航空发动机分布式控制系统
|
摘要
航空发动机控制正在向小型化、综合化、高性能、高可靠性方向发展，分布式控制系统是一个很有前途的新型控制系统。
本文分析了航空发动机分布式控制系统的结构、特点和功能，指出了航空发动机分布式控制系统开发的关键技术问题。提出了基于DSP和CAN总线的智能装置(包括智能传感器和智能执行机构)设计方案，讨论了智能装置的抗干扰技术。
设计了智能装置的硬件电路、封装外壳和相关软件，在实验室环境下研制完成了智能温度传感器、智能压力传感器、智能转速传感器和智能位置控制器。智能装置体积小巧、功能强大、便于组网，符合航空发动机分布式控制系统的要求。智能装置分别进行了测量和控制实验，其中智能位置控制器在物理实验台上实验通过，均取得了良好的效果。
此外还建立了一个实验室环境下的航空发动机分布式控制系统实物模型。提出了基于CAN总线的分布式控制系统通讯协议，并在实物模型上调试通过。
Aero-engines are developing in the miniaturization, totalization, high performance, and high dependability direction. Distributed control will become the important and promising direction of aero-engine control.
The structure, functions, advantages of aero-engine distributed control systems were emphatically expatiated in this thesis. Key technology of the distributed control systems for aero-engines was pointed out. Design plan of the smart devices(including smart sensors and smart actuators) based on DSP and CAN buses was proposed. The anti-interference technology of the smart devices was discussed.
Hardware circuits, encapsulation boxes and software of the smart devices were designed. The smart temperature sensor, smart pressure sensor, smart speed sensor, and smart positioning actuator were developed. The smart devices have small space and powerful functions, and can be organized in the network conveniently. The measurements and control experiments of the smart devices have been carried out, and the smart positioning actuator has been tested on the physical experiment bench. All experiments have showed good results.
The physical model of aero-engine distributed control systems under the laboratory environment has been set up. The communication protocol based on CAN buses was proposed and has been tested on the physical model.
本文分析了航空发动机分布式控制系统的结构、特点和功能，指出了航空发动机分布式控制系统开发的关键技术问题。提出了基于DSP和CAN总线的智能装置(包括智能传感器和智能执行机构)设计方案，讨论了智能装置的抗干扰技术。
设计了智能装置的硬件电路、封装外壳和相关软件，在实验室环境下研制完成了智能温度传感器、智能压力传感器、智能转速传感器和智能位置控制器。智能装置体积小巧、功能强大、便于组网，符合航空发动机分布式控制系统的要求。智能装置分别进行了测量和控制实验，其中智能位置控制器在物理实验台上实验通过，均取得了良好的效果。
此外还建立了一个实验室环境下的航空发动机分布式控制系统实物模型。提出了基于CAN总线的分布式控制系统通讯协议，并在实物模型上调试通过。
Aero-engines are developing in the miniaturization, totalization, high performance, and high dependability direction. Distributed control will become the important and promising direction of aero-engine control.
The structure, functions, advantages of aero-engine distributed control systems were emphatically expatiated in this thesis. Key technology of the distributed control systems for aero-engines was pointed out. Design plan of the smart devices(including smart sensors and smart actuators) based on DSP and CAN buses was proposed. The anti-interference technology of the smart devices was discussed.
Hardware circuits, encapsulation boxes and software of the smart devices were designed. The smart temperature sensor, smart pressure sensor, smart speed sensor, and smart positioning actuator were developed. The smart devices have small space and powerful functions, and can be organized in the network conveniently. The measurements and control experiments of the smart devices have been carried out, and the smart positioning actuator has been tested on the physical experiment bench. All experiments have showed good results.
The physical model of aero-engine distributed control systems under the laboratory environment has been set up. The communication protocol based on CAN buses was proposed and has been tested on the physical model.
