CN1046398A - 飞机螺旋桨的转速和桨距的地面状态控制 - Google Patents

Abstract

本发明揭示和描述了一种地面状态的桨距位置逻辑和控制以及根据驱(致)动装置(驱动器)的指令设定、螺旋桨超速和螺旋桨欠速来预定和限定桨距驱动器和参考信号的方法。

Description

本发明涉及当飞机处于地面状态时过渡（暂态）期间调节螺旋桨的转速和桨距（Pitch）的控制。

利用螺旋桨的飞机推进系统必须同时控制发动机功率和螺旋桨转速。用于完成这种任务的控制变量主要是发动机燃料和螺旋桨桨叶角（螺距角）。在大多地面操作期间，发动机燃料控制螺旋桨转速，而螺旋桨桨距（螺距）设定发动机的功率。在飞行操作期间，发动机燃料一般用于控制发动机的功率，而螺旋桨桨距控制螺旋桨的转速。

发动机供给的功率和螺旋桨吸收功率之间的失配将引起不能接受的螺旋桨转速的变化。当螺旋桨调速器不能使速度控制迅速变化以跟踪设定的功率变化时，就会出现失配现象。例如，地面状态操纵设定螺旋桨桨距以获得一预定功率。螺旋桨桨距的这些变化能使螺旋桨吸收功率的变化快于发动机的供给功率的变化，从而产生功率失配，这种失配引起不希望的螺旋桨转速的变化。

在地面操纵期间，保持螺旋桨转速接近常数是非常重要的。这样做的必要性是由于使用了辅助设备，如由螺旋桨减速箱驱动的交流发电机（alternators）。辅助设备要求螺旋桨转速的变化不要太大。在已有技术中众所周知的是，当螺旋桨功率减少时，螺旋桨吸收功率的降低快于发动机使功率降低的能力，因此产生螺旋桨的超（过）速状态。换句话说，如果指令桨叶角减少，则由于发动机的迟后会使螺旋桨加速，结果使螺旋桨超（过）速。理想的目标是地面操纵期间螺旋桨转速恒定不变。

本发明通过用螺旋桨桨距的（变化）速率极限（限定值）apropeller    pitch    rate    limit）来限制螺旋桨吸收功率的变化率，部分地解决螺旋桨速度的控制问题。这就是对桨叶角（propeller    angle）变化率的固定速率极限。

在地面状态操作中，发动机燃料用于控制螺旋桨速度，而螺旋桨桨距作为指令功率（PLA）的函数（a    function    of    commanded    power（PLA）），指令PLA的快速变化会引起螺旋桨桨距的快速变化从而相应地引起螺旋桨吸收功率的快速变化。目前的技术通过采用螺旋桨桨距速率极限限制螺旋桨吸收功率的变化率而部分地解决了这个问题。然而，仍然存在发动机的制约因素（constraints）阻碍发动机对供给功率进行快速变化而不能与螺旋桨吸收功率的预定变化相匹配的情况。这种功率失配的结果是一种不希望的螺旋桨转速的过度变化。

按照本发明，螺旋桨转速误差在过渡状态期间能用于修正螺旋桨桨距变化预定值，使螺旋桨吸收功率的变化率不超过发动机对供给功率进行变化（变化率）的能力。事实上，当发动机供给功率的变化率处于或接近于它的变化率极限时，螺旋桨桨距在过渡状态期间提供螺旋桨转速的控制（调节）。利用螺旋桨桨距控制（调节）螺旋桨转速，在已有技术中仅限于空中飞行控制、而不用于地面操纵。三种过渡状态可以从本发明得到益处，它们是：

1）当处于地面状态和正推力状态时，指令PLA减少。

2）当处于地面状态和正推力状态时，指令PLA增加（增加发动机供给功率）。

3）当处于地面状态和反推力状态时，指令反推力增加（这也需要增加发动机供给功率）。

三种过渡状态叙述如下。

当处于地面状态和正推力状态时，指令PLA减少。本发明所述这一概念是将减少桨距的桨距速率极限（rate    limit）改为螺旋桨超（过）速误差的预定函数。当螺旋桨超速变大时，则螺旋桨桨距速率极限变得较小。事实上，减少着的螺旋桨桨距较慢地移动，以便使螺旋桨吸收功率与现有的发动机供给功率降低的速率相匹配。当桨距减少到接近或低于小桨距（flat    pitch）时，该桨距速率极限被删除。

