變槳距旋翼機油門槳距自動配合控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了變槳距旋翼機油門槳距自動配合控制方法，在定高飛行中，獲得當前轉(zhuǎn)速和總槳距，根據(jù)已經(jīng)測的關系得到當前估算升力，然后根據(jù)計算所得的旋翼轉(zhuǎn)速?升力，和旋翼轉(zhuǎn)速?扭矩關系表，得到當前升力下最佳轉(zhuǎn)速和扭矩關系，以最佳轉(zhuǎn)速作為控制目標，通過反饋轉(zhuǎn)速差控制油門大小，慢慢逼近當前最佳轉(zhuǎn)速，同時由高度保持器調(diào)整槳距來調(diào)整升力，逐漸調(diào)整至最佳的轉(zhuǎn)速油門關系。本發(fā)明飛行器使用變槳距機構實現(xiàn)升力改變，可時時自動調(diào)整油門與槳距之間的關系，不需人為干預；將油門槳距保持在一個較好較合理的范圍內(nèi)，使得控制系統(tǒng)的裕度增大，提高了保持定高飛行的效果；使得發(fā)動機輸出功率最小的情況下得到最大的升力，從而提高燃油利用率。
【專利說明】
變槳距旋翼機油門槳距自動配合控制方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及變槳距飛行器控制系統(tǒng)設計領域，具體涉及一種變槳距旋翼機油門槳 距自動配合控制方法。
【背景技術】
[0002] 當前飛行器的發(fā)展，變槳距系統(tǒng)的優(yōu)點有響應速度快，執(zhí)行機構設計輕便等優(yōu)點。 變槳距飛行器越來越受到人們的重視，從直升機到變槳距多旋翼，各類變槳距飛行器成為 飛行器設計的選擇方案。
[0003] 使用油機來驅(qū)動變槳距系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)是一種常用的動力配置方案，現(xiàn)有控制方法中， 只有單獨針對于發(fā)動機進行的油耗的優(yōu)化發(fā)明設計，并沒有針對變槳距類的飛行器的整套 機構進行優(yōu)化，使得整體設計達到降低油耗的發(fā)明設計。該發(fā)明通過對發(fā)動機狀態(tài)與飛行 狀態(tài)的監(jiān)測反饋，調(diào)整當前油門與槳距的配合關系，從而使變槳距飛行器在飛行時自動調(diào) 整發(fā)動機到已設計的輸出狀態(tài)，達到降低油耗的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種變槳距旋翼機油門槳距自動配合控制方法， 該方法包括一套根據(jù)當前狀態(tài)估算最佳轉(zhuǎn)速查表方法，一套根據(jù)最佳轉(zhuǎn)速和當前轉(zhuǎn)速差， 并加入補償?shù)恼{(diào)整發(fā)動機油門的控制算法，一套對應的變槳距定高飛行控制方法;通過發(fā) 動機與槳距的配合，達到升力一定，油耗最低的效果，適用于所有變槳距類型飛行器的油耗 控制問題，包括直升機和變槳距多旋翼。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明控制方法采取的技術方案為：
[0006] 變槳距旋翼機油門槳距自動配合控制方法，包括如下步驟：
[0007] S1、飛行器起飛后，通過轉(zhuǎn)速傳感器檢測當前槳距和發(fā)動輸出轉(zhuǎn)速，輸入到發(fā)動機 控制模塊，發(fā)動機控制模塊通過這兩個數(shù)據(jù)估算當前升力：
[0008] L=f(?，c〇;
[0009] 式中，co為發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速;a為槳距;L為產(chǎn)生的升力；
[0010] S2、根據(jù)當前估算得到的升力，又同時已知
[0011] L = g( ?，a);
[0012] 式中，《為發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速;a為槳距;T為發(fā)動機輸出扭矩；
[0013] 得最佳的轉(zhuǎn)速和槳距配合關系:min{P}，P = T? ;
[0014] 式中，co為發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速;P為當前發(fā)動機輸出功率;T為發(fā)動機輸出扭矩；
