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1、精品名师归纳总结一种基于 C8051F 单片机的小型涡喷发动机把握系统摘 要 介绍了一种航空用小型涡轮喷气发动机把握系统的设计原理、实现方法和软硬件构成等。关键词MCU，软件实现，中断把握One Kind of MCU Based Small Turbine Jet Control System JiteChen ShenggongShen WeiqunSong ZishanSchool of Automation Science and Electric Engineering， Beijing University ofAeronautics And Astronautics, Beiji
2、ng 100083Abstract The article introduces the design principles, realization methodand configuration of software and hardware of a small turbine jet control system. Keywords Control system ， Turbine jet ， System configuration ， MCU，Software realization ，Interrupt control1 前 言该小型涡轮喷气发动机具有结构紧凑、体积小、重量轻和
3、推重比大等特点。可应用于军用和民用领域，例如靶机和用来侦察、攻击、护林的小型无人机等。发动机把握系统性能的优劣将直接影响发动机及飞机的性能。航空发动机把握系统的作用是依据把握杆指令，转变可控变量（供油量），以保证发动机推力（转速）按预定的规律变化，使发动机安全、牢靠、稳固的工作，并获得正确性能。发动机把握系统传统上始终由液压机械式和气动机械式调剂器实现。 随着发动机把握和飞机系统之间联系的增加以及状态监视，故障诊断，参数显示等功能的扩充，飞机发动机一体化把握的水平要求不断提高。不论是三维凸轮运算元件仍是膜盒组运算元件， 它们所能综合运算的参数是很有限的。如要增加，势必带来重量、体积、成本的增加
4、并且是难于实现的。传统式把握系统的进展受到限制。因此，在发动机把握中，接受运算机把握系统的要求越来越重要。运算机把握系统用于发动机把握，具有提高发动机性能、降低燃油消耗、提高牢靠性和改进修理性等优点。运算机感受的参数不受限制以及它的运算、规律判定、机内测试、故障诊断、储备记忆功能，加之与飞机系统易于接口，易于实现发动机状态监控，易于 实现与飞机把握的一体化，使其进展具有很大潜力。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结本论文争辩的小型涡轮喷气发动机把握系统集传感器、作动器和把握运算机于一体， 具有体积小、重量轻、功能强大的特点，可完成发动机的过渡把握（启动把握，加速把握，减速把握）、推
5、力把握、安全把握（包括转速，温度等）和故障诊断功能等。其推力把握有遥控方式和数字指令方式。该把握系统的研制可为我国无人飞行器的技术提升和探究自己特色的小型涡轮喷气发动机把握技术打下良好的基础，具有较高的军用价值和民用价值。2 运算机把握系统方案把握系统方案如图1 所示。系统监测发动机尾喷管气体温度EGT（ Exhaust Gas Temperature）、涡轮转速（ RPM）、把握系统电源电压和遥控接收机发来的速度指令，根 据把握算法产生把握数据，把握数据经过转换算法产生把握量（PWM 信号），并通过驱动电路把握油泵电机的转速，调剂发动机的给油量，使发动机按给定的推力（转速）工作，以实现推力把
6、握。小型涡轮喷气发动机的正常工作仍需要许多帮忙把握系统，在本把握系统中包含有发动机启动过程把握系统，发动机过热自动爱惜把握系统，发动机熄火过程把握系统和发动机故障检测和诊断系统。为中意不同发动机的把握需要，本系统仍有把握参数设置与储存系统和发动机工作过程参数记录系统。将来发动机功能提升 后，仍可实现发动机进气把握，进一步提高发动机系统的性能。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结尾喷管温度速度指令微把握器PWM把握起动把握燃油泵转速 推力发动机可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结速度反馈图 1 系统框图3 系统配置该把握系统主要由单片机、 PWM 把握电路、信号滤波及放大