当处于地面状态和正推力状态时，指令PLA增加。这一概念与PLA减少的概念类同。增加桨距速率极限是螺旋桨欠速误差的预定函数。当螺旋桨欠速拉大时，螺旋桨桨距速率极限变得较小。事实上，螺旋桨桨距增加较慢地移动，以便使螺旋桨吸收功率与现有的发动机供给功率的增加速率相匹配（相对应）。当桨距接近或低于小桨距（flat    pitch）时，该桨距速率极限被删除。

当处于地面状态和反推力状态时，指令反推力增加（发动机供给功率增加）。这种逆桨距极限是螺旋桨欠速的预定的函数。当螺旋桨欠速拉大时，该桨距被限到较小逆桨距（less    reverse    pitch）。事实上，螺旋桨桨距将朝着预定的逆桨距变化，从而产生不会超过发动机增加供给功率能力的螺旋桨吸收功率。

本发明使用发动机全规范数字电子控制（FADEC）（the    engine    full    authority    digital    electronic    control）逻辑来解决上述问题。实现本发明新概念的控制逻辑可以有多种形式。这里描述了一种实现控制逻辑的方法，就是一种使用FADEC逻辑的方法。然而，应该理解本发明也可用其它数字发动机控制，如电子发动机控制（EEC）（Electronic    Engine    Control）来完成。

在已有技术中，地面状态操作的螺旋桨桨距的控制将桨距致动装置（actuator）位置的参考信号（XSREFS）作为PLA的函数如图1中所示。在图1中，单变量函数是个变换表查找，B-3/4REF是3/4半径处的指令桨叶角。单变量函数1和等式2可在FADEC逻辑中实现。输出到桨叶位置伺服机构的XSREFS也表示在图3中。通常，XS是指桨距致动装置的伺服机构的位置。用于典型桨距控制的桨距驱动器（致动装置，下同）位于螺旋桨中心线上，且驱动器的活塞与螺旋桨中的每个桨叶分别相联。因此，驱动器活塞的线性位置（XS）能直接转换为螺旋桨桨叶角（propeller    pitch    angle）。

本发明上述的和其它目的，特征和优点，通过结合附图对其较佳实施例的详细描述将变得更为清楚。

图1    表示已有技术的、将桨距驱动器的参考信号（XSREFS）作为PLA（功率杠杆角（power    lever    angle））的函数的地面状态操作图（operation    schedule）。

图2    是导出用于图3和图4中的（变化）速率限制方法的等式的伺服机构的简化实例。

图3    表示按照本发明、包括超速和欠速限制的桨距驱动器的参考信号的整体表达图。

图4    表示地面状态桨距位置预定逻辑（schedule    logic）的流程图。

实现本发明的控制逻辑表示在图3和图4中。图3中标为“地面状态桨距位置的预定逻辑16”的方框，在图4中详细示出。在图4逻辑中使用的桨距驱动器的速率限制方法用图2和等式1至5进行说明。表1和表2列出了图2、3和4中的技术用语和它们的定义，这些术语和定义对于本技术领域的技术人员是很容易理解的。

图2    是一个简化了的典型伺服机构的线性化框图，它将用于解释在图3和图4中使用的速率限制的方法。图2表明伺服机构输出位置X。伺服机构输出的速度是XDOT，其计算如下：

