一种航空活塞二冲程发动机电喷控制方法及装置与流程

1.本发明应用于二冲程航空活塞增压发动机领域，具体涉及一种航空活塞二冲程发动机电喷控制方法及装置。


背景技术：

2.该技术应用于二冲程航空活塞增压发动机。相较于四冲程活塞发动机，二冲程活塞发动机换气过程中内部流场存在较强的耦合性；相较于二冲程自然吸气发动机，增压发动机由于需要回收排气脉冲能量做功，而排气具有较高的温度和压力，对于系统的冲击力较大，此外，增压系统工作过程中和换气过程耦合性较强，导致发动机相同工况下缸内新鲜空气含量波动较大；相较于普通地面用发动机，航空发动机在飞行全使用条件下运行工况复杂多变，常规的喷油控制方法在进气量突变的情况下难以确保燃料与空气比例实时保持匹配，容易引发燃烧不稳定的问题。因此，航空活塞二冲程增压发动机对于混合气燃烧具有更高的控制要求，实现精确燃烧控制有助于使发动机保持最佳工作性能。


技术实现要素：

3.针对以上问题，本发明的目的是提供一种基于任务规划的发动机电喷控制方法及装置，实现基于嵌入式多任务实时操作系统，在结构方面采用基础层软件和应用层功能软件结合的架构。其中底层基础软件部分，包括实时操作系统、复杂驱动和芯片底层配置。由于发动机工作的特点，实时操作系统不仅需要周期性调度，还需要支持角度域的控制，保证在特定的角度窗口进行喷油、点火控制。应用层软件采用模块化设计，首先根据不同的功能进行组件划分，如下图所示，包括发动机起动/停机控制、进气系统、喷油系统、点火系统、排气系统、故障诊断、基础功能等组件，各功能组件之间定义清晰的接口关系。
4.根据本发明的第一方面，提供一种基于任务规划的发动机电喷控制方法，包括以下步骤：
5.步骤1：工作参数处理及诊断：采集并读取工作参数，并根据工作参数的合理性判断传感器是否故障；
6.步骤2：工况判断，根据采集的所述工作参数，判断发动机工况；
7.步骤3：控制策略计算及转速保护：针对所述发动机工况确定节气门控制策略、油压控制策略、点火控制策略、喷油控制策略并进行转速保护。
8.进一步地，所述步骤1中，所述工作参数包括：发动机转速、节气门开度、缸头温度、大气温度、大气压力、排气温度、燃油压力、电池电压模拟量。
9.进一步地，所述步骤1具体包括：
10.步骤11：读取各传感器的模数转换(ad)采样值；
11.步骤12：数据滤波，与设定的传感器ad采样值的上限值和下限值比较，判断传感器是否故障，若传感器故障，则取缺省值，否则查表得传感器的物理值。
12.进一步地，所述步骤2中，所述发动机工况包括停机工况、起动工况、暖机工况、稳
态工况、超速工况以及超温工况。
13.进一步地，所述步骤2中，工况判断条件如下：
14.发动机转速低于20rpm时，进入停机工况；
15.发动机转速高于750rpm时，进入起动工况；
16.发动机转速高于750rpm，且冷起动加浓系数减为1时，进入暖机工况；
17.缸头温度高于65℃时，进入稳定工况；
18.发动机转速高于6350rpm时，进入超速工况；
19.缸头温度超过220℃时，进入超温工况。
20.进一步地，所述步骤3具体包括：
21.节气门控制策略：判断是否控制节气门，如果是，则计算节气门舵机控制参数并输出，之后进行下一步；如果否，则直接进行下一步；
22.油压控制策略：判断是否控制油压，如果是，则计算油泵控制参数并输出，之后进行下一步；如果否，则直接进行下一步；
23.点火控制策略：判断是否计算点火参数，如果是，则查表计算点火基本参数并进行点火参数修正，之后进行下一步；如果否，则直接进行下一步；
24.喷油控制策略：判断是否计算喷油参数，如果是，则查表计算喷油基本参数并采用lambda闭环控制方式进行喷油参数修正，之后结束该步骤；如果否，则直接结束该步骤。
25.进一步地，所述步骤3中，所述节气门控制策略采用比例-积分-微分(proportion integral differential，pid)算法，函数输入参数为所述节气门开度的当前值和目标值，输出参数为脉冲宽度调制(pulse width modulation，pwm)占空比，作为节气门舵机控制参数用于控制节气门舵机驱动电路、极性控制电流方向以及绝对值控制电流。
