魚雷活塞式凸輪發(fā)動機的智能控制設計

張在炳

(中國人民解放軍91640部隊, 廣東 湛江 524064)

引言

魚雷發(fā)動機是推動魚雷在水下航行的動力裝置，魚雷發(fā)動機是魚雷的主要動力系統(tǒng)，這是一種外燃活塞式凸輪發(fā)動機，采用轉(zhuǎn)閥配氣方法進行動力驅(qū)動，將魚雷燃料在燃燒室中進行充分燃燒，使用互鎖閥驅(qū)動發(fā)動機的動力裝置，將燃料燃燒產(chǎn)生的高溫高熱燃氣作為動力驅(qū)動工質(zhì)，實現(xiàn)魚雷動力驅(qū)動[1]。魚雷發(fā)動機作為一種活塞式的凸輪發(fā)動機，在轉(zhuǎn)閥配氣和螺旋槳驅(qū)動過程中，需要進行發(fā)動機的優(yōu)化動力控制，結(jié)合智能控制技術，提高發(fā)動機的輸出動力和功率，確保魚雷的穩(wěn)定運行，研究凸輪發(fā)動機的智能控制技術，在魚雷動力系統(tǒng)設計中具有很好的應用價值。

魚雷活塞式凸輪發(fā)動機的轉(zhuǎn)閥和互鎖閥是控制魚雷發(fā)動機燃油進出油量的重要裝置，在魚雷發(fā)動機喘振放空閥瞬間產(chǎn)生進油指令，對發(fā)動機控制的基礎是進行互鎖閥轉(zhuǎn)閥控制，結(jié)合正反向的旋轉(zhuǎn)雙軸控制方法，將燃氣熱能轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動螺旋槳轉(zhuǎn)動的機械功，并帶動海水泵和燃料泵及發(fā)動機工作[2]。為了改善活塞式凸輪發(fā)動機工況，提高活塞式凸輪發(fā)動機的工作效率，本文提出一種基于正反向旋轉(zhuǎn)雙軸輸出控制的魚雷活塞式凸輪發(fā)動機的智能控制方法。首先構造魚雷活塞式凸輪發(fā)動機控制約束參量模型，發(fā)動機采用轉(zhuǎn)閥配齊方法進行燃氣熱能驅(qū)動控制，然后采用錐形滾動軸承轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)方法進行凸輪發(fā)動機的運轉(zhuǎn)工質(zhì)調(diào)節(jié)，采用正反向旋轉(zhuǎn)雙軸輸出調(diào)節(jié)方法提高發(fā)動機驅(qū)動機械功，結(jié)合單片機進行魚雷活塞式凸輪發(fā)動機的計算機智能控制，最后進行仿真測試，展示了本文方法在提高發(fā)動機智能控制能力方面的優(yōu)越性。

1 發(fā)動機的工作原理和結(jié)構組成

本文研究的某型魚雷動力系統(tǒng)所用的發(fā)動機采用活塞式凸輪機，采用轉(zhuǎn)閥配氣進行發(fā)動機的燃料調(diào)節(jié)，采用正反雙向旋轉(zhuǎn)雙軸輸出方法進行發(fā)動機的工質(zhì)輸出控制，發(fā)動機的燃燒室安裝在隔板組件上，將內(nèi)裝的固體藥柱燃燒產(chǎn)生的初始燃氣作為發(fā)動機的啟動工質(zhì)，將魚雷燃料燃燒產(chǎn)生的高溫高壓燃氣作為發(fā)動機連續(xù)運轉(zhuǎn)的工質(zhì)。發(fā)動機的功能是將燃料燃燒生成的高溫高壓燃氣熱能連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動螺旋槳旋轉(zhuǎn)的機械功，并帶動海水泵和燃料泵及發(fā)電機工作[3]。

發(fā)動機由帶動前螺旋槳轉(zhuǎn)動的外軸組件和帶動后螺旋槳轉(zhuǎn)動的內(nèi)軸組件兩大部分組成，內(nèi)、外軸組件前段與軸承相連，采用離心式轉(zhuǎn)動控制方法，進行讓發(fā)動機的錐形滾動軸承接觸控制，提高發(fā)動機的轉(zhuǎn)動驅(qū)動控制能力。發(fā)動機的配流部分在泵的中部，配流閥通過流盤、配流環(huán)進行泵軸轉(zhuǎn)動控制，燃料在一定的壓力作用下，經(jīng)過配流閥進入柱塞孔內(nèi)，泵軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，使油缸配流窗口和動力輸出區(qū)域連通，燃料泵的工況預先設定好，并通過單向閥輸送到燃燒室做功[4]，根據(jù)上述原理，進行魚雷活塞式凸輪發(fā)動機的優(yōu)化控制設計。

