变桨距旋翼机油门桨距自动配合控制方法
【专利摘要】本发明公开了变桨距旋翼机油门桨距自动配合控制方法，在定高飞行中，获得当前转速和总桨距，根据已经测的关系得到当前估算升力，然后根据计算所得的旋翼转速?升力，和旋翼转速?扭矩关系表，得到当前升力下最佳转速和扭矩关系，以最佳转速作为控制目标，通过反馈转速差控制油门大小，慢慢逼近当前最佳转速，同时由高度保持器调整桨距来调整升力，逐渐调整至最佳的转速油门关系。本发明飞行器使用变桨距机构实现升力改变，可时时自动调整油门与桨距之间的关系，不需人为干预；将油门桨距保持在一个较好较合理的范围内，使得控制系统的裕度增大，提高了保持定高飞行的效果；使得发动机输出功率最小的情况下得到最大的升力，从而提高燃油利用率。
【专利说明】
变桨距旋翼机油门桨距自动配合控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及变桨距飞行器控制系统设计领域，具体涉及一种变桨距旋翼机油门桨 距自动配合控制方法。
【背景技术】
[0002] 当前飞行器的发展，变桨距系统的优点有响应速度快，执行机构设计轻便等优点。 变桨距飞行器越来越受到人们的重视，从直升机到变桨距多旋翼，各类变桨距飞行器成为 飞行器设计的选择方案。
[0003] 使用油机来驱动变桨距系统旋转是一种常用的动力配置方案，现有控制方法中， 只有单独针对于发动机进行的油耗的优化发明设计，并没有针对变桨距类的飞行器的整套 机构进行优化，使得整体设计达到降低油耗的发明设计。该发明通过对发动机状态与飞行 状态的监测反馈，调整当前油门与桨距的配合关系，从而使变桨距飞行器在飞行时自动调 整发动机到已设计的输出状态，达到降低油耗的目的。
【发明内容】
[0004] 为解决上述问题，本发明提供了一种变桨距旋翼机油门桨距自动配合控制方法， 该方法包括一套根据当前状态估算最佳转速查表方法，一套根据最佳转速和当前转速差， 并加入补偿的调整发动机油门的控制算法，一套对应的变桨距定高飞行控制方法;通过发 动机与桨距的配合，达到升力一定，油耗最低的效果，适用于所有变桨距类型飞行器的油耗 控制问题，包括直升机和变桨距多旋翼。
[0005] 为实现上述目的，本发明控制方法采取的技术方案为：
[0006] 变桨距旋翼机油门桨距自动配合控制方法，包括如下步骤：
[0007] S1、飞行器起飞后，通过转速传感器检测当前桨距和发动输出转速，输入到发动机 控制模块，发动机控制模块通过这两个数据估算当前升力：
[0008] L=f(?，c〇;
[0009] 式中，co为发动机输出转速;a为桨距;L为产生的升力；
[0010] S2、根据当前估算得到的升力，又同时已知
[0011] L = g( ?，a);
[0012] 式中，《为发动机输出转速;a为桨距;T为发动机输出扭矩；
[0013] 得最佳的转速和桨距配合关系:min{P}，P = T? ;
[0014] 式中，co为发动机输出转速;P为当前发动机输出功率;T为发动机输出扭矩；
[0015] 得预期最小功率下的最佳转速为co b(5St;
[0016] S3、发动机控制模块通过最佳转速cob(5St和转速偏差进行发动机油门控制，并通过 桨距和桨距偏差进行发动机控制的补偿，将转速控制到最佳转速，同时通过高度传感器进 行高度数据的检测，检测数据输入至高度控制器，高度控制器将高度和高度变化率控制到 目标高度和目标高度变化率，并输出桨距变化信号，桨距执行机构将桨距按照桨距信号调 整到较好的位置上。
[0017] 其中，步骤S3中的具体补偿策略为:桨距增大，增大油门，桨距减小，减小油门；桨 距偏差为正，增大油门，桨距偏差为负，减小油门；
[0018] 控制策略为：
[0020] 其中，A ? = ?best-?nQW; 为发动机控制信号；《best期望的最佳转速；当前 转速;KP，Ki，Kd为根据实际发动机调整的参数。
[0021] 其中，所述高度控制器通过以下控制方程进行桨距调整，从而改变当前升力以保 持高度：
[0023] 式中，Ah = hT-h_;hT为目标高度;ac为输出桨距;KP，Ki，Kd为根据实际发动机调整 的参数。