（1）XDOT＝（XREF-XSEN）×KV

重整等式1求解XREF可得：

（2）XREF＝XSEN+XDOT/KV

用XDLIM替代XDOT，可使伺服机构的速度XDOT与速率极限XDLIM相等。

（3）XREF＝XSEN+XDLIM/KV

表1

图2、3和4中各变量的说明

B3/4    REF：    在螺旋桨半径3/4处的指令螺旋桨桨距角（propeller    pitch    angle）。

DXSRD：    计算得出的减少桨距变化速率的极限参数

DXPSRI：    计算得出的增加桨距速率极限参数

NP：    螺旋桨转速

NPSA：    读出（测出）的具有动态补偿的螺旋桨速度

NPSEN：    读出的螺旋桨速度

PLA：    指令的功率杠杆角（power    lever    angle）

X：    典型的伺服机构的位置输出

XDOT：    典型的伺服机构的速度（或速率）输出

XREF：    典型伺服机构的参考位置

XSFWDR：    桨距致动装置（驱动器）的位置，在这位置上桨距驱动器速率极限被删除/引用

XSREF：    桨距驱动器的位置参考信号，它包含对于超速和欠速限定的任何可行的改变（修改），

XSREF1：    确定最大允许逆桨距的桨距驱动器的位置参考信号

XSREF2：    由用增加桨距和减少桨距速率极限修正的XSREFS组成的桨距驱动器的位置参考信号

XSREFS：    桨距驱动器的位置参考信号，它是PLA的预定函数

XSSEN：    桨距驱动器的读出（测出）位置

表2

图2、3和4中的常量说明

DXSREV：    来自满逆向位置的XSREF1最大可允许的再设定（reset）

DXSRMN：    对于桨距驱动器的最小可允许的增加桨距速率的极限

-DXSRMN：    对于桨距驱动器的最小可允许的减少桨距速率的极限

DXSRMX：    对于桨距驱动器的最大可允许的增加桨距速率的极限

-DXSRMX：    对于桨距驱动器的最大可允许的减少桨距速率的极限

GGNP：    正推力超速和欠速限定器的控制增益。该增益是DXSRI（或DXSRD）除以NPSA的每分钟转数的单位数

GNPREV：    反推力欠速极限（limits）的控制增益。该增益是XSREF1除以NPSA的每分钟转数的英寸数。

KV：    典型伺服机构的速度常量

NPREVR：    螺旋桨的欠速，在这速度上反向欠速极限开始重置XSREF1

NPRO：    螺旋桨的超速，在这速度上减少桨距极限开始减小最大速率极限

NPRU：    螺旋桨的欠速，在这速度上增加桨距极限开始减小最大速率极限

PLAX：    在要求反推力时确定PLA的位置

TAUNP：    螺旋桨测得速度提前补偿的时间常数

TNPOSG：    螺旋桨速度传感器的时间常数

XDLIM：    典型伺服机构的速率极限

XSNRM：    桨距驱动器的位置，当需要正推力时，在此位置上速率极限被删除

XSRATO：    桨距驱动器的位置，当需要反推力时，在此位置上速率极限被删除

图2和等式（1）、（2）和（3）表明：通过确定伺服机构参考值XREF为所测得的伺服机构输出XSEN现行值加上增量XDLIM/KV之和，就可获得伺服机构的速率的极限。该伺服机构的速率极限置于增量XDLIM/KV之中。图4中的增加桨距速率极限的计算如下所示：

（4）XSREF2＝XSSEN+DXSRI

这里DXSRI与等式（3）中的XDLIM/KV等效。同样，图4按

（5）XSREF2＝XSSEN+DXSRD来计算减少桨距速率极限。这儿DXSRD与等式（3）中的XDLIM/KV相等。

应当看到其他手段也可实现控制逻辑中的速率极限。本发明可用任何增加桨距速率极限和减少桨距速率极限的任何手段来完成。

从螺旋桨速度NP计算速率极限DXSRD、DXSRI和XSREFI的过程示于图3中。方框10表示螺旋桨速度传感器的动态响应。该速度传感器的动态响应用时常数为TNPOSG的一阶延迟近似，以产生测出的螺旋桨速度NPSEN。方框11对测得螺旋桨速度进行动态补偿，方框11中的动态补偿是超前时间常数为TAUNP的提前量补偿。方框11的输出是经补偿了的测得螺旋桨速度NPSA（12）。方框10和11两者中的S是拉普拉斯变换操作符（算符）。

增大伺服机构位置XS，相应于增加桨距B。因此，每当指示XS增大就意味着相关联的螺旋桨桨距增加，现在参看图3，方框13表示了计算桨矩驱动器的位置参考信号XSREF1的一种方法，该信号在反推力状态下提供欠速限定。XSREF1预定作为测得的桨距驱动器的位置的函数。最大反推力发生在驱动器位置等于XSRO时。当NPSA大于NPREVR时，螺旋桨不欠速。当NPSA小于NPREVR时，XSREF1预定小于最大反推力桨距驱动器的位置XSRO。控制增益为NPSA欠速的每分钟转数（RPM）分之XSREF1的GNPREV英寸数，来自满反推力位置的XSREF1的最大重置量是桨距驱动器位置的DXSREV英寸数。这样，伺服机构位置移动（即速率）量限定为螺旋桨欠速的函数。

