基于RTOS的渦噴發(fā)動機數(shù)字控制系統(tǒng)

摘要：介紹了一種應(yīng)用于無人機的微型渦輪噴氣式發(fā)動機數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。該系統(tǒng)基于C8051F021單片機和MicroStar嵌入式實時操作系統(tǒng)，實現(xiàn)了小型渦噴發(fā)動機自動點火、啟動、推力控制與穩(wěn)定、超溫超速保護、系統(tǒng)自檢、冷卻等功能。該系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功能全的特點。 關(guān)鍵詞：C8051F021 MicroStar RTOS 渦噴發(fā)動機 PID 與活塞發(fā)動機相比，渦輪噴氣發(fā)動機(以下簡稱渦噴發(fā)動機)在推重比方面的優(yōu)勢無可爭議。如果將之微型化，將使小型無人飛行器獲取較高的速度和載荷能力。因此，研制微型渦噴發(fā)動機在軍用和民用領(lǐng)域都有深遠的意義。目前，美、德、丹麥等國家都有相當成熟的微型渦噴發(fā)動機產(chǎn)品，已成功應(yīng)用到航模和無人機上。但在國內(nèi)，無論是發(fā)動機本身還是其控制系統(tǒng)，都屬于較新領(lǐng)域。

本文針結(jié)國產(chǎn)某系統(tǒng)發(fā)動機，設(shè)計了基于C8051F021和MicroStar RTOS的微型渦噴發(fā)動機通用控制系統(tǒng)。它以處理器為核心，集傳感器、伺服機構(gòu)、人機接口為一體、體積小、重量，提供了與主控系統(tǒng)的指令接口和與地面測試設(shè)備的檢測接口，功能完善。 微型渦噴發(fā)動機計算機控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。 控制器接收遙控接收機(或主控計算機)發(fā)出的PCM(Pulse Coding Modulation，脈沖編碼調(diào)制)形式的推力和起停指令，驅(qū)動油泵、油閥、點火器等伺服機構(gòu)，實時測量發(fā)動機的溫度和轉(zhuǎn)速，完成自動點火、加速、減速、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、超溫超速保護等控制功能，并將狀態(tài)參數(shù)通過RS232總線實時發(fā)送到PC機。通過手持終端，可修改系統(tǒng)參數(shù)。

為了便于系統(tǒng)調(diào)試和測試發(fā)動機性能，還開發(fā)了運行于Windows平臺的實時檢測軟件ECU1.0(Engine Control Unit,Version1.0)。 1 硬件設(shè)計 C8051F021單片機是美國Cygnal公司推出的一款高性能8位SOC單片機。主要有以下優(yōu)點： (1)采用了流水線技術(shù)，峰值處理速度可達25MIPS,遠遠高于其它51單片機。 (2)具有12位8通道逐次比較式ADC，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率可達100ksps。 (3)具有4K字節(jié)的片上RAM和64K字節(jié)的Flash程序存儲器。在本應(yīng)用系統(tǒng)中，無需擴展存儲器。 圖3 (4)可提供五路可編程的PWM控制信號。 (5)豐富的定時器資源，具有五個硬件定時器。 (6)提供I2C總線控制模塊和兩個UART口。 (7)片內(nèi)FLASH支持IAP(在應(yīng)用可編程)。因此，不常修改的數(shù)據(jù)如配置參數(shù)、查詢表等可直接存放于片內(nèi)的FLASH內(nèi)，而不需外擴非易性存儲體。 C8051F021單片機具有豐富的片上硬件資源及高運算速度，對本控制系統(tǒng)，幾乎不需擴展即可滿足控制系統(tǒng)對硬件資源的需求并有較大裕量。圖2為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。

1.1 轉(zhuǎn)速測量模塊 發(fā)動機的轉(zhuǎn)速采用紅外對管來測量。發(fā)動機軸上鉆有一通孔，安裝時使發(fā)送-接收管的連線通過該孔。發(fā)動機每轉(zhuǎn)一周，紅外接收管會導通兩次。由于通、斷狀態(tài)是漸變的，再加上普通紅外管開關(guān)速度較低，在發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)(可達120000RPM)時，接收管輸出的脈沖信號幅值很小，而且上升沿/下降沿較為平緩，單片機無法準確識別，必須加以整形。整形電路如圖3所示。 信號通過電容C6耦合至運放AR1的同相輸入端，(以2.5V為參考點)進行高倍數(shù)放大，以保證即使在高轉(zhuǎn)速下，脈沖的峰-峰幅值也接近5V供電電壓。運放AR3用于實現(xiàn)回滯比較器，提高抗干擾能力，其輸出信號至單片機T4EX腳。利用定時器4的邊沿捕捉功能可方便地測出相鄰脈沖間的時間間隔，從而換算出速度。