[0024]配套的控制系统解决方案为:控制系统至少包括转速传感器、桨距控制机构(桨距 控制机构带有反馈信号装置）、油门控制系统、飞行高度传感器、飞行高度保持控制器，当该 套控制系统开始工作时，通过检测发动机转速，当前变桨距机构总桨距，油门输出量，在保 持定高飞行的状态下，通过所述的控制方法不断调整油门输出量，直到达到目标转速，此时 保持飞行定高，通过所述控制方法，使用变桨距机构将调整桨距到合适的位置上。在这种状 态下，能达到控制发动机和整套变桨距机构达到较为节油的状态。飞行器使用变桨距机构 实现升力改变，使用化石燃料发动机作为动力输出；执行机构为伺服机构或执行机构可以 返回总桨距关系；高度控制部分需要高度传感器，如气压计，超声波。飞行控制系统得到高 度和高度变化率，通过改变桨叶螺距，改变升力大小，来达到调整高度，保持飞行高度的目 的。发动机需要油门控制装置，飞行中可自动调整油门与桨距的关系。所述转速传感器为霍 尔传感器、发电机测角仪中的一种。所述发动机控制模块使用数字电路或模拟电路搭建，或 使用微传感器。所述高度传感器为气压计、超声波高度检测装置或者视觉高度检测装置中 的一种。
[0025]本发明具有以下有益效果：
[0026]飞行器使用变桨距机构实现升力改变，可时时自动调整油门与桨距之间的关系， 不需要人为干预;通过改变桨叶螺距，改变升力大小，来达到调整高度，保持飞行高度的目 的;将油门桨距保持在一个较好较合理的范围内，使得控制能力的裕度增大，提高了保持定 高飞行的效果;较好的保持发动机转速，减少了发动机转速变化带来的震荡;使得发动机输 出功率最小的情况下得到最大的升力，从而提高燃油利用率，实现了节油效果。
【附图说明】
[0027]图1为本发明实施例变桨距旋翼机油门桨距自动配合控制方法的流程图。
【具体实施方式】
[0028]为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步 详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发 明。
[0029] 以下实施例，所使用的控制系统至少包括转速传感器、桨距控制机构(桨距控制机 构带有反馈信号装置）、油门控制系统、飞行高度传感器、飞行高度保持控制器，当该套控制 系统开始工作时，通过检测发动机转速，当前变桨距机构总桨距，油门输出量，在保持定高 飞行的状态下，通过所述的控制方法不断调整油门输出量，直到达到目标转速，此时保持飞 行定高，通过所述控制方法，使用变桨距机构将调整桨距到合适的位置上。在这种状态下， 能达到控制发动机和整套变桨距机构达到较为节油的状态。飞行器使用变桨距机构实现升 力改变，使用化石燃料发动机作为动力输出；执行机构为伺服机构或执行机构可以返回总 桨距关系；高度控制部分需要高度传感器，如气压计，超声波。飞行控制系统得到高度和高 度变化率，通过改变桨叶螺距，改变升力大小，来达到调整高度，保持飞行高度的目的。发动 机需要油门控制装置，飞行中可自动调整油门与桨距的关系。
[0030] 实施例
[0031] 如图1所示，一种变桨距旋翼机油门桨距自动配合控制方法包括如下步骤：
[0032] 步骤一、飞行器起飞后，通过转速传感器检测当前桨距和发动输出转速，转速传感 器可以为霍尔传感器，自整角机(发电机测角器)等，并将检测到的数据输入到"转速桨距关 系表"中，并通过这两个数据估算当前升力：
[0033] L = f ( w ,a)；
[0034]式中，co为发动机输出转速;a为桨距;L为产生的升力；
[0035]通过函数关系以及实测当前使用的发动机，做成转速、桨距关系表。该关系表大致 如下
[0037]通过此表可插值得到当前升力，插值运算在微控制器中运算得到。
[0038]步骤二、根据当前估算得到的升力，又同时已知
[0039] T = g( co ,a)；
[0040] 式中，CO为发动机输出转速;a为桨距;T为发动机输出扭矩；
[0041]得最佳的转速和桨距配合关系：
[0042] min{P} ,P = T?