现在参看方框14，方框14表明了一种计算增加桨距速率极限参量DXSRI的方法。方框14表明：当NPSA大于NPRU（即螺旋桨不欠速）时，则DXSRI处于最大增加桨距速率极限DXSRMX。当NPSA小于NPRU时，则DXSRI预定小于最大增加桨距速率极限。控制增益是NPSA的每RPM分之DXSRI的GGNP单位数，增加桨距速率极限参数DXSRI的最小值是DCSRMN。

现在参看方框15。方框15中表明了一种计算减少桨距速率极限参数DXSRD的方法。方框15表明：当NPSA低于NPRO（即不超速）时，DXSRD处于最大减少桨距速率极限（-DXSRMX）。当NPSA大于NPRO时，DXSRD预定低于最大减少桨距速率极限。控制增益为NPSA的每RPM分之DXSRD的GGNP单位数。减少桨距速率极限参数DXSRD的最小值是（-DXSRMN）。

方框17和方框18表明了产生项XSREFS的逻辑、该项是桨距驱动器预定位置的参考信号。这种信号的产生是已有技术中众所周知的，而且也表明在图1中。

上面所述的信号DXSRI、DXSRD和XSREFS输入到方框16。其它输入到方框16的是功率杠杆角（Power    lever    angle）（PLA）和桨距驱动器的测出（读出）位置（XSSEN）。对图3、方框16中的逻辑的详细描述示于图4。现在参看图4，框20表示功率杠杆角（PLA）与一个常量PLAX作比较。PLA低于PLAX意味着需要反推力，而PLA大于PLAX表明不需要反推力。框21和框22中计算的XSFWDR是桨距驱动器的位置，在该位置上驱动器速率极限逻辑被删除。当PLA需要反推力时，框21置XSFWDR＝XSRATO。当PLA不需要反推力时，框22置XSFWDR＝XSNRM。框23将桨距驱动器测得的位置XSSEN与速率极限逻辑被删除的桨距驱动器的位置XSFWDR作比较。

图3和图4表明一种计算速度调节的桨距控制的方法。图3表明一种计算增加桨距速率极限信号（DXSRI）和减少桨距速率限定信号（DXSRD）的方法。

一个存在于右边正推力和左边反推力之间的低（小）桨距的区域（范围）。由于螺旋桨从气流中吸收能量而使螺旋桨速度增加，在低（小）桨距附近，它能抵抗桨距变化的速率的减慢。在这区域中，一个慢的桨距变化速率会产生较高的螺旋桨过速。因此，在接近低桨距的这一区域中，桨距速率控制被删除。

回过来参看图4、框23，当XSSEN小于XSFWDR时，则速率极限逻辑被删除。通过设置XSREF2与PLA的预定驱动器的参考位置XSREFS相等，在框24就能有效地删除速率极限逻辑。当XSSEN大于或等于XSFWDR时，框23产生速率极限逻辑。框25将桨距驱动器测得的位置XSSEN与预定的驱动器的位置XSREFS作比较。XSREFS低于XSSEN（框25）表明桨距减少，且减少桨距速率极限的驱动器的参考位置在框26中进行计算。框26和框29使用先前用图2和等式1至5描述的速率限定方法。

框27将处于速率极限XSREF2时的驱动器的参考位置与预定的驱动器的参考位置作比较。当XSREFS大于XSREF2时表明XSREFS需要低于最大减少桨距速率。然后，如框28所示，置驱动器参考位置XSREF2与XSREFS相等。再往回参看框25，当满足条件XSREFS大于XSSEN时表明桨距在增加，增加桨距速率极限在框29中进行计算。框30将速率限定的驱动器的参考位置XSREF2与预定的驱动器的参考位置XSREFS作比较。当满足条件XSREFS低于XSREF2时表明XSREFS需要低于最大增加桨距速率。然后如框31所示，将驱动器参考位置XSREF2设置得与XSREFS相等。地面状态桨距位置预定逻辑产生一输出信号XSREF2（32），如图3和图4两者所示，其中XSREF2包含任何可应用的正向推力增加桨距和减少桨距的速率极限。现在再参看图3，驱动器参考位置的较高值XSREF2（32）和最大许可反推力桨距参考信号XSREF1（33）在框34被选择以产生桨距驱动器参考信号XSREF（35）。这里提供的描述表明：XSREF（35）是修正后的预定桨距驱动器参考位置XSREFS，它包括任何可应用的增加桨距速率极限、减少桨距速率极限和逆桨距位置极限（reverse    pitch    position    limit）的。