[0015] 得預期最小功率下的最佳轉(zhuǎn)速為co b(5St;
[0016] S3、發(fā)動機控制模塊通過最佳轉(zhuǎn)速cob(5St和轉(zhuǎn)速偏差進行發(fā)動機油門控制，并通過 槳距和槳距偏差進行發(fā)動機控制的補償，將轉(zhuǎn)速控制到最佳轉(zhuǎn)速，同時通過高度傳感器進 行高度數(shù)據(jù)的檢測，檢測數(shù)據(jù)輸入至高度控制器，高度控制器將高度和高度變化率控制到 目標高度和目標高度變化率，并輸出槳距變化信號，槳距執(zhí)行機構將槳距按照槳距信號調(diào) 整到較好的位置上。
[0017] 其中，步驟S3中的具體補償策略為:槳距增大，增大油門，槳距減小，減小油門；槳 距偏差為正，增大油門，槳距偏差為負，減小油門；
[0018] 控制策略為：
[0020] 其中，A ? = ?best-?nQW; 為發(fā)動機控制信號；《best期望的最佳轉(zhuǎn)速；當前 轉(zhuǎn)速;KP，Ki，Kd為根據(jù)實際發(fā)動機調(diào)整的參數(shù)。
[0021] 其中，所述高度控制器通過以下控制方程進行槳距調(diào)整，從而改變當前升力以保 持高度：
[0023] 式中，Ah = hT-h_;hT為目標高度;ac為輸出槳距;KP，Ki，Kd為根據(jù)實際發(fā)動機調(diào)整 的參數(shù)。
[0024]配套的控制系統(tǒng)解決方案為:控制系統(tǒng)至少包括轉(zhuǎn)速傳感器、槳距控制機構(槳距 控制機構帶有反饋信號裝置）、油門控制系統(tǒng)、飛行高度傳感器、飛行高度保持控制器，當該 套控制系統(tǒng)開始工作時，通過檢測發(fā)動機轉(zhuǎn)速，當前變槳距機構總槳距，油門輸出量，在保 持定高飛行的狀態(tài)下，通過所述的控制方法不斷調(diào)整油門輸出量，直到達到目標轉(zhuǎn)速，此時 保持飛行定高，通過所述控制方法，使用變槳距機構將調(diào)整槳距到合適的位置上。在這種狀 態(tài)下，能達到控制發(fā)動機和整套變槳距機構達到較為節(jié)油的狀態(tài)。飛行器使用變槳距機構 實現(xiàn)升力改變，使用化石燃料發(fā)動機作為動力輸出；執(zhí)行機構為伺服機構或執(zhí)行機構可以 返回總槳距關系；高度控制部分需要高度傳感器，如氣壓計，超聲波。飛行控制系統(tǒng)得到高 度和高度變化率，通過改變槳葉螺距，改變升力大小，來達到調(diào)整高度，保持飛行高度的目 的。發(fā)動機需要油門控制裝置，飛行中可自動調(diào)整油門與槳距的關系。所述轉(zhuǎn)速傳感器為霍 爾傳感器、發(fā)電機測角儀中的一種。所述發(fā)動機控制模塊使用數(shù)字電路或模擬電路搭建，或 使用微傳感器。所述高度傳感器為氣壓計、超聲波高度檢測裝置或者視覺高度檢測裝置中 的一種。
[0025]本發(fā)明具有以下有益效果：
[0026]飛行器使用變槳距機構實現(xiàn)升力改變，可時時自動調(diào)整油門與槳距之間的關系， 不需要人為干預;通過改變槳葉螺距，改變升力大小，來達到調(diào)整高度，保持飛行高度的目 的;將油門槳距保持在一個較好較合理的范圍內(nèi)，使得控制能力的裕度增大，提高了保持定 高飛行的效果;較好的保持發(fā)動機轉(zhuǎn)速，減少了發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化帶來的震蕩;使得發(fā)動機輸 出功率最小的情況下得到最大的升力，從而提高燃油利用率，實現(xiàn)了節(jié)油效果。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明實施例變槳距旋翼機油門槳距自動配合控制方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0028]為了使本發(fā)明的目的及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合實施例對本發(fā)明進行進一步 詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā) 明。