引文
[1] 孙健国．现代航空动力装置控制[M]．北京：航空工业出版社，2001
[2] Sisson, Patterson B. Faymon, David K. Digital control brings large turbofan benefits to the regional jetliner turbofan market[J]. American Society of Mechanical Engineers (Paper), 1994,6:13-16
[3] Carlson R.J. West, P.M. Azouz, D.E. Digital control system development for an intercooled recuperated gas turbine[J]. American Society of Mechanical Engineers (Paper), 1993, 5:24-27
[4] Gridley, Marvin C. Walker, Steven H. Inlet and nozzle technology for 21st century fighter aircraf[J]. American Society of Mechanical Engineers (Paper), 1996,6:10-13
[5] Egorov I.N. Kreitinin, G.V. Optimum control of variable components in aircraft gas turbine engines under non-stationary flow disturbances at the inlet[J]. American Society of Mechanical Engineers (Paper), 1994, 6:13-16
[6] Balakrishnan S. R. Evolution of control systems for aircraft gas turbine engines under development[J]. Journal of the Aeronautical Society of India, 1996, 48 (1):96
[7] 孙健国．面向21世纪航空动力控制展望[J]．航空动力学报，2001，16(2)：97-102
[8] Schley W. R.Distributed flight control and propulsion control implementation issues and lessons learned[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, January, 1999, 121: 96-101
[9] 黄金泉，徐科．航空发动机分布式控制系统结构分析[J]．航空动力学报，2003，18(5)：197-203
[10] 陈卫昀，严仰光．分布式电源[J]．电力电子技术，1999，4(2)：82-85
[11] Kurt Sobanski, et al. Gas turbine distributed control systems: Power supply and communication data bus design considerations[R]. ASME 98-GT-414, The International Gas Turbine & Aeroengine Congress & Exhibition Stockholm, Sweden, June, 1998
[12] Shaffer P. L.Distributed control systems for turbine engines[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, January, 1999, 121:102-107
[13] Fletcher T.R. Convenient airborne MIL-STD 1553 multiplex data bus data acquisition system[J]. Canadian Aeronautics and Space Journal, Dec, 1993, 39(4): 185-190
[14] Thompson H. A, et al. A CANbus-based safety-critical distributed aeroengine control systems architecture demonstrator[J]. Microprocessors and Microsystems, 1999, 23:345-355
[15] 王振华，朱国力．基于CAN总线的开放式网络数控系统研究[J]．机电工程，2000，17(3)：46-48
[16] George Novacek. High-Temperature Electronic Design[J]. Circuit Cellar, the Magazine for Computer Applications. January, 2001
[17] Jay Goetz. High Temperature Electronics for Sensor Interface and Data Acquisition[C]. Sensors Expo, October7, 1998
[18] 方昌德．多(全)电发动机[J]．燃气涡轮试验与研究，2002，15(2)：54-58
[19] 刘晓东．基于CAN总线通信技术的研究与应用[硕士学位论文]，山东大学，2001
[20] 张雄伟，曹铁勇．DSP芯片的原理与开发应用[M]．北京：电子工业出版社，2000
[21] 刘和平，严利平，张学锋等．TMS320LF240X DSP结构、原理及应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2002
[22] Code Composer User's Guide. Texas Instruments, 1999
[23] 刘和平，王维俊，江渝等．TMS320LF240X DSP C语言开发应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2002
[24] 周京辉，刘权．基于CAN总线的分布式控制系统及应用[J]．工业控制计算机，1998，5：50-53
[25] 李朝青．单片机&DSP外围数字IC技术手册[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2003
[26] 赵志诚．智能传感器[J]．传感器技术，1999,10：1-3
[27] 刘君华．智能传感器系统[M]．陕西：西安电子科技大学出版社，1999
[28] 李本忍，宁玉杰．工业控制系统抗电磁干扰技术研究[J]．小型微型计算机技术，1994，15(2)：33-37
