基于RTOS的涡喷发动机数字控制系统

　　主任务有测试和正常两种运行模式。在开机按特定键或系统自检失败时,将进入测试模式。测试模式中拥有系统参数设定、脉宽指令学习、测试各路伺服机构的权限，但不具备运行发动机的权限。正常模式下仅具备运行发动机的权限，但不能修改任何参数，以降低对系统参数意外改写的风险。在激活控制任务之前，主任务将进行包括程序代码校验、配置参数校验、温度传感器检查等的软硬件模块检查。这些措施均能提高系统的可靠性。

　　MicroStar RTOS提供周期性定时服务。主任务通过os_SetTimer设定一个50ms的键盘扫描定时器、一个100ms的LCD显示刷新定时器。当定时时间到时，定时器会给任务发送消息。调用os_GetMessage获取消息后，调用键盘处理函数和显示函数来分别处理与之对应的消息。

2.3 控制任务

　　一次完整的发动机运行可分为如图6所示的几个阶段。控制任务按这些阶段循环进行，任一阶段内出现异常状况，任务都进入停车状态。具体阶段为：
　　(1)待命阶段。发动机的状态满足运行要求，等待以PCM码方式输入的启动命令。规定以大车指令对应的脉宽为启动命令。
　　(2)点火阶段。电机转速在设定的上下限内波动，助燃丁烷气阀打开，向发动机体内注入易燃气，同时开启点火器对气体加热，当气体点燃使尾喷管温度升高到设定值时，认为点火成功。
　　(3)着车阶段。油泵开始工作，供油量逐渐增大，点火器、气阀、启动电机先后关闭，发动机转速开始加速。当转速和温度均超过设定值时，认为着车成功。
　　(4)热车阶段。发动机成功着车之后，不宜立即投入工作，需在慢车(怠速)状态下持续运行一段时间。
　　(5)正常运行阶段。PID控制算法投入运行。
　　(6)停车阶段。油泵停止运行，启动电机会根据温度间歇性地开启，在有利于发动机散热的条件下，尽可能地节省电能。

3 控制律设计

　　按控制内容划分，微型涡喷发动机的控制项目分为以下几类：
　　(1)过程控制。使发动机迅速、稳定、可靠地完成过渡工作状态，包括启动控制、加速控制、减速控制。启动控制保证发动机正常点火和顺利启动。加速控制的目的是在发动机不超温的前提下，改变供油量，使加速时间尽可能缩短。减速控制使收油门时减油不致过猛，防止燃烧室贫油熄火。
　　(2)推力控制。目的是给发动机提供所需的推力。飞行器空中飞行时发动机推力不易直接测量，但发动机转速能够表征发动机的推力，故通过转速控制实现推力控制。
　　(3)安全控制。目的是保证发动机安全、可靠地工作。包括超温保护、超速保护、电池电压欠压保护等。

3.1 启动控制

　　启动时间越短越好，因而发动机增速要快。简单地提高供油量虽然可以提高发动机的增速，但容易因过度"富油"而超温。"富油"现象是指当供油量增速过快时，由于发动机的惯性大于油泵的惯性，使发动机转速增量相对落后，吸入空气相对油量不足，以致燃油燃烧不充分，严重时，发动机体内的温度会急剧上升，尾气中会出现火苗，这种现象对发动机极为有害。为减轻"富油"现象，在着车过程控制中引入温度和升温速度反馈。当温度超过警戒值或者升温速度超过警戒值时，供油量将停止增加。

3.2 转速控制

　　转速控制采用工程上常用的位置式数字PID控制算法。对本系统而言，控制量为油泵的PWM占空比。占空比为负值是没有物理意义的，需在PID的输出之上加入工作点，使输出在工作点上下调整。转速控制框图如图7所示。

　　其中，F(N0)为工作点产生函数，表示指令转速N对应的占空比参考值，即工作点，通过试验来获取，软件实现时采用查表法和线性插值法。限幅环节保证油泵占空比既不会小于怠速时的占空比，以避免熄火；也不会大于设定的最大值，以避免过速危险。油门加速度限幅环节一方面限制了加油速度，防止因加油过快而超温；另一方面限制了收油速度，防止因收油过快而贫油熄火。油门加速度限幅简单地实现了加速控制和减速控制。

　　由于油泵占空比与发动机转速间的非线性关系(如图8所示)，采用了分段PID方法，即不同阶段采用不同的PID参数。单就Kp而言，由图可看出：在低转速段，曲线的斜率较陡，转速对占空比的变化敏感，Kp取值较小，避免了超调过大和振荡；而在高转速段，曲线上升非常平缓，Kp取较大值，以提高响应速度。同样地，为取得较好的性能，Ki、Kd在不同的转速段也应取不同的值。在本系统中共分为三段。

4 系统测试

　　本系统已进行了多次台架试验。试验中，被控对象选用国产500牛推力的某型涡喷发动机，原始数据利用运行于PC机平台上的ECU V1.0通过串行口获得。

4.1 检测软件ECU V1.0

　　为便于系统调试和测试，自行开发了软件ECU V1.0。它能将发动机各种参数实时记录下来，以曲线方式动态地显示出来，以便分析各个参量间的相关性，并具有发送控制命令、报警等辅助功能。图8、图9均由该软件生成。