王燦森,李睿超,趙萬里,徐建強,郭迎清

(西北工業(yè)大學(xué) 動力與能源學(xué)院,陜西 西安 710129)

航空發(fā)動機的起動過程是指燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速從零加速到地面慢車轉(zhuǎn)速的過程[1]。由于其過程具有強非線性且涉及執(zhí)行機構(gòu)眾多,因此需要設(shè)計合適的控制規(guī)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(shù)和智能節(jié)點技術(shù)加快算法驗證。

RCP技術(shù)是一種快速開發(fā)并驗證算法的手段,是將控制算法由理論推向?qū)嶋H應(yīng)用的重要步驟。構(gòu)建發(fā)動機起動過程控制算法快速原型化試驗系統(tǒng),可模擬真實控制器在起動過程中的控制效果,縮短發(fā)動機控制系統(tǒng)研發(fā)周期。盡管RCP技術(shù)是在開發(fā)階段快速驗證控制算法可靠性的重要手段,但航空發(fā)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(shù)控系統(tǒng)實時仿真平臺研制;郭迎清等[3]基于快速原型方法構(gòu)建了民用渦扇發(fā)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(huán)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(fā)動機為工控機而非真實發(fā)動機。Speedgoat實時目標(biāo)機具有優(yōu)異的運算性能和開發(fā)環(huán)境支持,能夠快速開發(fā)控制算法并進(jìn)行驗證[5-6],是部署RCP技術(shù)的有力工具。

智能節(jié)點具有模塊化和余度管理等優(yōu)點,國內(nèi)外針對智能節(jié)點研制已經(jīng)取得了顯著的成果[7]。徐科等[8]基于DSP設(shè)計了智能轉(zhuǎn)速傳感器;陳義峰等[9]對智能節(jié)點進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計,提高了智能節(jié)點的模塊化功能;李睿超[10]搭建了基于TTCAN協(xié)議的智能節(jié)點,并進(jìn)行了硬件在回路仿真,驗證了智能節(jié)點的有效性。智能節(jié)點大幅降低了電子控制器的計算負(fù)擔(dān),使開發(fā)者專注控制算法開發(fā),可實現(xiàn)控制架構(gòu)的模塊化設(shè)計。

筆者以60 kg級小型渦噴發(fā)動機為研究對象,采用Speedgoat實時目標(biāo)機作為電子控制器,以STM32為核心設(shè)計執(zhí)行機構(gòu)智能節(jié)點,驅(qū)動底層執(zhí)行機構(gòu)工作,搭建了快速原型化實物試驗系統(tǒng),基于自動代碼生成技術(shù),設(shè)計了一種起動過程控制規(guī)律,并對控制規(guī)律進(jìn)行了快速原型驗證。

1 總體架構(gòu)及功能

快速原型試驗系統(tǒng)由1臺商用臺式機、1臺Speedgoat Mobile實時目標(biāo)機和1塊STM32開發(fā)板組成。該試驗系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示,實物圖如圖2所示。其中,商用臺式機用于開發(fā)控制算法并部署到實時目標(biāo)機中;實時目標(biāo)機作為電子控制器,完成控制邏輯運算;STM32作為智能節(jié)點核心,驅(qū)動底層執(zhí)行機構(gòu)工作。具體介紹如下。

圖1 快速原型試驗系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖2 試驗系統(tǒng)實物

① 商用臺式機:用于主工作站,在前期設(shè)計階段,主工作站完成起動過程控制算法設(shè)計、總線通信方案設(shè)計及驗證、Simulink Real-Time操作系統(tǒng)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(biāo)機中,并實時顯示發(fā)動機參數(shù);在試驗結(jié)束后,對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理。

② 一臺Speedgoat Mobile實時目標(biāo)機:用于完成控制算法解算。電子控制器在試驗過程中發(fā)出燃油指令,通過RS422總線,與智能節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,發(fā)送指令。同時采集發(fā)動機傳感器信號,將傳感器信號通過網(wǎng)線/交換線發(fā)送到主工作站進(jìn)行顯示。

③ 一塊STM32開發(fā)板:用作智能節(jié)點,智能節(jié)點通過RS422總線與電子控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,接收電子控制器指令,驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu),從而使開發(fā)者專注控制算法開發(fā),而不必關(guān)注底層實現(xiàn),可實現(xiàn)控制架構(gòu)的模塊化設(shè)計。

各組成模塊間通信方式如下:臺式商用機和實時目標(biāo)機之間采用網(wǎng)線/交換線連接,通過TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)控制器程序下載、數(shù)據(jù)實時交互;實時目標(biāo)機與智能節(jié)點之間采用RS422總線連接,通過Modbus協(xié)議實現(xiàn)信息交互。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 電子控制器硬件設(shè)計

Speedgoat實時目標(biāo)機內(nèi)嵌MathWorks實時操作系統(tǒng),可搭配Simulink Real-Time進(jìn)行實時仿真和測試。本文所使用的Speedgoat Mobile實時目標(biāo)機配備了FPGA板卡、模擬信號調(diào)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(huán)采樣率可達(dá)10 MHz,可隨時在Simulink開發(fā)環(huán)境中設(shè)計算法并通過FPGA HDL Coder自動生成技術(shù)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(fù)擔(dān)。

② 模擬信號調(diào)理板卡:本文使用的模擬信號調(diào)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(zhuǎn)換通道、8路建立時間為10 μs的16位D/A 轉(zhuǎn)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(jīng)電平轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速傳感器產(chǎn)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(yīng)變片溫度信號,冷端補償在專用接線盒內(nèi)進(jìn)行,熱電偶轉(zhuǎn)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(jié)點硬件設(shè)計