[0029] 以下實施例，所使用的控制系統(tǒng)至少包括轉(zhuǎn)速傳感器、槳距控制機構(槳距控制機 構帶有反饋信號裝置）、油門控制系統(tǒng)、飛行高度傳感器、飛行高度保持控制器，當該套控制 系統(tǒng)開始工作時，通過檢測發(fā)動機轉(zhuǎn)速，當前變槳距機構總槳距，油門輸出量，在保持定高 飛行的狀態(tài)下，通過所述的控制方法不斷調(diào)整油門輸出量，直到達到目標轉(zhuǎn)速，此時保持飛 行定高，通過所述控制方法，使用變槳距機構將調(diào)整槳距到合適的位置上。在這種狀態(tài)下， 能達到控制發(fā)動機和整套變槳距機構達到較為節(jié)油的狀態(tài)。飛行器使用變槳距機構實現(xiàn)升 力改變，使用化石燃料發(fā)動機作為動力輸出；執(zhí)行機構為伺服機構或執(zhí)行機構可以返回總 槳距關系；高度控制部分需要高度傳感器，如氣壓計，超聲波。飛行控制系統(tǒng)得到高度和高 度變化率，通過改變槳葉螺距，改變升力大小，來達到調(diào)整高度，保持飛行高度的目的。發(fā)動 機需要油門控制裝置，飛行中可自動調(diào)整油門與槳距的關系。
[0030] 實施例
[0031] 如圖1所示，一種變槳距旋翼機油門槳距自動配合控制方法包括如下步驟：
[0032] 步驟一、飛行器起飛后，通過轉(zhuǎn)速傳感器檢測當前槳距和發(fā)動輸出轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速傳感 器可以為霍爾傳感器，自整角機(發(fā)電機測角器)等，并將檢測到的數(shù)據(jù)輸入到"轉(zhuǎn)速槳距關 系表"中，并通過這兩個數(shù)據(jù)估算當前升力：
[0033] L = f ( w ,a)；
[0034]式中，co為發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速;a為槳距;L為產(chǎn)生的升力；
[0035]通過函數(shù)關系以及實測當前使用的發(fā)動機，做成轉(zhuǎn)速、槳距關系表。該關系表大致 如下
[0037]通過此表可插值得到當前升力，插值運算在微控制器中運算得到。
[0038]步驟二、根據(jù)當前估算得到的升力，又同時已知
[0039] T = g( co ,a)；
[0040] 式中，CO為發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速;a為槳距;T為發(fā)動機輸出扭矩；
[0041]得最佳的轉(zhuǎn)速和槳距配合關系：
[0042] min{P} ,P = T?
[0043] 式中，《為發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速;P為當前發(fā)動機輸出功率;T為發(fā)動機輸出扭矩；
[0045]得預期最小功率下的最佳轉(zhuǎn)速為cob(5St;
[0046]步驟三、通過最佳轉(zhuǎn)速《 best和轉(zhuǎn)速偏差進行發(fā)動機控制，并通過槳距和槳距偏差 進行發(fā)動機控制的補償，將轉(zhuǎn)速控制到最佳轉(zhuǎn)速，具體補償策略為：
[0047]槳距增大，增大油門，槳距減小，減小油門；
[0048]槳距偏差為正，增大油門，槳距偏差為負，減小油門；
[0049] 主要棹制策略為
[0051 ] 其中，A ? = ?best-?nQW; 為發(fā)動機控制信號；《best期望的最佳轉(zhuǎn)速；當前 轉(zhuǎn)速;KP，Ki，Kd為根據(jù)實際發(fā)動機調(diào)整的參數(shù)。
[0052] 所述槳距和漿距偏差通過以下步驟或得：
[0053] (1 )、控制信號進入發(fā)動機后，發(fā)動機轉(zhuǎn)速將向目標的最佳轉(zhuǎn)速變化，此時，測得當 前發(fā)動機轉(zhuǎn)速，并進行反饋；
[0054] (2)、當轉(zhuǎn)速出現(xiàn)變化時，整個機體動力系統(tǒng)受到影響，將發(fā)生高度和高度變化率 的改變。通過氣壓計或超聲波等測定高度和高度變化率，進行反饋。
[0055] (3)原有的定高飛行控制器4將按照目標高度和高度變化率與當前高度和高度變 化率做差，通過槳距調(diào)整改變當前升力，自動減小其差距，到達合適的大小以保持高度。
