航空二冲程活塞发动机用增压器压力闭环控制方法及系统与流程

1.本发明涉及一种可兼顾飞行器高升限、不同海拔短距离起飞、长航时要求的航空活塞发动机增压系统动态控制的航空二冲程活塞发动机用增压器压力闭环控制方法及系统。


背景技术：

2.我国地貌复杂，高原区域的总面积位居世界第一位，高海拔下自然吸气发动机的功率衰减严重，高空动力性差。为弥补航空活塞发动机的高空动力性不足、燃油经济性差的问题。因此需要增压技术提高发动机进气量，补偿发动机因工作海拔升高造成的功率衰减。本发明提到的涡轮增压技术是一种可变几何截面涡轮增压技术(以下简称“vgt”)，该技术通过增压器压力闭环控制调节方法满足发动机在不同海拔飞行工况的动力性需求。
3.在涡轮增压器匹配过程中，由于增压器特性，发动机在高速、高负荷工况与低速、低负荷工况存在匹配矛盾。为解耦这一矛盾，一般采用传统废气旁通技术解决高速、高负荷工况下增压压力过高的问题。但是在废气旁通过程中大量废气被旁通掉，导致废气能量不能被充分利用。


技术实现要素：

4.本发明公开了一种航空二冲程活塞发动机用增压器压力闭环控制方法及系统，以解决现有技术的上述技术问题以及其他潜在问题中的任一问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种航空二冲程活塞发动机用增压器压力闭环控制方法，该方法具体包括以下步骤：
6.s1)根据发动机转速与发动机负载转矩参数，得到增压器的目标增压进气压力值；
7.s2)采集单元实时采集发动机的工作参数数据，并发送给控制单元；
8.s3)控制单元接收到工作参数数据，采用基于反向传播神经网络的模型预测控制算法分析计算，得到实时增压器的增压进气压力值，将实时增压器的增压进气压力值与s1)得到目标增压进气压力值比较，根据比较结果确定增压器的喷嘴环叶片目标开度的最优值，并将该信号传输至执行单元；
9.s4)执行单元根据指令调节喷嘴环叶片的位置至目标位置，实现增压器的喷嘴环叶片开度的精确闭环控制。
10.进一步，所述s2)中发动机的工作参数数据包括：发动机增压进气压力、增压进气温度、排气温度、节气门位置、发动机转速和喷油量。
11.进一步，所述s3)的具体步骤为：
12.s3.1)将发动机转速、目标增压进气压力、增压进气压力、增压进气温度、排气温度、节气门位置等参数作为基于反向传播神经网络的预测模型的输入，输出实时增压器的增压进气压力值，
13.s3.2)将实时增压器的增压进气压力值与目标增压进气压力值的平方差为评价函
数，当评价函数大于阈值则返回s3.1)，当评价函数等于或小于阈值，则该评价函数为增压进气压力值的最优值，
14.按照进气压力值的最优值对增压器喷嘴环叶片目标位置进行优化，得到预测时段内增压器喷嘴环叶片最优位置。
15.进一步，所述阈值为实时增压器的增压进气压力值与目标增压进气压力值二者之间差值小于等于5％。
16.本发明的另一目的是提供一种实现上述的方法的控制系统，所述系统包括：数据采集单元、控制单元和执行单元；
17.其中，所述数据采集单元，用于对发动机的增压进气压力、增压进气温度、排气温度、节气门位置、发动机转速的数据的实时采集；
18.所述控制单元，用于将实时数据利用基于反向传播神经网络的模型预测，将输出的结果与目标进气压力值进行评价，确定增压进气压力值最优值，并发送给执行单元，
19.所述执行单元，用于将增压进气压力值最优值转成控制指令，调节增压器的喷嘴环叶片开度，实现增压器的喷嘴环叶片开度的精确闭环控制。
20.进一步，所述数据采集单元包括：增压进气压力传感器、增压进气温度传感器、排气温度传感器、节气门位置传感器和发动机转速传感器。
21.进一步，所述控制单元包括：电控单元、增压控制器和数据处理模块，
22.其中，所述数据处理模块用于处理数据，确定增压进气压力值最优值，并将增压进气压力值最优值发送给增压系统控制器，增压系统控制器输出控制信号，发送给电控单元。
23.进一步，所述执行单元包括增压器和执行机构；
