變延遲的活塞發(fā)動機控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗

楊靜宇 李小光

摘要：針對應(yīng)用于無人機的活塞發(fā)動機，通過對其工作狀態(tài)的分解和工作狀態(tài)分析。根據(jù)不同的工作狀態(tài)設(shè)計了不同的控制律，并針對活塞發(fā)動機的延遲問題，設(shè)計了變延遲的控制系統(tǒng)。應(yīng)用該系統(tǒng)可以有效地解決活塞發(fā)動機的定轉(zhuǎn)速控制問題，也可以解決多發(fā)動機的轉(zhuǎn)速一致控制。通過試驗結(jié)果表明本文中設(shè)計的控制策略可以有效地實現(xiàn)發(fā)動機的狀態(tài)切換和平穩(wěn)控制，可以廣泛應(yīng)用于無人機活塞發(fā)動機的轉(zhuǎn)速控制。

關(guān)鍵詞：活塞發(fā)動機;轉(zhuǎn)速控制;變延遲;狀態(tài)切換;無人機

中圖分類號：V234+.1 文獻標識碼：A

隨著無人機行業(yè)的發(fā)展，無人機在各個行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛。而行業(yè)對無人機需求已經(jīng)從原先的偵測、觀察的輕小型無人機，拓展為大載荷、長航時、專業(yè)化的工業(yè)無人機。

目前，掣肘于電池儲能密度，工業(yè)級無人機在執(zhí)行長航時、大載荷的工作任務(wù)時仍然無法承擔(dān)以電池為能源所帶來的重量（質(zhì)量）。因此市場上出現(xiàn)了越來越多的以燃油為動力的工業(yè)級無人機?；钊l(fā)動機因其結(jié)構(gòu)簡單、起飛重量小以及低廉的價格，成為大多數(shù)無人機的選擇[1～3]。

發(fā)動機作為無人機的動力系統(tǒng)，無人機的旋翼轉(zhuǎn)速和輸出功率取決于發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。對于多動力系統(tǒng)的無人機，如雙發(fā)四旋翼無人機，在無人機的姿態(tài)控制中需要兩個發(fā)動機同步輸出一致的轉(zhuǎn)速，這同樣需要對多臺發(fā)動機采用一致的轉(zhuǎn)速控制。對于無人機活塞發(fā)動機的控制有安全起動、轉(zhuǎn)速變化平穩(wěn)、定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下誤差小的要求[6]。發(fā)動機的定轉(zhuǎn)速控制的優(yōu)劣決定了無人機飛行性能[4，5]。

目前，無人機活塞發(fā)動機控制的研究主要集中在針對負載前饋的控制[7]、發(fā)動機模糊控制[8]兩個方面，對于活塞發(fā)動機控制中的延遲問題卻少有涉及。本文通過對發(fā)動機工作狀態(tài)分解，對延遲產(chǎn)生原因進行分析，給出針對活塞發(fā)動機延遲問題的控制策略，并通過試驗加以驗證。

1 發(fā)動機工作狀態(tài)分解和控制策略

1.1 發(fā)動機工作狀態(tài)

活塞發(fā)動機在無人機使用中，在無人機的起飛、工作和降落中，經(jīng)歷了起動、暖車、額定、暖車、停車的過程[9]。其中分為起動和暖車的兩個非正常工作狀態(tài)以及額定工作狀態(tài)。在起動工作狀態(tài)下，發(fā)動機的工作狀態(tài)不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速變化幅度較大，且可能存在點火失敗、起動后短時間內(nèi)熄火、單缸運作等不正常的情況。另外有部分發(fā)動機，如ROTAX 912 ULS發(fā)動機在起動時需要將加濃閥打開，此時的發(fā)動機工作狀態(tài)和額定狀態(tài)有很大的不同，相同的控制策略無法適應(yīng)兩種狀態(tài)的切換。對于以多臺活塞發(fā)動機為動力來源的無人機，受到起動電池電壓不夠等因素影響，可能會出現(xiàn)單臺發(fā)動機點火成功的情況，需要進行熄火檢查或者單發(fā)運轉(zhuǎn)的情況下起動另一臺發(fā)動機。為了方便與安全起見，起動階段的發(fā)動機控制策略一般不選擇額外添加控制器。

1.2 暖車工作狀態(tài)特性和控制策略

暖車工作狀態(tài)時間一般處于活塞發(fā)動機起動后到額定工作狀態(tài)之前以及停車之前。起動后的暖車工作狀態(tài)用于提高發(fā)動機缸內(nèi)溫度、潤滑油溫度，同時對發(fā)動機的工作狀態(tài)進行監(jiān)測，確定發(fā)動機是否處于正常工作狀態(tài)。停車前的暖車工作狀態(tài)主要用于將發(fā)動機的缸內(nèi)溫度和滑油溫度冷卻。這段時間內(nèi)外部的升力或推力系統(tǒng)的變化幾乎可以忽略不計。此時的發(fā)動機因不在工作狀態(tài)對轉(zhuǎn)速控制精度的敏感度比較低，發(fā)動機的控制策略可以采用單PID控制器，為了簡化系統(tǒng)也可以采用單比例增益的控制器。對于發(fā)動機暖車工作狀態(tài)有規(guī)定轉(zhuǎn)速的發(fā)動機，也可以采用以規(guī)定暖車轉(zhuǎn)速為當(dāng)前期望轉(zhuǎn)速的方式來控制。控制律結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中n為發(fā)動機當(dāng)前期望轉(zhuǎn)速，n為發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速，W為發(fā)動機風(fēng)門開度控制量，Δn為發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速與目標轉(zhuǎn)速差，K為比例增益。