2 被控對象描述及凸輪發(fā)動機控制律優(yōu)化

2.1 被控對象描述

首先構建活塞式凸輪發(fā)動機控制總體結(jié)構模型，活塞式凸輪發(fā)動機控制建立在燃料泵的配流分析和控制約束參量特征分析基礎上，采用加速度計和磁力閥進行活塞式凸輪發(fā)動機的流量調(diào)節(jié)和燃燒室做功調(diào)節(jié)，采用時滯跟蹤補償模型構建活塞式凸輪發(fā)動機控制的約束參量模型[5]，得到活塞式凸輪發(fā)動機擾動控制的被控對象模型如圖1所示。

圖1 活塞式凸輪發(fā)動機擾動控制的被控對象模型

Fig.1Controlledobjectmodelfordisturbancecontrolofpistoncamengine

在圖1所示的活塞式凸輪發(fā)動機擾動控制對象模型中，采用自適應線性抗擾動方法建立發(fā)動機控制的慣性約束模型描述為：

(1)

其中，f1(s)和f2(s)表示發(fā)動機的工質(zhì)輸出飽和項和時滯項，采用積分補償方法，得到時滯控制對象模型描述為：

(2)

研究中，根據(jù)執(zhí)行機構的做功性能，結(jié)合模糊控制方法進行活塞式凸輪發(fā)動機控制的輸出功率調(diào)節(jié)[6]，得到發(fā)動機的動力輸出函數(shù)為：

(3)

其中，C1(s)為配流控制約束項，C2(s)為配流環(huán)的擾動函數(shù)。

進一步弱化飽和對系統(tǒng)的影響，對活塞式凸輪發(fā)動機的擾動項進行自適應加權學習[7]，得到活塞式凸輪發(fā)動機的動力學特征參量為：

(4)

由此構建活塞式凸輪發(fā)動機控制對象模型，在外變干擾下采用模糊約束方法進行活塞式凸輪發(fā)動機的耦合處理，實現(xiàn)燃料泵的流量控制。

2.2 控制約束參量分析及控制算法

為了實現(xiàn)對魚雷活塞式凸輪發(fā)動機的自動控制設計，需要分析魚雷活塞式凸輪發(fā)動機控制輸入輸出關系模型，假設G0(s)e-τs是魚雷發(fā)動機的功率傳遞函數(shù)，Gc(s)是燃料輸出的密度，Y(s)與e-tms是海水泵的動力輸出和時滯變量。當發(fā)動機的電磁閥的特征量滿足Gm(s)=G0(s)，tm=τ，凸輪式發(fā)動機的電磁閥的節(jié)氣門反饋傳遞函數(shù)為：

H(s)+Y(s)=Gm(s)U(s)

(5)

采用Laplace變換進行活塞式凸輪發(fā)動機自抗擾控制[8]，發(fā)動機外軸的動力輸出表示為：

(6)

(7)

根據(jù)上述控制算法設計，采用錐形滾動軸承轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)方法進行凸輪發(fā)動機的運轉(zhuǎn)工質(zhì)調(diào)節(jié)，采用正反向旋轉(zhuǎn)雙軸輸出調(diào)節(jié)方法提高發(fā)動機驅(qū)動機械功，實現(xiàn)發(fā)動機的控制算法優(yōu)化設計[9]。

3 發(fā)動機智能控制設計

在構造魚雷活塞式凸輪發(fā)動機控制約束參量模型和發(fā)動機的結(jié)構特征分析的基礎上，進行發(fā)動機控制模型的優(yōu)化設計，本文提出一種基于正反向旋轉(zhuǎn)雙軸輸出控制的魚雷活塞式凸輪發(fā)動機的智能控制方法。采用正反向旋轉(zhuǎn)雙軸輸出調(diào)節(jié)方法提高發(fā)動機驅(qū)動機械功，結(jié)合單片機進行魚雷活塞式凸輪發(fā)動機的計算機智能控制，本文設計的魚雷活塞式凸輪發(fā)動機智能控制系統(tǒng)由發(fā)動機控制信息調(diào)制解調(diào)模塊、上位機通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、活塞式凸輪發(fā)動機控制設備的嵌入式控制模塊和人機交互模塊組成，提取反映活塞式凸輪發(fā)動機控制信息的頻譜特征，實現(xiàn)活塞式凸輪發(fā)動機控制信息的多通道信息融合，采用嵌入式技術進行發(fā)動機的控制系統(tǒng)開發(fā)[10]，使用51單片機進行魚雷活塞式凸輪發(fā)動機的計算機智能控制，以ADI公司的ADSP21160處理器系統(tǒng)作為核心控制器，對各個功能模塊的設計描述如下。

