變延遲的活塞發動機控制系統設計與試驗

楊靜宇 李小光

摘要：針對應用于無人機的活塞發動機，通過對其工作狀態的分解和工作狀態分析。根據不同的工作狀態設計了不同的控制律，并針對活塞發動機的延遲問題，設計了變延遲的控制系統。應用該系統可以有效地解決活塞發動機的定轉速控制問題，也可以解決多發動機的轉速一致控制。通過試驗結果表明本文中設計的控制策略可以有效地實現發動機的狀態切換和平穩控制，可以廣泛應用于無人機活塞發動機的轉速控制。

關鍵詞：活塞發動機;轉速控制;變延遲;狀態切換;無人機

中圖分類號：V234+.1 文獻標識碼：A

隨著無人機行業的發展，無人機在各個行業的應用越來越廣泛。而行業對無人機需求已經從原先的偵測、觀察的輕小型無人機，拓展為大載荷、長航時、專業化的工業無人機。

目前，掣肘于電池儲能密度，工業級無人機在執行長航時、大載荷的工作任務時仍然無法承擔以電池為能源所帶來的重量（質量）。因此市場上出現了越來越多的以燃油為動力的工業級無人機。活塞發動機因其結構簡單、起飛重量小以及低廉的價格，成為大多數無人機的選擇[1～3]。

發動機作為無人機的動力系統，無人機的旋翼轉速和輸出功率取決于發動機的轉速。對于多動力系統的無人機，如雙發四旋翼無人機，在無人機的姿態控制中需要兩個發動機同步輸出一致的轉速，這同樣需要對多臺發動機采用一致的轉速控制。對于無人機活塞發動機的控制有安全起動、轉速變化平穩、定轉速狀態下誤差小的要求[6]。發動機的定轉速控制的優劣決定了無人機飛行性能[4，5]。

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

1 發動機工作狀態分解和控制策略

1.1 發動機工作狀態

活塞發動機在無人機使用中，在無人機的起飛、工作和降落中，經歷了起動、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以及額定工作狀態。在起動工作狀態下，發動機的工作狀態不穩定，轉速變化幅度較大，且可能存在點火失敗、起動后短時間內熄火、單缸運作等不正常的情況。另外有部分發動機，如ROTAX 912 ULS發動機在起動時需要將加濃閥打開，此時的發動機工作狀態和額定狀態有很大的不同，相同的控制策略無法適應兩種狀態的切換。對于以多臺活塞發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，可能會出現單臺發動機點火成功的情況，需要進行熄火檢查或者單發運轉的情況下起動另一臺發動機。為了方便與安全起見，起動階段的發動機控制策略一般不選擇額外添加控制器。

1.2 暖車工作狀態特性和控制策略

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

圖1中n為發動機當前期望轉速，n為發動機實際轉速，W為發動機風門開度控制量，Δn為發動機實際轉速與目標轉速差，K為比例增益。

1.3 額定工作狀態特性和控制策略

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

活塞發動機與電機最大的不同在于活塞發動機的控制具有一定的延遲。當控制器給出指令后，作動器響應后產生發動機風門開度變化，燃燒室內氣體推動活塞速度產生變化，從而實現了發動機轉速的改變。在此過程中產生的延遲主要包括了活塞做功的延遲、作動器響應延遲和系統固有延遲。如果忽略這些延遲，在控制器給出指令時發動機的響應會產生滯后，在下一條指令給出時，發動機的工作狀態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加大給出的控制量，產生了過量的調節，最終會導致發動機的響應速度降低和穩定狀態下的誤差增大。活塞做功延遲通常可以視為當前轉速下的轉速周期，作動器響應延遲由控制量決定。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為作動器響應延遲，τ為發動機固有延遲。

針對額定狀態的發動機工作特點，本文采用了負載前饋與反饋PID控制相結合的復合型控制策略，用來滿足發動機轉速控制精度要求高、變化快速和抗負載變化能力強的要求。通過增加發動機響應的延遲環節，避免了因延遲產生的過量的調節。其控制結構框圖如圖2所示。

圖2中n為發動機當前期望轉速，n為發動機實際轉速，w為發動機風門開度控制量，Δn為發動機實際轉速與目標轉速差，k為比例增益，k為積分增益，k為微分增益，e^-τS為時間延遲環節。

2 發動機控制試驗

2.1 試驗設計

發動機控制系統分為硬件部分和控制器部分。硬件部分由活塞發動機、作動器和發動機輸出轉速采集器組成。控制器則選用Arduino控制器。Arduino是Atmel公司開發的以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、可操作性強的優點，被廣泛運用于科研學習與生活中。