24.其中，所述执行机构用于接收所述电控单元的控制信号，对所述增压器的喷嘴环叶片开度进行调节。
25.本发明的本发明相比现有技术具有如下优点：
26.(1)本发明一种航空二冲程活塞发动机用增压器压力闭环控制调节方法。
27.(2)本发明的增压器压力闭环控制调节方法有利于改善增压器的瞬态响应性能，发动机动力性和经济性。
28.(3)采用基于反向传播神经网络(以下简称“bpnn”)的预测模型(以下简称“mpc”)控制，减轻控制器的运算负荷。
附图说明
29.图1为本发明的航空二冲程活塞发动机增压器压力闭环控制流程框图。
30.图2为本发明中基于反向传播神经网络(bpnn)的预测模型(mpc)控制逻辑图。
31.图3为本发明航空二冲程活塞发动机用增压器压力闭环控制系统的原理示意图。
具体实施方式
32.下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
33.本发明是一种航空二冲程活塞发动机用增压器压力控制装置及增压压力闭环控制调节方法。通过本发明可提高涡轮增压器废气利用效率及增压器的动态响应性，使发动机在不同工作状态下均满足性能需求。
34.而采用vgt可以有效的避免上述问题。在低工况低负荷时通过减小涡轮的几何流通截面面积来提高涡轮效率，从而改善发动机低速低负荷工况的动力性；在高速高负荷工况时通过增大涡轮机的几何流通截面面积提高涡轮流通能力，提高高速高负荷工况增压压力。vgt采用压力闭环控制匹配方法不但可以兼顾高、低工况对动力性和经济性的要求，还可以更充分地利用废气能量，及时调整喷嘴环叶片的流通截面及气流方向提高增压器的瞬态响应性。本发明提出一种可变喷嘴环式涡轮可变几何截面控制装置及涡轮增压压力闭环控制方法。
35.如图1所示，本发明的航空二冲程活塞发动机增压器压力闭环控制框图，通过发动机的转速和扭矩获取目标增压进气压力，将增压进气压力及发动机的状态参数及喷油量输入到基于bpnn的mpc控制器，控制增压器喷嘴环位置调整发动机的增压进气压力，并将增压进气压力反馈给基于bpnn的mpc控制器，控制器将增压进气压力与目标增压进气压力进行比较判断，不断修正模型参数达到闭环的精确控制的目的。
36.本发明一种航空二冲程活塞发动机用增压器压力闭环控制方法，该方法具体包括以下步骤：
37.s1)根据发动机转速与发动机负载转矩参数，得到增压器的目标进气压力值；
38.s2)采集单元实时采集发动机的工作参数数据，并发送给控制单元；
39.s3)控制单元接收到工作参数数据，采用基于反向传播神经网络的模型预测控制算法分析计算，得到实时增压器的进气压力值，将实时增压器的进气压力值与s1)得到目标进气压力值比较，根据比较结果确定增压器的喷嘴环叶片目标开度的最优值，并将该信号传输至执行单元；
40.s4)执行单元根据指令调节喷嘴环叶片的位置至目标位置，实现增压器的喷嘴环叶片开度的精确闭环控制。
41.进一步，所述s2)中发动机的工作参数数据包括：发动机增压进气压力、增压进气温度、排气温度、节气门位置、发动机转速和喷油量。
42.如图2所示，本发明中基于反向传播神经网络(bpnn)的预测模型控制(mpc)逻辑图。该增压器压力闭环控制调节方法根据发动机转速和扭矩，确定求解目标增压进气压力，采用bpnn控制器识别增压发动机状态，将神经网络训练后的结果给执行器来控制喷嘴环位置，经过延时函数后使用基于bpnn的mpc得到修正增压器喷嘴环叶片位置的参数，并将结果通过反馈给神经网络控制器，达到控制增压器喷嘴环的位置，进而达到控制增压进气压力的目的。此时ecu通过检测发动机的进气状态调控发动机的喷油脉宽，根据进气温度对喷油脉宽进行修正最终达到协同精确控制。
43.所述s3)的具体步骤为：
44.s3.1)将发动机转速、目标增压进气压力、增压进气压力、增压进气温度、排气温度、节气门位置等参数作为基于反向传播神经网络的预测模型的输入，输出实时增压器的增压进气压力值，