1.2 溫度測量模塊 發(fā)動機體內(nèi)的溫度是發(fā)動機安全、可靠工作的重要指標。由于發(fā)動機較小，考慮到裝配的方便，以尾噴管的溫度表征發(fā)動機的工作溫度。 試驗表明，尾噴管的溫度最高可達900℃。出于測溫范圍、成本等方面的考慮，選用鎳鉻-鎳硅(Ni,Cr,Si)熱電偶作為測溫元件。鎳鉻-鎳硅熱電偶具有良好的線性度，測溫范圍為0～1000℃。由于發(fā)動機對溫度測量精度的要求并不苛刻，采用熱敏電阻進行溫度補償。 1.3 PWM驅(qū)動模塊 系統(tǒng)中氣閥和點火器、啟動電機和油泵電機等伺服機構(gòu)采用PWM方式控制。啟動電機、齒輪泵的工作電流較大，可達14A.宜選用過流大且導通電阻小的MOS 管或壓降小的肖特基二極管。本系統(tǒng)選用過流為120A、導通電阻7.5mΩ的MOS管。但試驗表明，MOS管工作溫度仍然較高，故采用兩片并聯(lián)驅(qū)動方式。一路PWM控制單元的原理圖如圖4所示。 電阻R6的主要作用是當無控制輸入信號時(如線路故障、單片機復位過程中)，MOS管保持關(guān)閉，伺服機構(gòu)不動作。MOS管開通時，通過Q4對MOS管輸入電容快速充電;關(guān)斷時，MOS管的輸入電容通過D3和Q3快速放電。采用上述具有較高開關(guān)速度的電路，可有效減少MOS管的發(fā)熱量。 1.4 系統(tǒng)通訊總線 I2C總線成本低廉，連線簡單，并有一定的抗干擾能力，同時可連結(jié)多個器件，故選用I2C總線用為系統(tǒng)通訊總線。手持終端、信號燈均通過I2C總線與系統(tǒng)板連接，并由串轉(zhuǎn)并芯片PCF8574驅(qū)動。 2 系統(tǒng)軟件 本系統(tǒng)主要完成發(fā)動機控制任務(wù)與人機接口任務(wù)。直接采用處理器開發(fā)軟件時，由于時間上的并存，這兩個任務(wù)處理將嚴重耦合。此外，與人機接口相關(guān)的函數(shù)調(diào)用必須設(shè)計為非阻塞模式，否則，當出現(xiàn)諸如I2C總線等故障時，控制流程無法繼續(xù)向下執(zhí)行。 PTOS能合理地分配處理器資源，使多個任務(wù)在宏觀上達到并行運行的效果，可大大降低任務(wù)間的耦合，提高系統(tǒng)的可靠性。即使某個任務(wù)長時間被阻塞，也不會影響到其它任務(wù)。因此，采用RTOS進行軟件開發(fā)更為簡單和可靠。本系統(tǒng)采用MicroStar RTOS V1.0[3]。MicroStar RTOS是針對中低檔單片機而設(shè)計的嵌入式實時操作系統(tǒng)內(nèi)核。它同時支持按時間片輪轉(zhuǎn)、按優(yōu)先級搶占、二者結(jié)合共三種調(diào)度策略，具有完善的任務(wù)管理功能可提供定時、延時服務(wù)，支持消息、信號(Signal)通訊機制，支持臨界代碼段保護，提供二進制、計數(shù)型信號量(Semaphore)同步對象等，支持 Bottom-half中斷管理機制。 本控制器選用按優(yōu)先級搶占調(diào)度策略，系統(tǒng)時鐘周期設(shè)定為2ms。共創(chuàng)建了三個用戶任務(wù)：人機接口主任務(wù)、控制任務(wù)以及與PC機通訊任務(wù)。 2.1 MicroStar RTOS在51單片機上的移植 由于51單片機內(nèi)核上的原因，為了代碼優(yōu)化，Keil C51編譯器采用一些獨特的方法，與ANSI C編譯器相比，有較大的差異。因而相對于其它硬件平臺，在51單片機上移值MicroStar RTOS時修改較多，主要包括以下幾類： (1)Keil C51不僅有數(shù)據(jù)類型，還有存儲類型，因此為系統(tǒng)變量添加了存儲類型修飾符。 (2)默認情況下Keil C51對未能在寄存器中分配的臨時變量采用靜態(tài)分配策略，許多系統(tǒng)函數(shù)因此而不可重入，必須對這些函數(shù)添reentrant函數(shù)來強迫編譯器在模擬棧中分配臨時變量。 (3)除了硬件堆棧外，Keil C51編譯器在軟件上實現(xiàn)了模擬棧，因此在堆棧保護中需加入對模擬棧的保護。 (4)修改os_cpu.h文件中的INITIAL_STACK任務(wù)堆合適初始化宏、改寫os_Schedule調(diào)度函數(shù)等。這一點與其它平臺無異。