[0043] 式中，《为发动机输出转速;P为当前发动机输出功率;T为发动机输出扭矩；
[0045]得预期最小功率下的最佳转速为cob(5St;
[0046]步骤三、通过最佳转速《 best和转速偏差进行发动机控制，并通过桨距和桨距偏差 进行发动机控制的补偿，将转速控制到最佳转速，具体补偿策略为：
[0047]桨距增大，增大油门，桨距减小，减小油门；
[0048]桨距偏差为正，增大油门，桨距偏差为负，减小油门；
[0049] 主要棹制策略为
[0051 ] 其中，A ? = ?best-?nQW; 为发动机控制信号；《best期望的最佳转速；当前 转速;KP，Ki，Kd为根据实际发动机调整的参数。
[0052] 所述桨距和浆距偏差通过以下步骤或得：
[0053] (1 )、控制信号进入发动机后，发动机转速将向目标的最佳转速变化，此时，测得当 前发动机转速，并进行反馈；
[0054] (2)、当转速出现变化时，整个机体动力系统受到影响，将发生高度和高度变化率 的改变。通过气压计或超声波等测定高度和高度变化率，进行反馈。
[0055] (3)原有的定高飞行控制器4将按照目标高度和高度变化率与当前高度和高度变 化率做差，通过桨距调整改变当前升力，自动减小其差距，到达合适的大小以保持高度。
[0056] 其控制方程为：
[0057]其中，Ah = hT_hn?;hT为目标高度;ac为输出桨距;KpUd为根据实际发动机调整 的参数。
[0058] (4)桨距变化机构得到控制信号后将桨距调整至控制信号期望的位置，并将当前 的的桨距信号反馈到前述的发动机控制器2中。
[0059] (5)不断重复（2)_(5)的过程，这样就将飞行器控制在设计好的转速和桨距状态 下，达到了减小油耗的目的。
[0060]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 变桨距旋翼机油门桨距自动配合控制方法，其特征在于，包括如下步骤： 51、 飞行器起飞后，通过转速传感器检测当前桨距和发动输出转速，输入到发动机控制 模块，发动机控制模块通过这两个数据估算当前升力： L = f ( ω ,α)； 式中，ω为发动机输出转速;α为桨距;L为产生的升力； 52、 根据当前估算得到的升力，又同时已知 T = g( ω ,α)； 式中，ω为发动机输出转速;α为桨距;T为发动机输出扭矩； 得最佳的转速和桨距配合关系:min{P}，Ρ = Τ ω ; 式中，ω为发动机输出转速;P为当前发动机输出功率;T为发动机输出扭矩； 得预期最小功率下的最佳转速为〇best; 53、 发动机控制模块通过最佳转速Cobe3st和转速偏差进行发动机油门控制，并通过桨距 和桨距偏差进行发动机控制的补偿，将转速控制到最佳转速，同时通过高度传感器进行高 度数据的检测，检测数据输入至高度控制器，高度控制器将高度和高度变化率控制到目标 高度和目标高度变化率，并输出桨距变化信号，桨距执行机构将桨距按照桨距信号调整到 较好的位置上。2. 根据权利要求1所述的变桨距旋翼机油门桨距自动配合控制方法，其特征在于，步骤 S3中的具体补偿策略为:桨距增大，增大油门，桨距减小，减小油门；桨距偏差为正，增大油 门，桨距偏差为负，减小油门；控制策略为：其中，Δ ω = CObest-Conciw; ω。为发动机控制信号；Cobest期望的最佳转速；ωη?当前转 速;Kp，Ki，Kd为根据实际发动机调整的参数。3. 根据权利要求1所述的变桨距旋翼机油门桨距自动配合控制方法，其特征在于，所述 转速传感器为霍尔传感器、发电机测角仪中的一种。4. 根据权利要求1所述的变桨距旋翼机油门桨距自动配合控制方法，其特征在于，所述 发动机控制模块使用数字电路或模拟电路搭建，或使用微传感器。5. 根据权利要求1所述的变桨距旋翼机油门桨距自动配合控制方法，其特征在于，所述 高度传感器为气压计、超声波高度检测装置或者视觉高度检测装置中的一种。6. 根据权利要求1所述的变桨距旋翼机油门桨距自动配合控制方法，其特征在于，所述 高辟坊制哭忖W下坊制卞辟袖:奸趁,?日调整，从而改变当前升力以保持高度：式中，Δ h = hT-h_; hT为目标高度;ac为输出桨距;Kp，Ki，Kd为根据实际发动机调整的参 数。
【文档编号】B64C13/16GK106005398SQ201610339264
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月20日
【发明人】吕京兆, 左盘飞, 王新升, 王以诺, 冯琳秩, 程靖, 刘喜龙
【申请人】程靖