(1)活塞式凸輪發(fā)動機總線控制模塊?；钊酵馆啺l(fā)動機總線控制模塊是實現(xiàn)發(fā)動機的實時數(shù)據(jù)采集功能，采用16位DSP進行傳感信息處理，采用20條左右的單周期指令進行多線程控制，得到活塞式凸輪發(fā)動機總線控制模塊電路如圖2所示。

(2)活塞式凸輪發(fā)動機的嵌入式控制模塊?；钊酵馆啺l(fā)動機的嵌入式控制模塊是動力系統(tǒng)的核心，采用PCI9054的LOCAL 總線進行控制程序加載，采用ZigBee技術進行活塞式凸輪發(fā)動機控制時鐘采樣，采用 8 位和 16 位單片機微控制器進行魚雷活塞式凸輪發(fā)動機的智能控制，控制模塊電路設計如圖3所示。

(3)活塞式凸輪發(fā)動機控制調(diào)制解調(diào)模塊。調(diào)制解調(diào)模塊采用AD公司的AD9225芯片設計，根據(jù)活塞式凸輪發(fā)動機控制的AD采樣需求，采用正反向旋轉(zhuǎn)雙軸輸出調(diào)節(jié)方法提高發(fā)動機驅(qū)動機械功，結(jié)合單片機進行魚雷活塞式凸輪發(fā)動機的計算機智能控制，采用并行外設接口進行人機交互設計，根據(jù)上述設計描述，得到活塞式凸輪發(fā)動機控制信息的調(diào)制解調(diào)模塊的電路設計如圖4所示。

綜上分析，結(jié)合單片機進行魚雷活塞式凸輪發(fā)動機的計算機智能控制，提高魚雷活塞式凸輪發(fā)動機輸出增益，實現(xiàn)對魚雷活塞式凸輪發(fā)動機的智能控制設計。

圖3 活塞式凸輪發(fā)動機的嵌入式控制模塊電路

圖4 活塞式凸輪發(fā)動機控制調(diào)制解調(diào)模塊設計

Fig.4Designofcontrolmodulationanddemodulationmoduleforpistoncamengine

4 仿真實驗與結(jié)果分析

圖5 發(fā)動機的控制增益輸出

分析圖5得知，采用本文方法進行魚雷活塞式凸輪發(fā)動機控制的增益較高，發(fā)動機的燃料工質(zhì)效率較高，提高了魚雷發(fā)動機的輸出穩(wěn)定性，測試不同方法進行發(fā)動機控制的收斂曲線，如圖6所示。分析圖6得知，本文方法進行魚雷活塞式凸輪發(fā)動機控制的收斂性較好，魯棒性較高。

圖6 控制收斂曲線對比

5 結(jié)束語

魚雷發(fā)動機是一種活塞式的凸輪發(fā)動機，在轉(zhuǎn)閥配氣和螺旋槳驅(qū)動過程中，需要進行發(fā)動機的優(yōu)化動力控制，結(jié)合智能控制技術，提高發(fā)動機的輸出動力和功率，確保魚雷的穩(wěn)定運行。本文提出一種基于正反向旋轉(zhuǎn)雙軸輸出控制的魚雷活塞式凸輪發(fā)動機的智能控制方法。構造魚雷活塞式凸輪發(fā)動機控制約束參量模型，采用錐形滾動軸承轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)方法進行凸輪發(fā)動機的運轉(zhuǎn)工質(zhì)調(diào)節(jié)，采用正反向旋轉(zhuǎn)雙軸輸出調(diào)節(jié)方法提高發(fā)動機驅(qū)動機械功，結(jié)合單片機進行魚雷活塞式凸輪發(fā)動機的計算機智能控制，進行控制系統(tǒng)的硬件設計開發(fā)。測試表明，本文設計的發(fā)動機控制系統(tǒng)具有較高的控制增益，提高了魚雷發(fā)動機的動力輸出穩(wěn)定性和魯棒性。