45.s3.2)将实时增压器的增压进气压力值与目标增压进气压力值的平方差为评价函数，当评价函数大于阈值则返回s3.1)，当评价函数等于或小于阈值，则该评价函数为进气压力值的最优值，
46.按照增压进气压力值的最优值对增压器喷嘴环叶片目标位置进行优化，得到预测
时段内增压器喷嘴环叶片最优位置。
47.进一步，所述阈值为实时增压器的增压进气压力值与目标增压进气压力值二者之间差值小于等于5％。
48.如图3所示，本发明中一种航空二冲程活塞发动机用增压器压力控制装置主要由三部分组成，分别是数据采集单元、控制单元、执行单元。数据采集单元包括进气压力传感器、进气温度传感器、排气温度传感器、节气门位置传感器、发动机转速传感器、节气门位置、喷油量等参数采集传感器；控制系统包括电控单元(以下简称“ecu”)、增压系统控制器(以下简称“tcu”)增压器及控制算法；执行单元包括增压器及vgt执行机构。该装置工作过程中通过数据采集单元采集发动机增压进气压力、增压进气温度、排气温度、节气门位置和发动机转速等发动机参数信号，并传输至控制单元。控制单元中ecu接收发动机参数信号，通过控制算法计算得到vgt喷嘴环叶片目标开度，并将该信号传输至tcu。tcu接收vgt喷嘴环叶片目标开度信号，根据执行机构控制算法，输出执行机构控制信号。执行单元接收控制单元中tcu输出控制信号，实现vgt喷嘴环叶片开度的精确闭环控制。该装置根据海拔和发动机工况的变化调节vgt喷嘴环叶片开度，实现保证闭环控制，实现发动机在不同海拔不同工况下燃油消耗与功率最优，增压系统与发动机高效匹配运行。
49.本发明公布的一种航空二冲程活塞发动机用增压器压力闭环控制调节方法，采用基于反向传播神经网络(以下简称“bpnn”)的预测模型(以下简称“mpc”)控制的压力闭环控制算法控制喷嘴环叶片位置。其中，增压压力闭环控制算法在增压压力控制装置控制单元内实现。在发动机工作过程中，发动机目标增压进气压力主要由发动机转速、海拔高度、发动机喷油量决定，其中，发动机喷油量与发动机负载转矩有关。因此，发动机目标增压进气压力可通过发动机转速与发动机转矩确定。
50.该控制方法中，根据发动机转速与发动机负载转矩参数查找增压器目标增压压力map，得到当前发动机状态下增压器目标控制压力。将发动机转速、增压进气压力、增压进气温度、排气温度、节气门位置等参数作为基于反向传播神经网络的模型预测控制算法输入，以增压器喷嘴环叶片目标控制位置为输出。在该算法中，以发动机转速、增压进气压力、增压进气温度、排气温度、节气门位置等状态参数为基于反向传播神经网络构建的发动机气路模型输入，输出增压器喷嘴环叶片目标控制位置，预测发动机增压进气压力。以目标增压进气压力与模型预测的增压进气压力平方差为评价函数，对增压器喷嘴环叶片目标位置进行优化调节，得到预测时段内增压器喷嘴环叶片最优位置，该算法可以快速准确的跟踪目标增压进气压力，控制精度在5％以内。
51.根据涡轮增压发动机的特性及mpc控制理论，得到预测模型在k时刻的表达式：
52.p
im
(k i|k)＝w
i
(x(k i|k)),(i＝1,2,...n)
[0053][0054]
式中，m
f
为喷油量，θ
th
为节气门开度，n
e
为发动机转速，p
im
为增压进气压力,w为权重。
[0055]
控制增量可表示为：
[0056]
δu(k)＝[δu(k|k),δu(k 1|k),
…
δu(k m
‑
1|k)]
[0057]
δu(k i|k)＝u(k i|k)
‑
u(k i
‑
1|k)(i＝0,1,
…
m
‑
1)
[0058]
式中，m为步数，u为输入变量，u为单一输入变量。
[0059]
控制输入可表示为：
[0060][0061]
