一种无人直升机用活塞发动机模拟系统技术方案

本发明专利技术提供了一种无人直升机用活塞发动机模拟系统，包括活塞发动机模拟控制终端、采集传感器模拟终端、故障注入终端、数据采集终端、电机、力矩负载器和油门舵机；本发明专利技术的效果在于，在减少试验成本与试验风险的条件下，即可满足动力系统的实况模拟与仿真测试、试验；并且给飞行控制系统的控制律设计、改进提供了有效的实验手段与数据支撑。有效的实验手段与数据支撑。有效的实验手段与数据支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种无人直升机用活塞发动机模拟系统


[0001]本专利技术涉及一种无人直升机用活塞发动机模拟系统。

技术介绍

[0002]目前无人直升机飞行控制仿真系统，通常只能模拟或仿真飞行控制率、飞行控制系统和传感器系统，对动力系统无法进行全系统整机模拟与仿真测试，采用真机测试受场地、成本、油料使用安全等条件限制，当机体、旋翼等发生变化时，整机控制律需要重新配平与标校，存在成本高，周期长等不足。

技术实现思路

[0003]专利技术目的：为解决
技术介绍
中存在的技术问题，本专利技术提出一种无人直升机用活塞发动机模拟系统，通过发动机数学模型、飞行控制系统对电机设定的负载要求，对电机进行转速控制，并能模拟一定的故障注入，系统结构简单，使用维护方便。
[0004]本专利技术包括活塞发动机模拟控制终端(1)、采集传感器模拟终端(2)、故障注入终端(3)、数据采集终端(4)、电机(5)、力矩负载器(6)和油门舵机(7)；
[0005]所述活塞发动机模拟控制终端(1)根据飞行控制系统指令，通过采集传感器模拟终端(2)的发动机温度、压力数据，以及故障注入终端(3)设置的发动机故障状态模拟数据，来控制电机(5)、力矩负载器(6)和油门舵机(7)，模拟发动机真实的运转状态，并通过数据采集终端(4)将电机和油门舵机的信息采集后回传到飞行控制系统。
[0006]通过电机(5)的电压转速曲线、转速负载曲线及电机的机械时间常数，设计与之匹配的电机控制算法与控制软件，通过驱动模块控制电机(5)转动并根据电机(5)转速的实时反馈数据以修正力矩负载器(6)的控制参数，实现模拟发动机运转、恒转速条件下负载及油门关系响应，用以模拟、仿真及修正无人直升机飞行控制软件对发动机控制的准确性，降低飞行过程中的风险。
[0007]所述活塞发动机模拟控制终端(1)包括内嵌的电机控制单元和发动机油门负载数据模型，并且根据内嵌的发动机油门负载数据模型，根据后端的电机(5)的机械时间常数、转速负载曲线，通过设计软件算法和控制方法来控制电机的电压和力矩负载器的控制电压，解决活塞发动机油门、转速、扭矩之间响应的测试只能在发动机台架进行，场地及人员要求较高的问题。
[0008]所述传感器模拟终端(2)根据发动机模型，在不同转速情况下，模拟发动机进气压力、缸头温度信息；
[0009]所述故障注入终端(3)通过按键方式对发动机各传感器信号进行模拟故障注入，以测试发动机在各类故障下的反应状态；
[0010]所述数据采集终端(4)对电机(5)的转速信号、油门舵机(7)的开度信号进行采集，并将采集到的数据反馈给飞行控制系统，形成飞行控制系统对发动机的闭环控制，以评估或修正在不同情况下飞行控制系统的效果。
[0011]所述电机(5)的控制电压U
t
通常写成如下方式：
[0012][0013]其中，k0为比例常量，N0为目标转速，N
t
当前转速，U
N
为名义电压，I0为空载电流，n0为空载转速，R为端电阻。
[0014]所述力矩负载器(6)的控制电压U
′
t
为：
[0015][0016]其中，K0为力矩负载器(6)的控制常量，M0为额定转矩，更新后的转速N
′
t
＝k1N
t
f(t)，k1为传动比例系数，f(t)为活塞发动机数据模型表。
[0017]所述活塞发动机模拟控制终端(1)采用单片机内嵌活塞发动机控制模型，根据飞行控制系统的指令，实现在无人直升机在不同工况下，如离合状态、悬停状态、平飞状态、爬升或俯冲状态下，根据所设置的不同负载，对电机(5)进行不同工况下的模拟控制电压加以计算并修正，模拟发动机实际工况下的响应，以评估飞行控制软件的策划及有效性。
[0018]本专利技术专利的有益效果在于：(1)在减少试验成本与试验风险的条件下，即可满足动力系统的实况模拟与仿真测试、试验；(2)给飞行控制系统的控制律设计、改进提供了有效的实验手段与数据支撑；(3)发动机各个传感器实时故障的注入与模拟，给飞行控制安全保护策略也提供了真实情况的测试与验证，增加后续整机试验的成功率，减少了试验风险。
附图说明