7、电路、 I2C 总线、状态指示电路、参数设置与 LCD 显示电路、参数记录电路等构成 ，各部分连接关系如图 2 所示。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结启动气体把握燃油泵启动电机点火器PWM把握微处理器信号滤波放大电路发动机温度静压发动机电源 空速（可选）可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结燃油电磁阀缓冲器I2C总线放大整形状态显示发动机转速遥控指令可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结数据储存参数显示及参数设置图 2系统配置框图3.1 单片机可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结从图 2 可看出，单
8、片机要具有丰富的外设接口资源和足够高的运算速度，才可能实现各种功能模块并中意系统实时性要求。经过分析比较，接受了CYGNAL 公司的 51 单片机 C8051F 作为把握器 ,该单片机具有以下特点：（1）10 位 8 通道逐次比较式 ADC, 数据转换速率可达 100ksps。（2） JTAG 调试和边界扫描接口，可实现在线实时动态调试。（3） 流水线指令结构，最高处理速度高达25MIPS（ 参见图 3 ）。（4） 4K 字节的片上 RAM 和 64K 字节的 Flash 程序储备器。（5） PWM 信号由 PCA 产生， PCA 由一个特的的 16 位 C/T 和 5 个 capture/c
9、ompare 模块构成。每个模块可独立设置为6 种操作模式之一：边缘触发捕获、软件定时器、高速输出、频率输出 方波输出 、8-bit PWM 和 16-bit PWM 等。由以上特点可以看出， C8051F 单片机具有丰富的片上硬件资源及高运算速度，这为实现复杂的把握算法供应了保证，而且几乎不需系统扩展即可中意把握系统对硬件资源 的需求，极大提高了系统牢靠性。3.2 PWM把握电路把握系统中气阀，点火器，启动电机和油泵电机等器件需要PWM 信号来把握其工MIPS 252015105可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结Cygnal CIP-5125MHz晶振Microchip PIC
10、17C75X33MHz晶振Philips 80C5133MHz晶振ADuC812 805116MHz晶振可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 3四种单片机最高执行速度比较作。这些大功率器件都不能直接由单片机输出信号直接把握。因此需要设计驱动电路以实现对这些器件的把握。依据各被驱动器件的工作特点，合理选择相应参数的MOS 管， 使 MOS 管牢靠的把握各器件，电路如图4 所示。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 4 PWM把握电路3.3 尾喷管温度测量电路尾喷管温度（ EGT）最高可达 1000，是发动机安全、牢靠工作的重要指标。从测温范畴、测量精度及成本等方面综合
11、考虑，接受了镍铬镍硅（Ni,Cr,Si ）热电偶作为测温元件，镍铬镍硅热电偶具有良好的线性度，能很好的中意发动机尾喷管测温需求。热电偶的输出为双端输出的差模小信号，这就要求处理此信号的放大器具有极高的输入阻抗和共模抑制比，这里接受了常用的三运放差动放大器（即仪用放大器），见图 5。关于热电偶的冷端补偿问题，这里接受单片机片上温度传感器测得的温度作为冷端温度，根据中间温度定律 ，ET,0=ET,T0+ET0 ,0,其中 ET0,0由所测的冷端温度 T0 依据热电势和温度的单值函数关系式求出，所以ET,0亦可求出，从而推算出热端温度。这种方法比 通常接受的利用补偿电路实现冷端补偿更为简洁便利。图
12、5 仪用放大器3.4 转速及遥控指令测量电路发动机转速通过光电器件测量，见图6 所示。发动机每转一周，测量电路发出两个脉冲。由于发动机推力把握本质是对发动机转速的把握，所以转速的测量精度直接关系到把握性能的优劣。转速由单片机的16-bit 定时器 T4 的捕获功能（快速输入）测得每个脉冲的周期而推算出来 。发动机正常工作状态时的转速范畴为33000rpm 120000rpm, 由此可推算出正常工作状态时，周期范畴为909us250us,定时器每个计数单位对应的时间值为 1/18.432M = 0.054us（晶振接受 18.432M） ,且周期时间不会超过 16-bit 定时器的溢出周期。所以
13、既可达到足够高的测量精度，又为软件处理供应便利。发动机速度指令是通过遥控接收机的一个通道发送给单片机的。速度指令脉冲的脉宽对应不同的期望转速，并通过 16bit 定时器 T2 实现测量。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结3.5 I 2C总线和 UART总线系统中的状态指示电路、 LCD 显示电路、参数记录电路和键盘扫描电路等功能模块VCC1可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结发光二极管发动机轴通孔启动电机T4EX光敏三极管可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 6 转速测量电路示意图接受 I 2C 总线结构，以实现各个模块的数据和指令交换。I2C 总线有以