26.进一步地，所述步骤3中，所述油压控制策略采用比例-积分-微分(proportion integral differential，pid)算法，函数输入参数为所述燃油压力的当前值和目标值，输出参数为脉冲宽度调制(pulse width modulation，pwm)占空比，作为油泵控制参数用于控制油泵驱动电路电流。
27.进一步地，所述步骤3中，所述点火控制策略：利用所述节气门开度以及发动机转速查表得出基础点火提前角，随后根据缸头温度、空气温度以及空气压力计算修正系数对基础点火提前角进行修正，得到最终的点火提前角；所属喷油控制策略与点火控制策略类似，同样利用节气门开度与发动机转速查表计算得到基础喷油脉宽，随后根据缸头温度、空气温度以及空气压力计算修正系数对基础点火提前角进行修正，最后通过lambda闭环策略再次修正，得到最终喷油脉宽。点火充磁脉宽及喷油相位为固定值。
28.进一步地，所述步骤3中，所述lambda闭环控制方式具体为：
29.将不同转速下设置的目标lambda值和当前实测的有效lambda值进行对比，得到lambda偏差e(k)；
30.计算比例项(p)、快速积分项(fast-i)和慢速积分项(slow-i)系数；
31.根据所述lambda偏差e(k)以及比例项(p)、快速积分项(fast-i)和慢速积分项(slow-i)系数得到当前计算脉宽修正量，并进行修正。
32.进一步地，所述步骤3中，根据所述lambda偏差e(k)以及比例项(p)、快速积分项(fast-i)和慢速积分项(slow-i)系数得到当前计算脉宽修正量具体为：
33.δu(k)＝p*e(k)+sigma(fast-i*e(k))+sigma(slow-i*e(k))；
34.u(k)＝u(k-1)+δu(k)，
35.其中，u(k)为当前计算脉宽修正量。
36.根据本发明的第二方面，提供一种基于任务规划的发动机电喷控制装置，包括：
37.工作参数处理及诊断单元，用于采集并读取工作参数，并根据工作参数的合理性判断传感器是否故障；
38.工况判断单元，用于根据采集的所述工作参数，判断发动机工况；
39.控制策略计算及转速保护单元，用于针对所述发动机工况确定节气门控制策略、油压控制策略、点火控制策略、喷油控制策略并进行转速保护。
40.本发明的有益效果：
41.1.本发明技术方案基于嵌入式多任务周期性实时操作系统，能够有效对发动机控制任务进行调度，能够有效减少系统资源占用，提高关键任务响应效率；
42.2.本发明技术方案针对航空二冲程活塞发动机特性，根据发动机工作状态进行工况划分，并进行风门、点火、喷油的软件多任务设计及控制策略设计，针对不同工况特性精确有效地控制执行器工作，保证发动机工作于最佳状态；
43.3.本发明技术方案的喷油控制策略采用lambda闭环控制方式，能够针对发动机实时空燃比数据反馈精确调整喷油量，能够在保证发动机输出功率的基础上有效降低燃油消耗。
附图说明
44.图1示出根据本发明技术方案的底层配置模块组成图；
45.图2示出根据本发明技术方案的操作系统模块架构；
46.图3示出根据本发明技术方案的工作参数处理及诊断流程图；
47.图4示出根据本发明技术方案的控制策略计算框图；
48.图5示出根据本发明技术方案的工况判断流程图；
49.图6示出根据本发明技术方案的lambda闭环控制流程。
具体实施方式
50.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
51.本公开的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
52.此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它
步骤或单元。
53.多个，包括两个或者两个以上。
54.和/或，应当理解，对于本公开中使用的术语“和/或”，其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。
55.基础层软件
56.底层配置模块