本文采用STM32F103芯片作為智能節(jié)點的主芯片。STM32F103芯片具有ARM 32位Cortex-M3內(nèi)核,主頻為72 MHz,具有112個I/O端口,通過RS422收發(fā)器SN65HVD74D芯片可實現(xiàn)總線通信功能。智能節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 智能節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

STM32F103芯片產(chǎn)生兩路數(shù)字信號,經(jīng)過IRS44262芯片和IRL2705功率場效應(yīng)管組成的驅(qū)動電路后,輸出12 V直流電壓驅(qū)動輔助油路電磁閥和主油路電磁閥。

STM32F103芯片產(chǎn)生兩路PWM波,經(jīng)過IRS44262芯片+IRF3205功率場效應(yīng)管組成的驅(qū)動電路后,輸出12 V直流電壓驅(qū)動熱火頭和起電機。

3 控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

3.1 電子控制器軟件實現(xiàn)

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

本文采用第一種控制規(guī)律,控制邏輯如圖4所示。起動開始時,熱火頭先進(jìn)行燃燒室預(yù)熱,預(yù)熱結(jié)束后啟動起電機、開啟輔助油路,恒定供油;當(dāng)轉(zhuǎn)速到達(dá)3 000 r/min時,關(guān)閉起電機,防止燃燒室熄火;當(dāng)溫度達(dá)到150 ℃時,關(guān)閉熱火頭,啟動電機,按照控制規(guī)律增加燃油;當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到6 000 r/min時,開啟熱火頭,使燃燒室充分燃燒;當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到8 000 r/min時,開啟主油路,關(guān)閉熱火頭,增加燃油小階躍,防止燃燒室熄火;當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升到12 000 r/min時,關(guān)閉起電機和輔助油路,按照控制規(guī)律增加燃油至慢車狀態(tài)。同時,為了保證燃燒室不超溫,起動過程對溫度進(jìn)行全程監(jiān)測,當(dāng)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(huán)境下利用Stateflow圖實現(xiàn)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F(xiàn)PGA HDL Coder自動代碼生成的位流文件。

② AnalogIn模塊:模擬信號調(diào)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(xiàn)模塊,通過transmit函數(shù)發(fā)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(zhuǎn)速傳感器PWM波。本文使用測周法測量發(fā)動機轉(zhuǎn)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(biāo)機和智能節(jié)點是否正常通信。

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

3.2 智能節(jié)點軟件實現(xiàn)

智能節(jié)點除了可產(chǎn)生底層驅(qū)動信號外,最重要的功能是通過RS422總線與目標(biāo)機進(jìn)行通信。Modbus協(xié)議是RS422總線的上層協(xié)議,數(shù)據(jù)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(dá)1 200 m,并且允許多個收發(fā)設(shè)備接到同一條總線上[14]。本文采用的是Modbus-RTU通信協(xié)議。由主機向從機發(fā)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(jié),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(fā)送的消息;功能碼代表從機需要執(zhí)行的動作,例如讀線圈位置、讀寫寄存器等;數(shù)據(jù)地址代表數(shù)據(jù)寫入的地址;數(shù)據(jù)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(shù)據(jù);CRC校驗由主機計算,放置于發(fā)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(jù)Modbus協(xié)議,在Keil MDK開發(fā)環(huán)境下搭建模型,其狀態(tài)圖如圖6所示。

圖6 Modbus狀態(tài)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(tǒng)后,接下來的工作流程如下。

① 配置實時目標(biāo)機和模型環(huán)境參數(shù)。主要包括實時目標(biāo)機網(wǎng)口、自動代碼生成類型和需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)信號等。

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

③ 調(diào)試完畢后,進(jìn)行快速原型實時試驗。在上位機部署控制算法到實時目標(biāo)機中進(jìn)行試驗,使用仿真數(shù)據(jù)檢查器(Simulation Data Inspector,SDI)觀測、保存數(shù)據(jù)。

通過試驗,起動過程中發(fā)動機參數(shù)變化如圖7所示。從圖7中可以看出轉(zhuǎn)速平穩(wěn)過渡到慢車狀態(tài)。在起動過程中按照控制規(guī)律2次關(guān)閉起電機,造成了轉(zhuǎn)速下降現(xiàn)象。

圖7 發(fā)動機起動過程參數(shù)

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(guān)閉,溫度下降。在整個起動過程中,發(fā)動機沒有出現(xiàn)超溫的情況,控制性能良好。

5 結(jié)束語

本文基于工業(yè)測控設(shè)備和嵌入式設(shè)備,搭建了快速原型試驗系統(tǒng)。用Speedgoat Mobile實時目標(biāo)機作為電子控制器,以STM32為核心設(shè)計了執(zhí)行機構(gòu)智能節(jié)點,驅(qū)動底層執(zhí)行機構(gòu)工作。采用Modbus協(xié)議實現(xiàn)與電子控制器的實時交互?；谧詣哟a生成技術(shù)設(shè)計了一種起動過程控制規(guī)律,生成嵌入式設(shè)備可執(zhí)行程序,實現(xiàn)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(jìn)行試驗。試驗結(jié)果表明:電子控制器和智能節(jié)點通信正常,工作可靠穩(wěn)定,起動過程平穩(wěn)迅速、不熄火、不超溫、不超轉(zhuǎn)。所搭建的快速原型化試驗系統(tǒng)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(fā)效率,縮短了控制算法研發(fā)周期,為穩(wěn)態(tài)及過渡態(tài)控制規(guī)律奠定了基礎(chǔ)。