14、下特点：(1) 只需要两条线， SDA 数据线和 SCL 时钟线。(2) 挂在总线上的各个器件都通过软件寻址，且总存在主/从关系，当两个或多个主方同时发起数据传输时，可进行冲突检测及仲裁。(3) 数据传输率最高可达到 400kbits/s。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结除了以上特点外， I2C 总线作为一种流行的通用总线，有丰富的功能器件支持，扩展可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结的功能器件可便利的接到总线上，为系统扩展供应极大便利。其中参数记忆器件接受32K EEPROM AT24C256, 四个 LED状态显示灯利用PCF8574 串并转换器来驱动。如发动机
15、把握系统作为分布式运算机把握系统的一个子系统，可通过此总线与上位运算机进行通讯。为实现功能扩展的需要，也将片上的两个 UART 接口通过接口芯片接出来，以便于与PC 机或其它设备通讯。3.6 LCD 显示及参数设置依据参数显示的要求， LCD 显示选用了主把握驱动电路为HD44780 的 16 字符2 行的 58 点阵液晶显示器，此显示器是通过并行口与外部把握器连接的，因此，我们接受2了 PCF8574 I C并口转换芯片将其与系统相连。为了省去由单片机特的供应LCD 的读写把握信号和使能信号等，利用所发送数据的低三位供应把握和使能信号，高半字节为向 LCD 发送的指令或数据。把握系统的状态和
16、参数显示或修改通过 6 个功能菜单实现 ，其中四个菜单可通过快捷键直接进入，而全部菜单都可通过菜单选择键（ MENU + 或 MENU -）进入。参数设定盒上的 10 个按键通过一块 PCF8574芯片,构成矩阵键盘来实现的 ,并通过反转法只通过两次扫描读数既可识别按键。此参数盒也通过 I2C 总线与系统连接。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结4 把握系统软件把握软件需要完成的任务包括：数据检测（包括4 路 A/D 转换，转速和速度指令测量等）、键盘扫描 , LCD 显示, 参数记忆与提取，把握算法和 4 路 PWM 输出等。4.1 主程序主程序第一要实现系统时钟初始化 、MCU
17、 端口初始化 、中断设置及学习速度指令 （包括关闭，怠速，和大车状态）等，并从参数记忆器件中提取发动机启动和正常工作状态中需要的参数等。发动机进入启动过程后依据发动机启动油量曲线，把握启动电机、可燃气体及油泵电机的供油量等，使发动机在尽可能短的时间内进入正常工作状态。完成启动过程后，主程序进入循环状态，主要完成参数检测及状态显示等，直到发出关闭指令为止。主程序流程图见图7。4.2 中断把握把握软件要实现多个任务，假如能在单片机中嵌入实时多任务操作系统（RTOS）,可以简化多任务的调度治理和软件设计过程。把握系统的实时性要求，需要操作系统支持任务抢占来保证。 KEIL C 自带的 RTX51 T
18、INY 仅支持循环任务切换，其它操作系统涉及移植，开销等方面的问题，所以未接受操作系统。对各任务的调度和治理，以及重要任 务的实时执行，就需要各个中断精确规划和彼此和谐来保证。把握软件中共用到 7 个中断，包括 INT1 外部中断， T0 中断,UART0 中断， T4 中断，I2C 总线中断， IE6 扩展外部中断， A/D 转换完成中断等。其功能特点是：(1) INT1 中断，主要发动身动机的启动或停止指令，由外部开关触发。(2) T0 定时器中断完成系统采样周期的定时。(3) UART0 中断，用来实现与 PC 机的数据通讯。(4) T4 定时器中断，用来测量发动机的转速。(5) I2C
19、 总线中断，实现总线协议，并完成数据传送。(6) IE6 外部中断， T2 定时器记录速度指令脉冲的下降沿时刻，上升沿时触发此中断并读取此时 T2 的数据，两者相减可猎取速度指令脉宽。(7) A/D 转换完成中断用于发动机启动过程中的尾喷管温度测量（EGT），起动过程中 EGT 是一个重要的参数依据。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结主程序开头初始化系统时钟初始化。MCU端口初始化（ crossbar 设置）所用的各个中断设置等等N参数盒接上？YLCD初始化子函数NMENU键按下？Y学习油门杆指令存入 FLASH读取FLASH中油门杆指令读取 EEPROM中的参数起动？Y起动？N