57.电喷控制单元微控制器为飞思卡尔16位mc9s12xdp512芯片，采用cpu12内核，总线速度高达40mhz。微控制器的16通道a/d转换器，可以完成对各相关传感器的信号采集。两路增强型定时器(enhanced capture timer，ect)模块，包含8路输入捕捉和输出比较通道，精度可达0.125，可实现对运行参数的精确控制。电喷控制单元软件底层配置模块对微控制器及外设的各功能模块进行配置及状态初始化，为指令执行、测量以及控制作准备，包括通用io模块、时钟管理模块、ad模块、输入捕捉模块、输出比较模块、实时时钟模块、串口模块。如图1所示。
58.通用io模块初始化设置单片机各引脚的输入输出功能和方向，并将输出引脚复位，关闭各驱动电路，防止执行器有误动作发生。时钟管理模块初始化设置输入时钟的分频、pll倍频、输出时钟分频，待输出时钟稳定后，将系统时钟分配至各外设模块。ad模块初始化设置ad采样频率，采样通道选择，采样方式为查询式，采样完成后产生中断。输入捕捉模块初始化设置转速传感器信号采集方式，包括模块时钟频率，信号输入通道选择，中断触发方式和触发边沿。输出比较模块初始化设置执行器输出定时控制，包括模块时钟频率，信号输出通道，中断触发时通道端口动作。实时时钟模块初始化设置工况判断辅助定时器，包括模块时钟频率，定时周期和中断方式。串口模块初始化设置通讯端口，包括模块时钟频率，串口波特率，串口数据格式和校验，收、发串口中断方式。
59.复杂驱动模块
60.复杂驱动模块用于处理不能在底层配置模块中实现，具有特定功能和时间要求的复杂传感器及执行器的行为。包括曲轴信号采集、喷油控制、点火控制以及串口接收，以上功能对实时性要求较高，周期性任务无法满足高精度及实时性的要求，因此通过中断进行实现。
61.曲轴信号采集通过输入捕捉中断进行实现，每检测到曲轴位置信号即触发输入捕捉中断，曲轴位置信号用于转速测量及齿号同步；转速计算采用条件执行的方式。当转速信号输入捕捉中断计数满15齿时，转存当前捕捉的计数器值，并设置转速测量标志。主循环每循环一次读取一次该标志，当标志置位时，执行转速计算。根据转存的计数器值与上次执行计算后保存计数器值之差，和定时器的时钟频率，可以计算出转速。齿号同步用于计算喷油及点火控制参数。
62.喷油控制及点火控制通过输出比较中断进行实现，中断服务程序根据延时控制对象的不同，改变相应的端口输出，从而控制所需要驱动电路动作。点火控制包括充磁起始角及点火提前角，两个参数均为角度控制，因此控制方式相同。根据各角度计算出需要动作的时刻相对上止点偏离的齿盘齿号，当转速信号输入捕捉中断中的齿号与动作齿号相同时，设置相应的引脚延时动作。喷油脉宽为时间控制，在打开喷油器后直接设置为延时输出。
63.串口接收中断服务程序根据当前串口接收状态不同，分别执行等待同步、指令识别、数据接收任务，当数据接收完成时，转存接收到的数据，设置指令处理标志，同时进入等待同步状态。
64.实时操作系统模块
65.实时操作系统将电喷控制单元软件各功能模块进行结构化管理，中断任务优先级最高，不受操作系统管理，如图2所示，除中断任务外，操作系统将发动机控制任务分成初始化任务、周期性处理任务以及背景任务。
66.其中，周期性处理任务又分别依据任务的实时性要求分为5ms，10ms，50ms以及100ms任务。背景任务为无中断或周期性任务运行时执行的任务，用于持续计算转速。
67.应用层软件
68.应用层软件用于处理采集到的数据，并依据数据对发动机工作状态进行判断，并采取合适的控制策略。包括工作参数处理及诊断、工况判断、控制策略计算及转速保护功能。
69.工作参数处理及诊断包括节气门开度、缸头温度、大气温度、大气压力、排气温度、燃油压力、电池电压等模拟量。通过周期性任务进行变量采集，计算流程图如图3所示。
70.工况判断为根据发动机转速、节气门位置、缸温、排温数据判断发动机所处工况，发动机工况包括停机工况、起动工况、暖机工况、稳态工况、超速工况以及超温工况，如图5所示。
71.(1)停机工况
72.根据发动机转速进行判断，转速低于20rpm，判断为停机工况。
73.停机工况根据节气门开度得到基础喷油、点火参数，根据采集到的大气温度、大气压力、缸头温度、及上位机标定值修正得到起动工况喷油、点火参数。