2.2 人機接口主任務(wù) 人機接口主任務(wù)主要負責系統(tǒng)自檢、鍵盤掃描、液晶顯示、指令解析等，其流程圖如圖5所示。 主任務(wù)有測試和正常兩種運行模式。在開機按特定鍵或系統(tǒng)自檢失敗時，將進入測試模式。測試模式中擁有系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、脈寬指令學習、測試各路伺服機構(gòu)的權(quán)限，但不具備運行發(fā)動機的權(quán)限。正常模式下僅具備運行發(fā)動機的權(quán)限，但不能修改任何參數(shù)，以降低對系統(tǒng)參數(shù)意外改寫的風險。在激活控制任務(wù)之前，主任務(wù)將進行包括程序代碼校驗、配置參數(shù)校驗、溫度傳感器檢查等的軟硬件模塊檢查。這些措施均能提高系統(tǒng)的可靠性。 MicroStar RTOS提供周期性定時服務(wù)。主任務(wù)通過os_SetTimer設(shè)定一個50ms的鍵盤掃描定時器、一個100ms的LCD顯示刷新定時器。當定時時間到時，定時器會給任務(wù)發(fā)送消息。調(diào)用os_GetMessage獲取消息后，調(diào)用鍵盤處理函數(shù)和顯示函數(shù)來分別處理與之對應(yīng)的消息。 2.3 控制任務(wù) 一次完整的發(fā)動機運行可分為如圖6所示的幾個階段?？刂迫蝿?wù)按這些階段循環(huán)進行，任一階段內(nèi)出現(xiàn)異常狀況，任務(wù)都進入停車狀態(tài)。具體階段為： (1)待命階段。發(fā)動機的狀態(tài)滿足運行要求，等待以PCM碼方式輸入的啟動命令。規(guī)定以大車指令對應(yīng)的脈寬為啟動命令。 (2)點火階段。電機轉(zhuǎn)速在設(shè)定的上下限內(nèi)波動，助然丁烷氣閥打開，向發(fā)動機體內(nèi)注入易燃氣，同時開啟點火器對氣體加熱，當氣體點燃使尾噴管溫度升高到設(shè)定值時，認為點火成功。 (3)著車階段。油泵開始工作，供油量逐漸增大，點火器、氣閥、啟動電機先后關(guān)閉，發(fā)動機轉(zhuǎn)速開始加速。當轉(zhuǎn)速和溫度均超過設(shè)定值時，認為著車成功。 (4)熱車階段。發(fā)動機成功著車之后，不宜立即投入工作，需在慢車(怠速)狀態(tài)下持續(xù)運行一段時間。 (5)正常運行階段。PID控制算法投入運行。 (6)停車階段。油泵停止運行，啟動電機會根據(jù)溫度間歇性地開啟，在有利于發(fā)動機散熱的條件下，盡可能地節(jié)省電能。