1.3 額定工作狀態(tài)特性和控制策略

發(fā)動機的額定工作狀態(tài)是無人機正常飛行工作時所需要的狀態(tài)，其對發(fā)動機的轉(zhuǎn)速控制精度和適應(yīng)負載的變化能力的要求較高。額定工作狀態(tài)下，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速相對于期望轉(zhuǎn)速的誤差不超過2%。在額定工作狀態(tài)下，存在旋翼迎角的變化，發(fā)動機的負載會產(chǎn)生變化，負載的變化會引起發(fā)動機轉(zhuǎn)速的瞬時改變，此時需要引入一個前饋來配平瞬時轉(zhuǎn)速改變。

活塞發(fā)動機與電機最大的不同在于活塞發(fā)動機的控制具有一定的延遲。當(dāng)控制器給出指令后，作動器響應(yīng)后產(chǎn)生發(fā)動機風(fēng)門開度變化，燃燒室內(nèi)氣體推動活塞速度產(chǎn)生變化，從而實現(xiàn)了發(fā)動機轉(zhuǎn)速的改變。在此過程中產(chǎn)生的延遲主要包括了活塞做功的延遲、作動器響應(yīng)延遲和系統(tǒng)固有延遲。如果忽略這些延遲，在控制器給出指令時發(fā)動機的響應(yīng)會產(chǎn)生滯后，在下一條指令給出時，發(fā)動機的工作狀態(tài)仍然未能達到上條指令期望。這時控制器下一條的指令就會繼續(xù)加大給出的控制量，產(chǎn)生了過量的調(diào)節(jié)，最終會導(dǎo)致發(fā)動機的響應(yīng)速度降低和穩(wěn)定狀態(tài)下的誤差增大?；钊龉ρ舆t通常可以視為當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)速周期，作動器響應(yīng)延遲由控制量決定。時間延遲公式如下：

τ=τ+τ+τ（1）式中：τ為時間延遲，τ為活塞做功延遲，τ為作動器響應(yīng)延遲，τ為發(fā)動機固有延遲。

針對額定狀態(tài)的發(fā)動機工作特點，本文采用了負載前饋與反饋PID控制相結(jié)合的復(fù)合型控制策略，用來滿足發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制精度要求高、變化快速和抗負載變化能力強的要求。通過增加發(fā)動機響應(yīng)的延遲環(huán)節(jié)，避免了因延遲產(chǎn)生的過量的調(diào)節(jié)。其控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2中n為發(fā)動機當(dāng)前期望轉(zhuǎn)速，n為發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速，w為發(fā)動機風(fēng)門開度控制量，Δn為發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速與目標轉(zhuǎn)速差，k為比例增益，k為積分增益，k為微分增益，e^-τS為時間延遲環(huán)節(jié)。

2 發(fā)動機控制試驗

2.1 試驗設(shè)計

發(fā)動機控制系統(tǒng)分為硬件部分和控制器部分。硬件部分由活塞發(fā)動機、作動器和發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速采集器組成。控制器則選用Arduino控制器。Arduino是Atmel公司開發(fā)的以AVRmegal核心的開源接口板，具有運算性能高、成本了因兼、界面簡潔、可操作性強的優(yōu)點，被廣泛運用于科研學(xué)習(xí)與生活中。

硬件選用二沖程三葉S40A活塞發(fā)動機，額定工作轉(zhuǎn)速為7000r/min。作動器采用Hitec 85MG舵機來控制發(fā)動機風(fēng)門開度，通過測量得到舵機作動速度為0.16s/60°，換算為輸出量改變1PWM值，需要作動時間為0.267ms。輸出轉(zhuǎn)速傳感器采用3144霍爾傳感器將采集到的正弦信號轉(zhuǎn)化為方波型號后接入Arduino控制器中得到發(fā)動機的實時輸出轉(zhuǎn)速[10，11]。

