《航空发动机控制》课程设计及综合实验指
导书
张天宏 编
南京航空航天大学能源与动力学院
系统控制与仿真研究室
2004年12月
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目 录
1．引言 ............................................................................................................................... 3 2．课程设计任务单 ........................................................................................................... 5
2．1 示例1 ................................................................................................................ 5 2．2 示例2 ................................................................................................................ 6 2．3 示例3 ................................................................................................................ 7 2．4 示例4 ................................................................................................................ 8 2．5 示例5 ................................................................................................................ 9 3．课程设计专题指导 ..................................................................................................... 10
3．1“数字电子控制器总体设计”课程设计指导 ................................................. 10 3．2“数字电子控制器控制算法设计”课程设计指导 ....................................... 13 3．3“数字电子控制器的实现与验证”课程设计指导 ....................................... 15 3．4“串行通信接口设计”课程设计指导 ........................................................... 17 3．5 “典型功能电路模块设计”课程设计指导 .................................................... 19 4．常用参考资料 ............................................................................................................. 21
4．1“数字电子控制器总体设计”参考资料 ........................................................... 21 4．2 “数字电子控制器控制算法设计”参考资料 .................................................. 31 4．3“数字电子控制器的实现与验证”参考资料 ............................................... 40 4．4“串口通信接口设计”参考资料 ................................................................... 55 4．5“典型功能电路模块设计”参考资料 ............................................................. 64 图4.5-4 运算放大器引脚图 ................................................................................... 68 4．6 电路设计软件Protel 99简介 ........................................................................ 76 4．7 Multisim 2001简介 ......................................................................................... 78 4．8其他参考电路图 .............................................................................................. 80
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1．引言
“航空发动机控制”是飞行器动力工程专业的一门主干专业课程，它包括 “发动机控制元件”和“发动机控制系统”两部分内容。在过去的几十年间，南航飞行器动力工程专业控制方向的专业课程设计，一直是针对某型航空柱塞泵进行相关的机械设计。
在新世纪教学改革思想的指导下，从提高教学效果、深化教育改革和全面推进素质教育的角度，提出了“航空发动机控制”课程设计的教学改革思路，并制定了实施办法。
新的课程设计采用全新的适用于“现代航空发动机控制”的教学体系，将原先的机械设计内容变革为电子控制系统设计。学生通过综合应用发动机控制、电工电子学、自动控制、自动检测、计算机控制等课程的知识，进行一系列的工程实践。该课程设计可以帮助学生提高学习兴趣，增强分析问题和解决问题的综合能力。
具体的改革方案是：将以前的仅针对航空油泵的机械设计改革成针对全权限数字电子控制（FADEC）系统中数字电子控制器的综合设计，包括硬件电路模块和数字控制器程序模块的设计与实践。
FADEC系统的数字电子控制器一般包括：与各种传感器接口的信号调理与模数转换电路构成的前向控制通道、由处理器及数字控制算法构成的核心数字控制器、由数模转换与驱动电路等构成的后向控制通道，另外还包括故障检测与切换电路、控制器电源等。
由于课程设计时间有限，所以将FADEC系统的数字电子控制器分解成多个小的电路模块和程序模块，这样便于任务的分配和考核，并且使课程设计的内容多样化。
主要电路模块包括：各种传感器信号调理模块（转速信号、位移信号、压力信号、温度信号、流量信号等）、各种控制驱动模块（燃油控制、喷口控制、导叶角控制等）、数字处理模块、AD转换模块、DA转换模块、故障检测模块、通道切换模块、电源模块等。
主要程序模块包括：监控程序模块、各种控制器算法模块（比例控制器、比例积分控制器、比例微分控制器、比例积分微分控制器、模糊控制器、前馈控制器、串级控制器、各种最优控制器等）、起动控制模块、加减速控制模块、加力控制模块、自测试模块、通信接口模块等。
以上各种模块的合理组合，可以构成一个完整的数字电子控制器。为了考核所设计控制器的性能，将开发一种廉价的半物理仿真试验接口模拟器。图1-1是模块化的航空发动机数
字电子控制器及其半物理仿真试验环境示意图。
为了便于教学指导，在课程设计的实施过程中，将学生分成数字电子控制器总体设计、数字电子控制器控制算法设计、数字电子控制器的设计与验证、串行通信接口设计、典型功能电路模块设计5个组，分别由相关的老师负责指导。
学生在课程设计的过程中，要仔细阅读课程设计任务单、相关的课程设计专题指导及参考资料，积极参加针对课程设计内容的专题讲座，认真领会课程设计指导书中的方法、手段，努力独立完成任务单规定的内容，从数字电子控制器的整体角度来领会课程设计的目的，并尽可能多地了解本组和其他组同学的设计内容。
同样由于课程设计时间有限，学生在课程设计过程中开展的研究工作是有限的。将航空发动机控制方向综合实验与课程结合起来，可以较好地解决课程设计时间不够的问题，同时，便于将设计和实验的内容结合起来，提高教学效果。另一方面，为了实现完整的数字电子控制器，需要前后几届学生的研究内容具有继承性和连贯性，但是课程设计的目标和研究思路应具有一致性。
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