74.(2)起动工况
75.根据转速判断发动机的运行工况，当转速高于300rpm时(防止人为转动桨引起点火)，允许喷油、点火。转速高于750rpm，判断为起动工况(考虑电启动)，加浓倍数为冷起动加浓和暖机加浓。起动加浓系数乘以十倍，每50ms递减直至为1。转速高于750rpm，冷启动加浓系数未减为1认为为起动及起动过渡工况。点火充磁脉宽为1000us。
76.(3)暖机工况
77.转速高于750rpm，且冷起动加浓系数减为1认定为暖机工况，加浓系数为暖机加浓，实时根据缸头温度修正暖机修正系数。点火充磁脉宽为1000us。
78.(4)稳态工况
79.缸头温度高于65℃后，认为进入稳定工况，缸头温度对喷油脉宽修正为1，根据节气门开、转速查询基础map进行控制。
80.缸温高于140℃后点火角不修正，根据基础map进行控制。
81.(5)超速工况
82.当转速超过6350rpm时，进入超速工况，停止喷油，转速低于6050后恢复喷油。
83.(6)超温工况
84.当缸头温度超过220℃时，进入超温工况，喷油加浓到1.03倍。
85.控制策略计算包括节气门控制、油压控制、点火控制、喷油控制等。如图4所示。
86.节气门控制采用pid算法，函数输入参数为节气门开度当前值和目标值，输出参数为pwm占空比。输出值用于控制节气门舵机驱动电路，极性控制电流方向，绝对值控制电流。
87.油压控制采用pid算法，函数输入参数为油压当前值和目标值，输出参数为pwm占空比。输出值用于控制油泵驱动电路电流。
88.点火控制和喷油控制的计算方法类似。根据前述控制策略的方法，利用节气门开度/转速查表得出点火、喷油控制参数，并针对当前缸头温度、空气温度和空气压力作出修正，得到最终的充磁起始角、点火提前角、喷油脉宽。
89.为了实现更好的发动机控制鲁棒性，当前汽油机控制，需要准确计算实际进气量，根据理论空燃比进行喷油控制，同时为了保证油路的准确，以及对气路模型进行修正，需要加入lambda闭环，保证控制精度。lambda控制模型策略如下图6所示，根据不同转速下设置的目标lambda值，和当前实测的有效lambda值的偏差，计算比例项、快速积分项和慢速积分项的闭环修正值，当闭环控制结果在有效范围内时，修正最终的喷油量。
90.超速保护功能保护发动机在负载过小的情况下能够在合理工作区间内进行工作。在软件中预设超速阈值区间，当转速超过阈值区间上限时，ecu采取断喷油的措施，发动机转速下降，低于阈值区间下限后恢复喷油。
91.上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

技术特征：
1.一种基于任务规划的发动机电喷控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：工作参数处理及诊断：采集并读取工作参数，并根据工作参数的合理性判断传感器是否故障；步骤2：工况判断，根据采集的所述工作参数，判断发动机工况；步骤3：控制策略计算及转速保护：针对所述发动机工况确定节气门控制策略、油压控制策略、点火控制策略、喷油控制策略并进行转速保护。2.根据权利要求1所述的发动机电喷控制方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：步骤11：读取各传感器的模数转换采样值；步骤12：数据滤波，与设定的传感器ad采样值的上限值和下限值比较，判断传感器是否故障，若传感器故障，则取缺省值，否则查表得传感器的物理值。3.根据权利要求1所述的发动机电喷控制方法，其特征在于，所述步骤2中，工况判断条件如下：发动机转速低于20rpm时，进入停机工况；发动机转速高于750rpm时，进入起动工况；发动机转速高于750rpm，且冷起动加浓系数减为1时，进入暖机工况；缸头温度高于65℃时，进入稳定工况；发动机转速高于6350rpm时，进入超速工况；缸头温度超过220℃时，进入超温工况。4.