控制量，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制油泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的給油量，使發(fā)動(dòng)機(jī)按給定的推力工作，以實(shí)現(xiàn)推力控制。小型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作還需要許多輔助控制系統(tǒng)，在本控制系統(tǒng)中包含有發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程控制系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱自動(dòng)保護(hù)控制系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)熄火過(guò)程控制系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)故障檢測(cè)和診斷系統(tǒng)，見(jiàn)圖1。為滿足不同發(fā)動(dòng)機(jī)的控制需要，本系統(tǒng)還有控制參數(shù)設(shè)置與保存系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程參數(shù)記錄系統(tǒng)。將來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)功能提升后，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣控制[1]。

圖1系統(tǒng)總體框圖

三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

該控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)、PWM控制電路、信號(hào)濾波及放大電路、I2C總線、狀態(tài)指示電路、參數(shù)設(shè)置與LCD顯示電路、參數(shù)記錄電路等構(gòu)成[2]，各部分連接關(guān)系如圖2所示。

（一）單片機(jī)

單片機(jī)要具有豐富的外設(shè)接口資源和足夠高的運(yùn)算速度，才可能實(shí)現(xiàn)各種功能模塊并滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求。經(jīng)過(guò)分析比較，采用了CYGNAL公司的51單片機(jī)C8051F作為控制器，該單片機(jī)具有以下特點(diǎn)：10位8通道逐次比較式ADC，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率可達(dá)100ksps。JTAG調(diào)試和邊界掃描接口，可實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)試。流水線指令結(jié)構(gòu)，最高處理速度高達(dá)25MIPS；4K字節(jié)的片上RAM和64K字節(jié)的Flash程序存儲(chǔ)器。PWM信號(hào)由PCA產(chǎn)生，PCA由一個(gè)專門的16位 C/T和5個(gè)capture/compare模塊構(gòu)成。每個(gè)模塊可獨(dú)立設(shè)置為6種操作模式之一：邊緣觸發(fā)捕獲、軟件定時(shí)器、高速輸出、頻率輸出（方波輸出）、8-bit PWM和16-bit PWM等。 由以上特點(diǎn)可以看出，C8051F單片機(jī)具有豐富的片上硬件資源及高運(yùn)算速度，這為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法提供了保障，而且?guī)缀醪恍柘到y(tǒng)擴(kuò)展即可滿足控制系統(tǒng)對(duì)硬件資源的需求，極大提高了系統(tǒng)可靠性。

圖2系統(tǒng)配置框圖

（二）PWM控制電路

控制系統(tǒng)中氣閥，點(diǎn)火器，啟動(dòng)電機(jī)和油泵電機(jī)等器件需要PWM信號(hào)來(lái)控制其工作。這些大功率器件都不能直接由單片機(jī)輸出信號(hào)直接控制。因此需要設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路以實(shí)現(xiàn)對(duì)這些器件的控制。根據(jù)各被驅(qū)動(dòng)器件的工作特點(diǎn)，合理選擇相應(yīng)參數(shù)的MOS管，使MOS管可靠地控制各器件。

（三）尾噴管溫度測(cè)量電路

尾噴管溫度最高可達(dá)1000℃，是發(fā)動(dòng)機(jī)安全、可靠工作的重要指標(biāo)。從測(cè)溫范圍、測(cè)量精度及成本等方面綜合考慮，采用了鎳鉻-鎳硅熱電偶作為測(cè)溫元件，鎳鉻-鎳硅熱電偶具有良好的線性度，能很好地滿足發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管測(cè)溫需求。關(guān)于熱電偶的冷端補(bǔ)償問(wèn)題，這里采用單片機(jī)片上溫度傳感器測(cè)得的溫度作為冷端溫度，根據(jù)中間溫度定律，E（T，0）=E（T，T0）+E（T0，0），其中E（T0，0）由所測(cè)的冷端溫度T0根據(jù)熱電勢(shì)和溫度的單值函數(shù)關(guān)系式求出，所以E（T，0）亦可求出，從而推算出熱端溫度。