[29] 王幸之，王雷，瞿成．单片机应用系统抗干扰技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2000
[30] 曾俊英．航空动力装置控制(元件部分)[M]．北京：航空工业出版社，1995
[31] 黄继昌，徐巧鱼，张海贵等．传感器工作原理及应用实例[M]．北京：人民邮电出版社，1998
[32] 徐科，黄金泉．基于分布式控制的航空发动机智能温度传感器[J]．传感器技术，2004，23(1)：24-27
[33] Analog Device. Monolithic Thermocouple Amplifiers with cold Junction compensation AD594/AD595, U.S.A, 1997
[34] 王建萍．一种新的热电偶测温非线性校正法—分段偏移法[J]．计量技术，1998，11：17-20
[35] 周箭，樊伟敏，陈隆道．最小二乘法及其在提高仪表测试精度中的作用[J]．浙江大学学报(自然科学版)，1998，32(6)：791-796
[36] 韩利竹，王华．MATLAB电子仿真与应用[M]．北京：国防工业出版社，2001
[37] 张云芝，刘付永红，林万荣．用切比雪夫最佳逼近理论求拟合直线方法[J]．华南理工大学学报(自然科学版)，1999，27(1)：117-119
[38] 徐士良．C常用算法程序集[M]．北京：清华大学出版社，1993
[39] 唐光荣，李九龄，邓丽曼．微型计算机应用技术(上)[M]．北京：清华大学出版社，1999
[40] 田社平．采用数字滤波技术的数据采集误差分析[J]．计量技术，1994，5：32-38
[41] 苏三买，郭伟名．一种测量航空发动机T_4~-温度的新方法[J]．宇航计测技术，2000，20(6)：52-55
[42] 徐科，黄金泉，张天宏，蒋文亮．基于DSP的航空发动机转速传感器设计[J]．推进技术，2004，25(2)
[43] 冯夏勇，宾鸿赞．微机转速测量常用方法与精度分析[J]．电子与自动化，1995，2：31-33
[44] 王军政．电液伺服阀控马达速度闭环数字控制系统的应用研究[J]．北京理工大学学报，2002，22(2)：184-187
[45] 周玉涛，盛镔，朱国力．基于新型LVDT信号处理芯片—AD598的传感器信号检测电路的设计[J]．电子技术应用，1998，10
[46] Analog Device. Linear Products Reference Manual. Signal Condictioning Components, 1992
[47] 何立民．MC-51系列单片机应用系统设计系统配置和接口技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，1999
[48] 李小京，石金桥．利用单片机构成高精度PWM式12位D／A[J]．自动化与仪器仪表，1993，4：36-38
[49] 刘金锟．先进PID控制及其MATLAB仿真[M]．北京：电子工业出版社，2003．22-30
[50] 阳宪惠．现场总线技术及其应用[M]．北京：清华大学出版社
[51] Pro.Dr.-lng.K.Etschberger．基于CAN的较高层协议和子协议．广州周立功单片机发展有限
公司
[52] 饶运涛，邹继军，郑勇芸．现场总线CAN原理与应用技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2003
[53] 王毅峰．基于CAN总线的分布式数据采集与控制系统[硕士学位论文]．中国科学院沈阳自动化研究所，2001
[2] Sisson, Patterson B. Faymon, David K. Digital control brings large turbofan benefits to the regional jetliner turbofan market[J]. American Society of Mechanical Engineers (Paper), 1994,6:13-16
[3] Carlson R.J. West, P.M. Azouz, D.E. Digital control system development for an intercooled recuperated gas turbine[J]. American Society of Mechanical Engineers (Paper), 1993, 5:24-27
[4] Gridley, Marvin C. Walker, Steven H. Inlet and nozzle technology for 21st century fighter aircraf[J]. American Society of Mechanical Engineers (Paper), 1996,6:10-13
[5] Egorov I.N. Kreitinin, G.V. Optimum control of variable components in aircraft gas turbine engines under non-stationary flow disturbances at the inlet[J]. American Society of Mechanical Engineers (Paper), 1994, 6:13-16
[6] Balakrishnan S. R. Evolution of control systems for aircraft gas turbine engines under development[J]. Journal of the Aeronautical Society of India, 1996, 48 (1):96
[7] 孙健国．面向21世纪航空动力控制展望[J]．航空动力学报，2001，16(2)：97-102
[8] Schley W. R.Distributed flight control and propulsion control implementation issues and lessons learned[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, January, 1999, 121: 96-101
[9] 黄金泉，徐科．航空发动机分布式控制系统结构分析[J]．航空动力学报，2003，18(5)：197-203
[10] 陈卫昀，严仰光．分布式电源[J]．电力电子技术，1999，4(2)：82-85
[11] Kurt Sobanski, et al. Gas turbine distributed control systems: Power supply and communication data bus design considerations[R]. ASME 98-GT-414, The International Gas Turbine & Aeroengine Congress & Exhibition Stockholm, Sweden, June, 1998