3 控制律設(shè)計 按控制內(nèi)容劃分，微型渦噴發(fā)動機的控制項目分為以下幾類： (1)過程控制。使發(fā)動機迅速、穩(wěn)定、可靠地完成過渡工作狀態(tài)、包括啟動控制、加速控制、減速控制。啟動控制保證發(fā)動機正常點火和順利啟動。加速控制的目的是在發(fā)動機不超溫的前提下，改變供油量，使加速時間盡可能縮短。減速控制使收油門時減油不致過猛，防止燃燒室貧油熄火。 (2)推力控制。目的是給發(fā)動機提供所需的推力。飛行器空中飛行時發(fā)動機推力不易直接測量，但發(fā)動機轉(zhuǎn)速能夠表征發(fā)動機的推力，故通過轉(zhuǎn)速控制實現(xiàn)推力控制。 (3)安全控制。目的是保證發(fā)動機安全、可靠地工作。包括超溫保護、超速保護、電池電壓欠壓保護等。 3.1 啟動控制 啟動時間越短越好，因而發(fā)動機增速要快。簡單地提高供油量雖然可以提高發(fā)動機的增速，但容易因過度“富油”而超溫。“富油”現(xiàn)象是指當供油量增速過快時，由于發(fā)動機的慣性大于油泵的慣性，使發(fā)動機轉(zhuǎn)速增量相對落后，吸入空氣相對油量不足，以致燃油燃燒不充分，嚴重時，發(fā)動機體內(nèi)的溫度會急劇上升，尾氣中會出現(xiàn)火苗，這種現(xiàn)象對發(fā)動機極為有害。為減輕“富油”現(xiàn)象，在著車邊程控制中引入溫度和升溫速度反饋。當溫度超過警戒值或者升溫速度超過警戒值時，供油量將停止增加。

3.2 轉(zhuǎn)速控制 轉(zhuǎn)速控制采用工程上常用的位置式數(shù)字PID控制算法。對本系統(tǒng)而言，控制量為油泵的PWM占空比。占空比為負值是沒有物理意義的，需在PID的輸出之上加入工作點，使輸出在工作點上下調(diào)整。轉(zhuǎn)速控制框圖如圖7所示。 其中，F(xiàn)(N0)為工作點產(chǎn)生函數(shù)，表示指令轉(zhuǎn)速N對應(yīng)的占空比參考值，即工作點，通過試驗來獲取，軟件實現(xiàn)時采用查表法和線性插值法。限幅環(huán)節(jié)保證油泵占空比既不會小于怠速時的占空比，以避免熄火;也不會大于設(shè)定的最大值，以避免過速危險。油門加速度限幅環(huán)節(jié)一方面限制了加油速度，防止因加油過快而超溫;另一方面限制了收油速度，防止因收油過快而貧油熄火。油門加速度限幅簡單地實現(xiàn)了加速控制和減速控制。 由于油泵占空比與發(fā)動機轉(zhuǎn)速間的非線性關(guān)系(如圖8所示)，采用了分段PID方法，即不同階段采用不同的PID參數(shù)。單就Kp而言，由圖可看出：在低轉(zhuǎn)速段，曲線的斜率陡，轉(zhuǎn)速對占空比的變化敏感，Kp取值較小，避免了超調(diào)過大和振蕩;而在高轉(zhuǎn)速段，曲線上升非常平緩，Kp取較大值，以提高響應(yīng)速度。同樣地，為取得較好的性能，Ki、Kd在不同的轉(zhuǎn)速段也應(yīng)取不同的值。在本系統(tǒng)中共分為三段。 4 系統(tǒng)測試 本系統(tǒng)已進行了多次臺架試驗。試驗中，被控對象選用國產(chǎn)500牛推力的某型渦噴發(fā)動機，原始數(shù)據(jù)利用運行于PC機平臺上的ECU V1.0通過串行口獲得。

4.1 檢測軟件ECU V1.0 為便于系統(tǒng)調(diào)試和測試，自行開發(fā)了軟件ECU V1.0。它能將發(fā)動機各種參數(shù)實時記錄下來，以曲線方式動態(tài)地顯示出來，以便分析各個參量間的相關(guān)性，并具有發(fā)送控制命令、報警等輔助功能。圖8、圖9均由該軟件生成。 4.2 測試結(jié)果 試驗表明，在控制系統(tǒng)的作用下，發(fā)動機能很好地跟蹤轉(zhuǎn)速遙控指令。圖9給出一次由18000RPM至23000RPM的推桿操作中指令和轉(zhuǎn)速的曲線，圖中虛線為指令，實線為速度，兩條曲線基本吻合。 微型渦噴發(fā)動機控制系統(tǒng)在我國還是一個較新的領(lǐng)域，筆者在此方面作了較為深入的探索。試驗中控制系統(tǒng)能可靠穩(wěn)定地工作，達到了工程樣機的水平。