虽然本发明根据其最佳实施例作了说明和描述，但本技术领域中的技术人员应该理解，在其形式和具体细节上可以有种种变化。省略和删除，这种种变化、省略和删除仍落在本发明的精神实质和范围之内。

Claims (18)

1、当处于地面状态和正推力操纵时，一种控制飞机推进系统的方法，它包含：

发出功率(功率杠杆角，PLA)变化指令；和

限定螺旋桨吸收功率的变化速率，以使所述螺旋桨吸收功率的变化速率不超过发动机的供给功率的变化速率的能力。

2、当处于地面状态时，一种减少飞机螺旋桨速度的过度变化的方法，这里发动机燃料用于控制（调节）螺旋桨速度而螺旋桨桨距预定作为指令功率（PLA）的函数，该方法包含：

检测螺旋桨速度误差;和

在过渡状态下改变所述螺旋桨桨距速率预定值使其作为所述螺旋桨速度误差的函数。

3、在处于地面状态时的过渡状态期间的一种控制螺旋桨吸收功率的装置，该装置包含：

检测螺旋桨速度（Np）、功率杠杆角（PLA）、和桨叶桨距位置（x）的装置;

改变桨叶桨距速率极限使其作为螺旋桨过速误差的预定函数的装置。

4、如权利要求3所述装置，其特征在于所述速度误差是过速误差。

5、如权利要求3所述装置，其特征在于所述速度误差是欠速误差。

6、如权利要求3所述装置，其特征在于增加桨距的桨距速率极限是螺旋桨欠速误差（US）的预定函数。

7、如权利要求3所述装置，其特征在于进一步包含当处于逆桨距（REV）操作时，预定逆桨距极限使其作为螺旋桨欠速的预定函数的装置。

8、一种处于地面状态操作时的螺旋桨桨距控制的装置，该装置包含：

计算增加桨距速率极限信号（DXSRI）和计算减少桨距速率极限信号（DXSRD）的装置;

检测功率杠杆角（PLA）的装置;

检测桨距驱动器的变化（XSSEN）的装置;

从功率杠杆角计算桨距驱动器的变化的参考信号（XSREFS）的装置;和

当桨距速率增加时，通过把增加桨距速率信号（DXSRI）加到所检测的桨距变化驱动器位置（XSSEN）进行计算速率限定驱动器位置的参考信号（XSREF2）的装置。

9、一种处于地面状态操作时的螺旋桨桨距的控制装置，该装置包含：

计算增加桨距速率极限信号（DXSRI）和计算减少桨距速率极限信号（DXSRD）的装置;

检测功率杠杆角（PLA）的装置;

检测桨距驱动器的变化（XSSEN）的装置;

从功率杠杆角计算桨距变化的参考信号（XSREFS）的装置;和

当桨距速率下降时，通过把减少桨距速率信号（DXSRI）加到所检测的桨距变化驱动器位置（XSSEN）来计算速率限定驱动器位置的参考信号（XSREF2）的装置。

10、如权利要求8所述装置，其特征在于所述桨距速率信号是被伺服机构速度常量（Kv）所除的驱动器极限（XDLIM）的变化速率。

11、一种处于地面状态操作期间的螺旋桨桨距控制装置，它包含：

改变所述螺旋桨的桨距的驱动器装置;

限定螺旋桨桨距速率增加（XDLIM/KV）到一个与桨距驱动器增加的变化速率成正比的固定值的装置。

12、如权利要求2所述装置，其特征在于所述桨距速率增加是驱动器的变化速率的极限（XDLIM）除以螺旋桨位置伺服机构的伺服机构速度常量（KV）。

13、如权利要求2所述装置，其特征在于所述螺旋桨桨距控制，当所述螺旋桨桨距逆转时（REV）与正常预定的桨距速率相等。

14、如权利要求2所述装置，其特征在于所述桨距速率极限，当所述螺旋桨桨距处于低（flat）桨距区域内时，被删除。

15、一种处于过渡状态和地面状态时的控制螺旋桨速度调节器的装置，这里螺旋桨桨距在所述过渡期间提供速度调节。

16、一种处于过渡状态和地面状态时的控制螺旋桨桨距作为螺旋桨速度误差的预定函数的装置。

17、如权利要求1所述装置，其特征在于所述螺旋桨桨距控制，当所述桨距逆转（REV）时，与正常预定的速率相等。

18、如权利要求3所述的装置，其特征在于减少桨距的桨距速率极限是螺旋桨过速误差（OS）的预定函数。

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