[12] Shaffer P. L.Distributed control systems for turbine engines[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, January, 1999, 121:102-107
[13] Fletcher T.R. Convenient airborne MIL-STD 1553 multiplex data bus data acquisition system[J]. Canadian Aeronautics and Space Journal, Dec, 1993, 39(4): 185-190
[14] Thompson H. A, et al. A CANbus-based safety-critical distributed aeroengine control systems architecture demonstrator[J]. Microprocessors and Microsystems, 1999, 23:345-355
[15] 王振华，朱国力．基于CAN总线的开放式网络数控系统研究[J]．机电工程，2000，17(3)：46-48
[16] George Novacek. High-Temperature Electronic Design[J]. Circuit Cellar, the Magazine for Computer Applications. January, 2001
[17] Jay Goetz. High Temperature Electronics for Sensor Interface and Data Acquisition[C]. Sensors Expo, October7, 1998
[18] 方昌德．多(全)电发动机[J]．燃气涡轮试验与研究，2002，15(2)：54-58
[19] 刘晓东．基于CAN总线通信技术的研究与应用[硕士学位论文]，山东大学，2001
[20] 张雄伟，曹铁勇．DSP芯片的原理与开发应用[M]．北京：电子工业出版社，2000
[21] 刘和平，严利平，张学锋等．TMS320LF240X DSP结构、原理及应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2002
[22] Code Composer User's Guide. Texas Instruments, 1999
[23] 刘和平，王维俊，江渝等．TMS320LF240X DSP C语言开发应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2002
[24] 周京辉，刘权．基于CAN总线的分布式控制系统及应用[J]．工业控制计算机，1998，5：50-53
[25] 李朝青．单片机&DSP外围数字IC技术手册[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2003
[26] 赵志诚．智能传感器[J]．传感器技术，1999,10：1-3
[27] 刘君华．智能传感器系统[M]．陕西：西安电子科技大学出版社，1999
[28] 李本忍，宁玉杰．工业控制系统抗电磁干扰技术研究[J]．小型微型计算机技术，1994，15(2)：33-37
[29] 王幸之，王雷，瞿成．单片机应用系统抗干扰技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2000
[30] 曾俊英．航空动力装置控制(元件部分)[M]．北京：航空工业出版社，1995
[31] 黄继昌，徐巧鱼，张海贵等．传感器工作原理及应用实例[M]．北京：人民邮电出版社，1998
[32] 徐科，黄金泉．基于分布式控制的航空发动机智能温度传感器[J]．传感器技术，2004，23(1)：24-27
[33] Analog Device. Monolithic Thermocouple Amplifiers with cold Junction compensation AD594/AD595, U.S.A, 1997
[34] 王建萍．一种新的热电偶测温非线性校正法—分段偏移法[J]．计量技术，1998，11：17-20
[35] 周箭，樊伟敏，陈隆道．最小二乘法及其在提高仪表测试精度中的作用[J]．浙江大学学报(自然科学版)，1998，32(6)：791-796
[36] 韩利竹，王华．MATLAB电子仿真与应用[M]．北京：国防工业出版社，2001
[37] 张云芝，刘付永红，林万荣．用切比雪夫最佳逼近理论求拟合直线方法[J]．华南理工大学学报(自然科学版)，1999，27(1)：117-119
[38] 徐士良．C常用算法程序集[M]．北京：清华大学出版社，1993
[39] 唐光荣，李九龄，邓丽曼．微型计算机应用技术(上)[M]．北京：清华大学出版社，1999
[40] 田社平．采用数字滤波技术的数据采集误差分析[J]．计量技术，1994，5：32-38
[41] 苏三买，郭伟名．一种测量航空发动机T_4~-温度的新方法[J]．宇航计测技术，2000，20(6)：52-55
[42] 徐科，黄金泉，张天宏，蒋文亮．基于DSP的航空发动机转速传感器设计[J]．推进技术，2004，25(2)
[43] 冯夏勇，宾鸿赞．微机转速测量常用方法与精度分析[J]．电子与自动化，1995，2：31-33
[44] 王军政．电液伺服阀控马达速度闭环数字控制系统的应用研究[J]．北京理工大学学报，2002，22(2)：184-187
[45] 周玉涛，盛镔，朱国力．基于新型LVDT信号处理芯片—AD598的传感器信号检测电路的设计[J]．电子技术应用，1998，10
[46] Analog Device. Linear Products Reference Manual. Signal Condictioning Components, 1992
[47] 何立民．MC-51系列单片机应用系统设计系统配置和接口技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，1999
[48] 李小京，石金桥．利用单片机构成高精度PWM式12位D／A[J]．自动化与仪器仪表，1993，4：36-38
[49] 刘金锟．先进PID控制及其MATLAB仿真[M]．北京：电子工业出版社，2003．22-30
[50] 阳宪惠．现场总线技术及其应用[M]．北京：清华大学出版社
[51] Pro.Dr.-lng.K.Etschberger．基于CAN的较高层协议和子协议．广州周立功单片机发展有限
公司
[52] 饶运涛，邹继军，郑勇芸．现场总线CAN原理与应用技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2003
[53] 王毅峰．基于CAN总线的分布式数据采集与控制系统[硕士学位论文]．中国科学院沈阳自动化研究所，2001