20、依据相应键盘指令测试启动机， 油泵，点火器等工作状况起动过程按发动机的起动曲线，测量ST各A时RT刻的温度、转速，并把握油泵、点火器，启动电机的和谐工作N起动成功？YSTART有效？NY测量温度，压力，电源电压等，并扫描键盘及显示关闭图 7主程序流程图并不是每个中断都自始至终发挥作用，而是在不同阶段，有些中断使能，其余禁止， 且同一中断在发动机工作的不同状态其优先级也会不同。IE6 外部中断在速度指令脉宽学习和正常运转状态都为高级中断，而在启动过程中就为低级中断。T0 作为采样周期，在正常工作状态时要求精确的定时，所以也设置为高级中断，当与IE6 高级中断同时触发时，因其默认优先级更高，所以先
21、执行T0 中断。另一种情形是当 T0 中断触发时， IE6 中断已经执行，此中断只有三条 C 指令，且为赋值和减法指令，最大推迟为几十uS,所以对 T0 的实时性影响可以忽视。如IE6 中断触发时， T0 中断已经响应，从 T0 中断程序返回前将 IE6 的中断标志位清除，可保证速度指令脉宽测量的精确性。通过以上灵敏的中断设置与和谐，可实现实时任务和非实时任务的调度治理。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结保持 5 秒钟速度指令最大？N通过按键可进行外部器件测试油门线性增加到 9.4%保持 2 秒钟Y启动电机开头运转油门线性增加到 12.9%, 如转速达到 55000RPM,就保持
22、当前油门不变 3 秒钟N转速到达 3000RPM启动电机停止Y打开燃气阀和点火器油门线性减小，直到 转速降到 33000RPM, 油门不变，保持 3 秒钟Y温度大于 400 度N重新设置设置各中断Y燃油泵以 4占空比开头按进入闭环把握确定加油曲线加到 5.5%图 8T0 中断程序流程图转速指令 +1 +1S+ 0.0039S-KtTtS + 1转速 推力图 9PID 把握系统框图4.3 PID把握算法把握算法在 T0 中断程序中完成 ,程序流程见图 8。依据比例（ P）、积分 I 和微分 D进行把握的 PID 把握器是应用最为广泛的一种自动把握器。在运算机把握系统中，PID 把握与运算机的规律
23、判定和运算功能结合起来，使PID 把握更加灵敏，并能中意各种要求。在算法中将积分项改进，接受积分分别式PID 算法，以使把握性能更加完善。对应的连续域 PID 把握系统框图见图 9 所示，采样周期为 20ms。5 系统仿真可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结5.1 数学仿真数学仿真结构图见图 10，所取把握对象为时间常数为 470ms 的一阶环节。采样周期 20ms 时， Kp = 1, Ki = 0.023, Kd = 0.199 时,得到如图 11 所示的动态响应曲线。图 10数学仿真结构框图图 11数学仿真动态响应曲线5.2 半实物仿真半实物仿真硬件框图如图 12 所示，单片
24、机输出的燃油泵 PWM 把握信号第一经过有源二阶滤波器，进行滤波后近似为脉动很小的直流电压信号，此信号对应于原系统的供油量。此信号加到一个 RC 构成的一阶环节上，此环节近似认为是涡喷发动机的实物模型， 时间常数 T 设置为 470ms。一阶对象的输出电压信号对应于涡喷发动机的转速信号，经过 A/D 采样后，依据此电压值的大小，可编程计数阵列的通道0（CEX0）工作在高速输出方式下（ HSO）并产生相对应的速度方波信号。速度方波信号通过速度测量通道进行速度测量，并作为 PID 把握算法中的发动机实际转速。遥控速度指令脉冲通过波形发生器模拟产生。取 Kp = 1, Ki = 0.023, Kd
25、= 0.199 时，速度指令从 40000RPM 变为 80000RPM时，得到如图 13 所示的系统动态响应曲线。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结波形发生器模拟速度指令脉冲遥控指令通道个人电脑参数显示及参数设置UART燃油泵把握信号（ PWM单片机n方波信号A/D测速通道PCA波形发生通道C二阶有源滤波器R图 12半实物仿真结构图图 13半实物仿真动态响应曲线6 与发动机联调把握系统与发动机联机试验后，进行了点火和转速闭环把握。当速度指令把握杆从73500RPM 推到 83000RPM 时，得到如图 14 所示的动态响应曲线。可见超调量比较小。试验过程中，由于把握算法中用到的
26、模型参数与实际发动机模型有确定出入，而且比例增益取值较小，积分环节在半实物仿真中经过验证，但在实际系统中尚未加入，这些因素导致稳态误差相对较大，需要进一步逼进模型和整定参数，以达到较好的动态稳态把握品质。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 14 动态响应曲线7 结 论涡喷发动机把握数字化是发动机性能提高的必定要求和进展趋势。该把握系统在这个进展潮流中做了积极深化的探究。运算机把握系统的进步和完善不仅需要硬件上稳固可靠，同时建立在对发动机模型的熟识精确度基础上。要更精确的猎取发动机的模型参数， 就需要通过把握器的智能化，对发动机各种工况下的参数数据进行测量、记录，用系统辨识理论分析解算出模型参数，以调整把握参数更加合理，发动机性能更加牢靠、高效和完善。可编辑资料 - - - 欢迎下载