（四）轉(zhuǎn)速及遙控指令測(cè)量電路

發(fā)動(dòng)機(jī)工作一周，測(cè)量電路發(fā)出兩個(gè)脈沖。由于發(fā)動(dòng)機(jī)推力控制本質(zhì)是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，所以轉(zhuǎn)速的測(cè)量精度直接關(guān)系到控制性能的優(yōu)劣。轉(zhuǎn)速由單片機(jī)的16-bit定時(shí)器T4的捕獲功能測(cè)得每個(gè)脈沖的周期而推算出來(lái)。發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作狀態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)速范圍為33000rpm～120000rpm，由此可推算出正常工作狀態(tài)時(shí)，周期范圍為909us～250us，定時(shí)器每個(gè)計(jì)數(shù)單位對(duì)應(yīng)的時(shí)間值為1/18.432M = 0.054us（晶振采用18.432M），且周期時(shí)間不會(huì)超過(guò)16-bit定時(shí)器的溢出周期。所以既可達(dá)到足夠高的測(cè)量精度。發(fā)動(dòng)機(jī)速度指令是通過(guò)遙控接收機(jī)的一個(gè)通道發(fā)送給單片機(jī)的。速度指令脈沖的脈寬對(duì)應(yīng)不同的期望轉(zhuǎn)速，并通過(guò)16-bit定時(shí)器T2實(shí)現(xiàn)測(cè)量。

（五）I2C總線和UART總線

系統(tǒng)中的狀態(tài)指示電路、LCD顯示電路、參數(shù)記錄電路和鍵盤掃描電路等功能模塊采用I2C總線結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)和指令交換。I2C總線有以下特點(diǎn)：只需要兩條線，SDA數(shù)據(jù)線和SCL時(shí)鐘線；掛在總線上的各個(gè)器件都通過(guò)軟件尋址，且總存在主/從關(guān)系，當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)主方同時(shí)發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，可進(jìn)行沖突檢測(cè)及仲裁；數(shù)據(jù)傳輸率最高可達(dá)到400kbits/s。I2C總線作為一種流行的通用總線，有豐富的功能器件支持，擴(kuò)展的功能器件可方便的接到總線上，為系統(tǒng)擴(kuò)展提供極大方便。為實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展的需要，也將片上的兩個(gè)UART接口通過(guò)接口芯片接出來(lái)，以便于與PC機(jī)或其它設(shè)備通訊。

（六）LCD顯示及參數(shù)設(shè)置

根據(jù)參數(shù)顯示的要求，LCD顯示選用了主控制驅(qū)動(dòng)電路為HD44780的16字符×2行的5×8點(diǎn)陣液晶顯示器，此顯示器是通過(guò)并行口與外部控制器連接的，采用了PCF8574 I2C-并口轉(zhuǎn)換芯片將其與系統(tǒng)相連。為了省去由單片機(jī)專門提供LCD的讀寫控制信號(hào)和使能信號(hào)等，利用所發(fā)送數(shù)據(jù)的低三位提供控制和使能信號(hào)，高半字節(jié)為向LCD發(fā)送的指令或數(shù)據(jù)?？刂葡到y(tǒng)的狀態(tài)和參數(shù)顯示或修改通過(guò)6個(gè)功能菜單實(shí)現(xiàn)，其中四個(gè)菜單可通過(guò)快捷鍵直接進(jìn)入，而所有菜單都可通過(guò)菜單選擇鍵（MENU+或MENU-）進(jìn)入。參數(shù)設(shè)定盒上的10個(gè)按鍵通過(guò)一塊PCF8574芯片，構(gòu)成矩陣鍵盤來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并通過(guò)反轉(zhuǎn)法只通過(guò)兩次掃描讀數(shù)既可識(shí)別按鍵。此參數(shù)盒也通過(guò)I2C總線與系統(tǒng)連接。

四、控制系統(tǒng)軟件

控制軟件需要完成的任務(wù)包括：數(shù)據(jù)檢測(cè)（包括4路A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)速和速度指令測(cè)量等）、鍵盤掃描，LCD顯示，參數(shù)記憶與提取，控制算法和4路PWM輸出等。