基于反向传播神经网络的模型预测控制算法在控制单元中ecu中实现，之后ecu向tcu输出增压器喷嘴环叶片目标控制位置信号。增压器控制单元(tcu)控制执行机构，使执行机构调节喷嘴环叶片的位置至目标位置。该增压器压力闭环控制调节方法中根据对发动机转速和扭矩的需求，确定目标增压进气压力，之后使用基于bpnn的模型预测算法来控制增压发动机增压器喷嘴环叶片位置达到控制增压进气压力的协同精确控制。另外，调节节流面积的同时直接快速调节气流方向，更有利于改善增压器的瞬态响应性能，采用压力闭环控制后发动机动力性和经济性都得到了明显的改善，特别是改善发动机低速动力性能及动态响应性。
[0062]
控制系统包括电控单元(以下简称“ecu”)、增压控制器(以下简称“tcu”)增压器及控制算法，其功能为根据发动机参数计算输出执行单元控制信号；
[0063]
执行单元包括增压器及vgt执行机构，实现增压器喷嘴环叶片目标开度调节。
[0064]
该装置工作过程中通过数据采集单元采集发动机增压进气压力、增压进气温度、排气温度、节气门位置和发动机转速等发动机参数信号，并传输至控制单元。控制单元中ecu接收发动机参数信号，通过控制算法计算得到vgt喷嘴环叶片目标开度，并将该信号传输至tcu。tcu接收vgt喷嘴环叶片目标开度信号，根据执行机构控制算法，输出执行机构控制信号。执行单元接收控制单元中tcu输出控制信号，实现vgt喷嘴环叶片开度的精确闭环控制。该装置根据海拔和发动机工况的变化调节vgt喷嘴环叶片开度，实现保证闭环控制，实现发动机在不同海拔不同工况下燃油消耗与功率最优，增压系统与发动机高效匹配运行。
[0065]
本发明中航空二冲程活塞发动机用增压器压力闭环控制调节方法，采用基于反向传播神经网络(以下简称“bpnn”)的预测模型(以下简称“mpc”)控制的压力闭环控制算法控制增压器的喷嘴环叶片位置。
[0066]
该控制方法中，根据发动机转速和转矩需求等状态参数计算得到增压器目标增压进气压力。根据发动机转速、实际增压进气压力与目标增压进气压力等参数，通过基于反向神经网络的预测模型算法得到增压器喷嘴环叶片目标控制位置。
[0067]
增压器系统控制器(tcu)根据喷嘴环叶片目标位置，控制执行机构，精确调节喷嘴环叶片的位置至目标位置。
[0068]
该增压器压力闭环控制调节方法中根据对发动机转速和扭矩的需求，确定目标增压进气压力，之后使用基于bpnn的模型预测算法来达到增压发动机喷嘴环叶片位置的协同精确控制。另外，调节节流面积的同时直接快速调节气流方向，更有利于改善增压器的瞬态响应性能，采用压力闭环控制后发动机动力性和经济性都得到了明显的改善，特别是改善发动机低速动力性能及动态响应性。
[0069]
以上对本技术实施例所提供的一种航空二冲程活塞发动机用增压器压力闭环控制方法及系统，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本技术的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。
[0070]
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本技术的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本技术的一般原则为目的，并非用以限定本技术的范围。本技术的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
[0071]
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
[0072]
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
[0073]
上述说明示出并描述了本技术的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本技术并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本技术的精神和范围，则都应在本技术所附权利要求书的保护范围内。