[0056] 其控制方程為：
[0057]其中，Ah = hT_hn?;hT為目標高度;ac為輸出槳距;KpUd為根據(jù)實際發(fā)動機調(diào)整 的參數(shù)。
[0058] (4)槳距變化機構得到控制信號后將槳距調(diào)整至控制信號期望的位置，并將當前 的的槳距信號反饋到前述的發(fā)動機控制器2中。
[0059] (5)不斷重復（2)_(5)的過程，這樣就將飛行器控制在設計好的轉(zhuǎn)速和槳距狀態(tài) 下，達到了減小油耗的目的。
[0060]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應 視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1. 變槳距旋翼機油門槳距自動配合控制方法，其特征在于，包括如下步驟： 51、 飛行器起飛后，通過轉(zhuǎn)速傳感器檢測當前槳距和發(fā)動輸出轉(zhuǎn)速，輸入到發(fā)動機控制 模塊，發(fā)動機控制模塊通過這兩個數(shù)據(jù)估算當前升力： L = f ( ω ,α)； 式中，ω為發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速;α為槳距;L為產(chǎn)生的升力； 52、 根據(jù)當前估算得到的升力，又同時已知 T = g( ω ,α)； 式中，ω為發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速;α為槳距;T為發(fā)動機輸出扭矩； 得最佳的轉(zhuǎn)速和槳距配合關系:min{P}，Ρ = Τ ω ; 式中，ω為發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速;P為當前發(fā)動機輸出功率;T為發(fā)動機輸出扭矩； 得預期最小功率下的最佳轉(zhuǎn)速為〇best; 53、 發(fā)動機控制模塊通過最佳轉(zhuǎn)速Cobe3st和轉(zhuǎn)速偏差進行發(fā)動機油門控制，并通過槳距 和槳距偏差進行發(fā)動機控制的補償，將轉(zhuǎn)速控制到最佳轉(zhuǎn)速，同時通過高度傳感器進行高 度數(shù)據(jù)的檢測，檢測數(shù)據(jù)輸入至高度控制器，高度控制器將高度和高度變化率控制到目標 高度和目標高度變化率，并輸出槳距變化信號，槳距執(zhí)行機構將槳距按照槳距信號調(diào)整到 較好的位置上。2. 根據(jù)權利要求1所述的變槳距旋翼機油門槳距自動配合控制方法，其特征在于，步驟 S3中的具體補償策略為:槳距增大，增大油門，槳距減小，減小油門；槳距偏差為正，增大油 門，槳距偏差為負，減小油門；控制策略為：其中，Δ ω = CObest-Conciw; ω。為發(fā)動機控制信號；Cobest期望的最佳轉(zhuǎn)速；ωη?當前轉(zhuǎn) 速;Kp，Ki，Kd為根據(jù)實際發(fā)動機調(diào)整的參數(shù)。3. 根據(jù)權利要求1所述的變槳距旋翼機油門槳距自動配合控制方法，其特征在于，所述 轉(zhuǎn)速傳感器為霍爾傳感器、發(fā)電機測角儀中的一種。4. 根據(jù)權利要求1所述的變槳距旋翼機油門槳距自動配合控制方法，其特征在于，所述 發(fā)動機控制模塊使用數(shù)字電路或模擬電路搭建，或使用微傳感器。5. 根據(jù)權利要求1所述的變槳距旋翼機油門槳距自動配合控制方法，其特征在于，所述 高度傳感器為氣壓計、超聲波高度檢測裝置或者視覺高度檢測裝置中的一種。6. 根據(jù)權利要求1所述的變槳距旋翼機油門槳距自動配合控制方法，其特征在于，所述 高辟坊制哭忖W下坊制卞辟袖:奸趁,?日調(diào)整，從而改變當前升力以保持高度：式中，Δ h = hT-h_; hT為目標高度;ac為輸出槳距;Kp，Ki，Kd為根據(jù)實際發(fā)動機調(diào)整的參 數(shù)。
【文檔編號】B64C13/16GK106005398SQ201610339264
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月20日
【發(fā)明人】呂京兆, 左盤飛, 王新升, 王以諾, 馮琳秩, 程靖, 劉喜龍
【申請人】程靖