硬件選用二沖程三葉S40A活塞發動機，額定工作轉速為7000r/min。作動器采用Hitec 85MG舵機來控制發動機風門開度，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。輸出轉速傳感器采用3144霍爾傳感器將采集到的正弦信號轉化為方波型號后接入Arduino控制器中得到發動機的實時輸出轉速[10，11]。

2.2 發動機轉速隨風門開度變化曲線

在不外加控制器的情況下，通過改變作動器的PWM值的大小，進而改變發動機的輸出轉速。從此得到的發動機轉速和舵機的PWM值變化曲線如圖3所示。可以看出發動機隨著作動器的響應存在一定的滯后，發動機的延遲時間在0.1～0.12s之間。并且通過擬合曲線公式得到發動機轉速在5500～7500r/min時，近似得到轉速變化每100r/min對應的舵機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以下的轉速隨舵機PWM值的變化幅度過于劇烈，且在3500r/min以下時發動機有隨時熄火的可能，故將發動機暖車工作狀態的自標轉速定為6000r/min[12]。

2.3 發動機PID控制下的轉速變化曲線

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

圖4為對PID參數進行整定之后的發動機轉速曲線。由圖中可以看出，發動機轉速由暖車工作狀態到額定狀態的調節時間在1.3～1.5s之間。在目標轉速在6000～7000r/min時，發動機的轉速誤差在±200r/min和±190r/min以內，僅能滿足暖車狀態時的轉速要求而達不到對于額定工作狀態轉速誤差在2%以內的要求。

2.4 發動機PID控制下的轉速變化曲線

在PID參數不變的情況下，增加延遲環節。延遲時間如下：

τ=τ+τ+τ（2）

τ=1/Nτ=0.267×sp（3）式中：N為當前發動機的實際轉速，sp為當前循環的舵機PWM值的控制量，取20ms。

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

如圖5所示，可以得到發動機在由6000r/min的暖車工作狀態切換到7000r/min的額定工作狀態時，調節時間為0.9～1.0s，由額定狀態切換為暖車工作狀態時的調節時間為0.5～0.6s。目標轉速在6000r/min時，轉速誤差在±200r/min以內，滿足預定暖車工作狀態下5%的轉速誤差的要求。目標轉速在7000r/min時，轉速誤差在±130r/min以內。滿足預定的額定狀態2%的轉速誤差的要求。對比變延遲控制下和傳統的PID控制可以發現，變延遲環節的加人可以提高系統的響應速度，使得發動機在不同的狀態轉換時的過渡更加快速平滑。并且可以減小發動機在平穩狀態的轉速誤差，提高了發動機轉速的控制精度，從而全面地提高了發動機的控制性能。

3 結束語

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

參考文獻

[1]李陽，婁建安，李川濤，等.直流無刷電機容錯控制系統設計與實現[J].計算機測量與控制，2013，21（12）：3253-3255.

[2]曾國梗，廖智麟，闞兆成.某型無人直升機活塞式電噴發動機轉速控制設計及試驗[J].航空動力學報，2011，26（6）：1384-1388.

[3]劉艷華，孫穎，孫智孝.活塞發動機與無人機性能匹配分析[J].飛機設計，2007，27（4）：10-12.

[4]楊振祥，阮紅霞.小型無人直升機動力裝置活塞發動機的動態效應[J].直升機技術，2006（2）：32-35.

[5]王小青，黃一敏，楊一棟.小型無人直升機活塞式電噴發動機沖速段的控制策略[J].航空動力學報，2007，22（6）：928-932.

[6]徐志鑫，祖家奎.小型無人直升機活塞式發動機轉速控制[J].智能機器人，2012（3）：45-48.

[7]雷勇，李輝，石小江.航空發動機空氣起動系統的前饋一反饋復合控制[J].機電工程，2011，28（5）：586-589.

[8]毛建國，馬糧，陳明浩.小型航空活塞發動機混合動力系統仿真與控制策略研究[J].重慶理工大學學報：自然科學，2018.32（3）：68-78.

[9]周黎明.汽油發動機轉速控制系統的設計與研究[D].長沙：長沙理工大學，2011.

[10]余永輝，彭宇興，潘凱.基于單片機的發動機轉速測量系統的分析研究[J].儀器儀表用戶，2005，12（5）：11-13.

[11]魏灃亭，祝雪平，張海榮.基于8031單片機的發動機轉速測量[J].航空計算技術，2003，33（2）：120-121.

[12]徐志鑫.無人直升機活塞式發動機控制技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2012.