（一）主程序

主程序首先要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、MCU端口初始化、中斷設(shè)置及學(xué)習(xí)速度指令（包括關(guān)閉，怠速，和大車狀態(tài)）等，并從參數(shù)記憶器件中提取發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和正常工作狀態(tài)中需要的參數(shù)等。 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入啟動(dòng)過(guò)程后根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)油量曲線，控制啟動(dòng)電機(jī)、可燃?xì)怏w及油泵電機(jī)的供油量等，使發(fā)動(dòng)機(jī)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。完成啟動(dòng)過(guò)程后，主程序進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)，主要完成參數(shù)檢測(cè)及狀態(tài)顯示等，直到發(fā)出關(guān)閉指令為止。

（二）中斷控制

控制軟件要實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)，在單片機(jī)中嵌入實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS），可以簡(jiǎn)化多任務(wù)的調(diào)度管理和軟件設(shè)計(jì)過(guò)程。控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，需要操作系統(tǒng)支持任務(wù)搶占來(lái)保證。KEIL C自帶的RTX51 TINY僅支持循環(huán)任務(wù)切換，其它操作系統(tǒng)涉及移植，開銷等方面的問(wèn)題，所以未采用操作系統(tǒng)。對(duì)各任務(wù)的調(diào)度和管理，以及重要任務(wù)的實(shí)時(shí)執(zhí)行，就需要各個(gè)中斷精確規(guī)劃和彼此協(xié)調(diào)來(lái)保證?？刂栖浖泄灿玫?個(gè)中斷，包括INT1外部中斷，T0中斷，UART0中斷，T4中斷，I2C總線中斷，IE6擴(kuò)展外部中斷，A/D轉(zhuǎn)換完成中斷等。其功能特點(diǎn)是：

1、INT1中斷，主要發(fā)出發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)或停止指令，由外部開關(guān)觸發(fā)。

2、T0定時(shí)器中斷完成系統(tǒng)采樣周期的定時(shí)。

3、UART0中斷，用來(lái)實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的數(shù)據(jù)通訊。

4、T4定時(shí)器中斷，用來(lái)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

5、I2C總線中斷，實(shí)現(xiàn)總線協(xié)議，并完成數(shù)據(jù)傳送。

6、IE6 外部中斷，T2定時(shí)器記錄速度指令脈沖的下降沿時(shí)刻，上升沿時(shí)觸發(fā)此中斷并讀取此時(shí)T2的數(shù)據(jù)，兩者相減可獲取速度指令脈寬。

7、A/D 轉(zhuǎn)換完成中斷用于發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的尾噴管溫度測(cè)量（EGT），起動(dòng)過(guò)程中EGT是一個(gè)重要的參數(shù)依據(jù)。

并不是每個(gè)中斷都自始至終發(fā)揮作用，而是在不同階段，有些中斷使能，其余禁止，且同一中斷在發(fā)動(dòng)機(jī)工作的不同狀態(tài)其優(yōu)先級(jí)也會(huì)不同。IE6外部中斷在速度指令脈寬學(xué)習(xí)和正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)都為高級(jí)中斷，而在啟動(dòng)過(guò)程中則為低級(jí)中斷。T0作為采樣周期，在正常工作狀態(tài)時(shí)要求準(zhǔn)確的定時(shí)，所以也設(shè)置為高級(jí)中斷，當(dāng)與IE6高級(jí)中斷同時(shí)觸發(fā)時(shí)，因其默認(rèn)優(yōu)先級(jí)更高，所以先執(zhí)行T0中斷。另一種情況是當(dāng)T0中斷觸發(fā)時(shí)，IE6中斷已經(jīng)執(zhí)行，此中斷只有三條C指令，且為賦值和減法指令，最大延遲為幾十uS，所以對(duì)T0的實(shí)時(shí)性影響可以忽略。通過(guò)以上靈活的中斷設(shè)置與協(xié)調(diào)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)的調(diào)度管理。