根据权利要求1所述的发动机电喷控制方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：节气门控制策略：判断是否控制节气门，如果是，则计算节气门舵机控制参数并输出，之后进行下一步；如果否，则直接进行下一步；油压控制策略：判断是否控制油压，如果是，则计算油泵控制参数并输出，之后进行下一步；如果否，则直接进行下一步；点火控制策略：判断是否计算点火参数，如果是，则查表计算点火基本参数并进行点火参数修正，之后进行下一步；如果否，则直接进行下一步；喷油控制策略：判断是否计算喷油参数，如果是，则查表计算喷油基本参数并采用lambda闭环控制方式进行喷油参数修正，之后结束该步骤；如果否，则直接结束该步骤。5.根据权利要求4所述的发动机电喷控制方法，其特征在于，所述步骤3中，所述节气门控制策略采用比例-积分-微分算法，函数输入参数为所述节气门开度的当前值和目标值，输出参数为脉冲宽度调制占空比，作为节气门舵机控制参数用于控制节气门舵机驱动电路、极性控制电流方向以及绝对值控制电流。6.根据权利要求4所述的发动机电喷控制方法，其特征在于，所述步骤3中，所述油压控制策略采用比例-积分-微分算法，函数输入参数为所述燃油压力的当前值和目标值，输出参数为脉冲宽度调制占空比，作为油泵控制参数用于控制油泵驱动电路电流。7.根据权利要求4所述的发动机电喷控制方法，其特征在于，所述步骤3中，所述点火控制策略：利用所述节气门开度以及发动机转速查表得出基础点火提前角，随后根据缸头温度、空气温度以及空气压力计算修正系数对基础点火提前角进行修正，得到最终的点火提前角；所属喷油控制策略与点火控制策略类似，同样利用节气门开度与发动机转速查表计算得到基础喷油脉宽，随后根据缸头温度、空气温度以及空气压力计算修正系数对基础点
火提前角进行修正，最后通过lambda闭环策略再次修正，得到最终喷油脉宽，其中，点火充磁脉宽及喷油相位为固定值。8.根据权利要求7所述的发动机电喷控制方法，其特征在于，所述步骤3中，所述lambda闭环控制方式具体为：将不同转速下设置的目标lambda值和当前实测的有效lambda值进行对比，得到lambda偏差e(k)；计算比例项(p)、快速积分项(fast-i)和慢速积分项(slow-i)系数；根据所述lambda偏差e(k)以及比例项(p)、快速积分项(fast-i)和慢速积分项(slow-i)系数得到当前计算脉宽修正量，并进行修正。9.根据权利要求8所述的发动机电喷控制方法，其特征在于，所述步骤3中，根据所述lambda偏差e(k)以及比例项(p)、快速积分项(fast-i)和慢速积分项(slow-i)系数得到当前计算脉宽修正量具体为：δu(k)＝p*e(k)+sigma(fast-i*e(k))+sigma(slow-i*e(k))；u(k)＝u(k-1)+δu(k)，其中，u(k)为当前计算脉宽修正量。10.一种基于任务规划的发动机电喷控制装置，其特征在于，所述发动机电喷控制装置基于根据权利要求1至9中任一项所述的发动机电喷控制方法进行操作，所述发动机电喷控制装置包括：工作参数处理及诊断单元，用于采集并读取工作参数，并根据工作参数的合理性判断传感器是否故障；工况判断单元，用于根据采集的所述工作参数，判断发动机工况；控制策略计算及转速保护单元，用于针对所述发动机工况确定节气门控制策略、油压控制策略、点火控制策略、喷油控制策略并进行转速保护。

技术总结
本发明公开了一种航空活塞二冲程发动机电喷控制方法及装置，属于二冲程航空活塞增压发动机领域。该发动机电喷控制方法包括以下步骤：工作参数处理及诊断：采集并读取工作参数，并根据工作参数的合理性判断传感器是否故障；工况判断，根据采集的所述工作参数，判断发动机工况；控制策略计算及转速保护：针对所述发动机工况确定节气门控制策略、油压控制策略、点火控制策略、喷油控制策略并进行转速保护。本发明技术方案能够针对发动机实时空燃比数据反馈精确调整喷油量，能够在保证发动机输出功率的基础上有效降低燃油消耗。功率的基础上有效降低燃油消耗。功率的基础上有效降低燃油消耗。


技术研发人员：董雪飞 廉静 梁永胜 王振宇
受保护的技术使用者：航天时代飞鸿技术有限公司
技术研发日：2023.02.16
技术公布日：2023/6/7