2.2 發(fā)動機轉(zhuǎn)速隨風(fēng)門開度變化曲線

在不外加控制器的情況下，通過改變作動器的PWM值的大小，進而改變發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)速。從此得到的發(fā)動機轉(zhuǎn)速和舵機的PWM值變化曲線如圖3所示?？梢钥闯霭l(fā)動機隨著作動器的響應(yīng)存在一定的滯后，發(fā)動機的延遲時間在0.1～0.12s之間。并且通過擬合曲線公式得到發(fā)動機轉(zhuǎn)速在5500～7500r/min時，近似得到轉(zhuǎn)速變化每100r/min對應(yīng)的舵機PWM值變化15，該值可以用于下文中的PID整定。并且可以由圖中看出5500r/min以下的轉(zhuǎn)速隨舵機PWM值的變化幅度過于劇烈，且在3500r/min以下時發(fā)動機有隨時熄火的可能，故將發(fā)動機暖車工作狀態(tài)的自標轉(zhuǎn)速定為6000r/min[12]。

2.3 發(fā)動機PID控制下的轉(zhuǎn)速變化曲線

首先根據(jù)上述得到的發(fā)動機轉(zhuǎn)速和對應(yīng)PWM值的關(guān)系圖，對發(fā)動機進行PID整定，通過重復(fù)的試驗和修改參數(shù)后取比例增益K=0.02，積分增益K=0.002，微分增益K=0。將整定好的PID參數(shù)寫人控制器后進行發(fā)動機試驗，并對發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和舵機的PWM值進行記錄。在試驗中，發(fā)動機起動運轉(zhuǎn)后確認發(fā)動機工作狀態(tài)安全后，將發(fā)動機控制轉(zhuǎn)換為定轉(zhuǎn)速的控制。目標轉(zhuǎn)速隨著下達給控制器的指令進行變化，在30s時將發(fā)動機由起動狀態(tài)切換為目標轉(zhuǎn)速恒定為6000r/min的暖車工作狀態(tài)。等待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后在額定和暖車工作狀態(tài)之間切換。對得到的轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)進行記錄并處理后得到發(fā)動機轉(zhuǎn)速和舵機PWM值曲線圖如圖4所示。

圖4為對PID參數(shù)進行整定之后的發(fā)動機轉(zhuǎn)速曲線。由圖中可以看出，發(fā)動機轉(zhuǎn)速由暖車工作狀態(tài)到額定狀態(tài)的調(diào)節(jié)時間在1.3～1.5s之間。在目標轉(zhuǎn)速在6000～7000r/min時，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速誤差在±200r/min和±190r/min以內(nèi)，僅能滿足暖車狀態(tài)時的轉(zhuǎn)速要求而達不到對于額定工作狀態(tài)轉(zhuǎn)速誤差在2%以內(nèi)的要求。

2.4 發(fā)動機PID控制下的轉(zhuǎn)速變化曲線

在PID參數(shù)不變的情況下，增加延遲環(huán)節(jié)。延遲時間如下：

τ=τ+τ+τ（2）

τ=1/Nτ=0.267×sp（3）式中：N為當(dāng)前發(fā)動機的實際轉(zhuǎn)速，sp為當(dāng)前循環(huán)的舵機PWM值的控制量，取20ms。

對控制程序進行更改后再次進行試驗，得到發(fā)動機轉(zhuǎn)速和舵機PWM值曲線如圖5所示。

如圖5所示，可以得到發(fā)動機在由6000r/min的暖車工作狀態(tài)切換到7000r/min的額定工作狀態(tài)時，調(diào)節(jié)時間為0.9～1.0s，由額定狀態(tài)切換為暖車工作狀態(tài)時的調(diào)節(jié)時間為0.5～0.6s。目標轉(zhuǎn)速在6000r/min時，轉(zhuǎn)速誤差在±200r/min以內(nèi)，滿足預(yù)定暖車工作狀態(tài)下5%的轉(zhuǎn)速誤差的要求。目標轉(zhuǎn)速在7000r/min時，轉(zhuǎn)速誤差在±130r/min以內(nèi)。滿足預(yù)定的額定狀態(tài)2%的轉(zhuǎn)速誤差的要求。對比變延遲控制下和傳統(tǒng)的PID控制可以發(fā)現(xiàn)，變延遲環(huán)節(jié)的加人可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使得發(fā)動機在不同的狀態(tài)轉(zhuǎn)換時的過渡更加快速平滑。并且可以減小發(fā)動機在平穩(wěn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)速誤差，提高了發(fā)動機轉(zhuǎn)速的控制精度，從而全面地提高了發(fā)動機的控制性能。

3 結(jié)束語

發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制試驗說明，本文提出的活塞發(fā)動機變延遲的控制系統(tǒng)可以有效解決活塞發(fā)動機延遲大和轉(zhuǎn)速變化引起的系統(tǒng)響應(yīng)時間差異，滿足發(fā)動機工作狀態(tài)變化時的控制要求，且額定狀態(tài)的轉(zhuǎn)速誤差在允許范圍內(nèi)。通過對兩臺及以上發(fā)動機同時接入此系統(tǒng)，給予相同的期望轉(zhuǎn)速，在各自整定PID參數(shù)和延遲參數(shù)的情況下，也可以實現(xiàn)對多動力系統(tǒng)的無人機的轉(zhuǎn)速同步控制。

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