（三）PID 控制算法

控制算法在T0中斷程序中完成。按照比例、積分和微分進(jìn)行控制的PID控制器是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，PID控制與計(jì)算機(jī)的邏輯判斷和運(yùn)算功能結(jié)合起來(lái)，使PID控制更加靈活，并能滿足各種要求。在算法中將積分項(xiàng)改進(jìn)，采用積分分離式PID算法，以使控制性能更加完善，采樣周期為20ms。

五、系統(tǒng)仿真

（一）數(shù)學(xué)仿真

數(shù)學(xué)仿真結(jié)構(gòu)所取控制對(duì)象為時(shí)間常數(shù)為470ms的一階環(huán)節(jié)。采樣周期20ms時(shí)，Kp = 1， Ki = 0.023， Kd = 0.199時(shí)，得到動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。

圖3數(shù)學(xué)仿真結(jié)構(gòu)框圖

（二）半實(shí)物仿真

單片機(jī)輸出的燃油泵PWM控制信號(hào)首先經(jīng)過(guò)有源二階濾波器，進(jìn)行濾波后近似為脈動(dòng)很小的直流電壓信號(hào)，此信號(hào)對(duì)應(yīng)于原系統(tǒng)的供油量。此信號(hào)加到一個(gè)RC構(gòu)成的一階環(huán)節(jié)上，此環(huán)節(jié)近似認(rèn)為是渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)物模型，時(shí)間常數(shù)T設(shè)置為470ms。一階對(duì)象的輸出電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)于渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D采樣后，根據(jù)此電壓值的大小，可編程計(jì)數(shù)陣列的通道0（CEX0）工作在高速輸出方式下（HSO）并產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的速度方波信號(hào)。速度方波信號(hào)通過(guò)速度測(cè)量通道進(jìn)行速度測(cè)量，并作為PID控制算法中的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速。遙控速度指令脈沖通過(guò)波形發(fā)生器模擬產(chǎn)生。取Kp = 1，Ki = 0.023，Kd = 0.199時(shí)，速度指令從40000RPM變?yōu)?0000RPM時(shí)[3]。

六、與發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)調(diào)

控制系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)后，進(jìn)行了點(diǎn)火和轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。當(dāng)速度指令控制桿從73500RPM推到83000RPM時(shí)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于控制算法中用到的模型參數(shù)與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)模型有一定出入，而且比例增益取值較小，積分環(huán)節(jié)在半實(shí)物仿真中經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，但在實(shí)際系統(tǒng)中尚未加入，這些因素導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)誤差相對(duì)較大，需要進(jìn)一步逼進(jìn)模型和整定參數(shù)，以達(dá)到較好的動(dòng)態(tài)穩(wěn)態(tài)控制品質(zhì)。

七、結(jié)論

本論文討論的小型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)集傳感器、作動(dòng)器和控制計(jì)算機(jī)于一體，具有體積小、重量輕、功能強(qiáng)大的特點(diǎn)。渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)控制數(shù)字化是發(fā)動(dòng)機(jī)性能提高的必然要求和發(fā)展趨勢(shì)。該控制系統(tǒng)在這個(gè)發(fā)展潮流中做了積極深入的探索。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的進(jìn)步和完善不僅需要硬件上穩(wěn)定可靠，同時(shí)建立在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)模型的認(rèn)識(shí)準(zhǔn)確度基礎(chǔ)上。要更準(zhǔn)確的獲取發(fā)動(dòng)機(jī)的模型參數(shù)，則需要通過(guò)控制器的智能化，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各種工況下的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量、記錄，用系統(tǒng)辨識(shí)理論分析解算出模型參數(shù)，以調(diào)整控制參數(shù)更加合理，發(fā)動(dòng)機(jī)性能更加可靠、高效和完善。

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作者簡(jiǎn)介：

任常斌，（1983，6-），男，山西臨汾，工程師，在讀碩士，研究方向：探測(cè)、制導(dǎo)與控制技術(shù)。