[0019]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做更进一步的具体说明，本专利技术的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
[0020]图1是本专利技术架构图。
具体实施方式
[0021]如图1所示，本专利技术提供了一种无人直升机用活塞发动机模拟系统，包括活塞发动机模拟控制终端1、传感器模拟终端2、故障注入终端3、数据采集终端4、电机5、力矩负载器6和油门舵机7；
[0022]活塞发动机模拟控制终端1采用STM32F407系列单片机内嵌活塞发动机数据模型，根据飞行控制系统的指令，设计的软件算法和控制策略，采用无刷电机的方式对电机5进行不同工况下模拟发动机的转速控制；
[0023]活塞发动机的油门、转速、扭矩之间的响应通常在秒级，电机电压、转速、转矩的响应通常在毫秒级，在控制过程中，需要对电机的不同工状，施加一定阻尼，以达到效为真实的模拟发动机运转的目的；
[0024]通常，为达到目标转速，电机的控制电压写成如下方式：
[0025][0026]其中，k0比例常量，N0为目标转速，N
t
当前转速，U
N
名义电压，I0为空载电流，R为端电阻。
[0027]由于电机的机械时间常数为电机本体的固有特性，与电子转子的转动惯量、转矩常数有关，为达到模拟发动控制响应曲线的目的，在电机控制方式上，本专利技术引入了力矩负载器作为其中的一个控制目标。
[0028]力矩负载的控制方式为：
[0029][0030]其中，K0力矩负载的控制常量，M0为额定转矩，更新后的转速N
′
t
＝k1N
t
f(t)，f(t)为活塞发动机数据模型表。
[0031]因此，系统中电机的控制方程可以修正为：
[0032]U＝U
t
+KU
′
t
[0033]其中：K为电机与力矩负载的扭矩系数，
[0034]传感器模拟终端2根据发动机模型及转速，模拟不同发动机进气压力、缸头温度等信息；
[0035]故障注入终端3可通过按键的方式对发动机传感器信息、控制信号进行故障模拟注入；
[0036]数据采集终端4对电机5的转速信号、采用KST A20油门舵机7的开度信号进行采集，并可根据飞行控制系统指令对电机5进行负载模拟注入，完成飞行控制系统对发动机的闭环控制。
[0037]活塞发动机模拟控制终端1采用单片机与驱动电路的方式实现，通过现有的无人直升机活塞发动机控制系统，转速、油门、负载曲线，结合发动机的数据模型，拟合出发动机控制系统数学模型，并通过对电机5施加相应的力矩载荷，以实现对动力系统负载波动模拟。采用直流无刷电机5模拟发动机，单片本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人直升机用活塞发动机模拟系统，其特征在于，包括活塞发动机模拟控制终端(1)、采集传感器模拟终端(2)、故障注入终端(3)、数据采集终端(4)、电机(5)、力矩负载器(6)和油门舵机(7)；所述活塞发动机模拟控制终端(1)根据飞行控制系统指令，通过采集传感器模拟终端(2)的发动机温度、压力数据，以及故障注入终端(3)设置的发动机故障状态模拟数据，来控制电机(5)、力矩负载器(6)和油门舵机(7)，模拟发动机真实的运转状态，并通过数据采集终端(4)将电机和油门舵机的信息采集后回传到飞行控制系统。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，通过电机(5)的电压转速曲线、转速负载曲线及电机的机械时间常数，设计匹配的电机控制算法与控制软件，通过驱动模块控制电机(5)转动并根据电机(5)转速的实时反馈数据以修正力矩负载器(6)的控制参数，实现模拟发动机运转、恒转速条件下负载及油门关系响应，用以模拟、仿真及修正无人直升机飞行控制软件对发动机控制的准确性。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述活塞发动机模拟控制终端(1)包括内嵌的电机控制单元和发动机油门负载数据模型，并且根据内嵌的发动机油门负载数据模型，根据后端的电机(5)的机械时间常数、转速负载曲线，通过设计软件算法和控制方法来控制电机的电压和力矩负载器的控制电压。4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述传感器模拟终端(2)根据发动机模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：应浩，孙宾，陶桃，林雅雯，
申请(专利权)人：中国人民解放军总参谋部第六十研究所，
类型：发明
国别省市：