江 群,王道波,李 猛
(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,江蘇 南京 210016)
多能源組合渦輪動(dòng)力裝置是先進(jìn)飛機(jī)上的重要機(jī)載設(shè)備,可以為飛機(jī)提供備份的電源和液壓源,即當(dāng)飛機(jī)主電源和液壓源失效或主動(dòng)力失效的情況下及時(shí)向飛機(jī)提供備份電源和液壓源,以保證飛機(jī)正常飛行[1,2]。電子控制器用于實(shí)現(xiàn)這種渦輪動(dòng)力裝置的起動(dòng)、加速、恒速、故障識(shí)別和回路切換的控制,是該動(dòng)力裝置的重要部件。為了保證電子控制器的正常工作,在其投入正常工作之前,需對(duì)其進(jìn)行整機(jī)檢測(cè),但渦輪動(dòng)力裝置臺(tái)架試驗(yàn)的成本費(fèi)用昂貴且具有一定的危險(xiǎn)性。針對(duì)這一問(wèn)題,本文提出了一種采用電子仿真試驗(yàn)器替代真實(shí)渦輪動(dòng)力裝置來(lái)檢測(cè)電子控制器的控制邏輯和控制規(guī)律的方法,將電子仿真試驗(yàn)器與電子控制器構(gòu)成閉環(huán)控制回路,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)渦輪動(dòng)力裝置閉環(huán)運(yùn)行過(guò)程的模擬。該裝置能夠向電子控制器提供模擬的傳感器接口和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的負(fù)載特性,模擬渦輪動(dòng)力裝置在各種工作狀態(tài)下的特性,接受各種指令信號(hào)并給出相應(yīng)的響應(yīng)信號(hào),而且具備工作狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示和試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的功能,能夠?qū)﹄娮涌刂破鞴ぷ鞯臏?zhǔn)確性及有效性進(jìn)行檢測(cè)。
本文在介紹渦輪動(dòng)力裝置工作原理的基礎(chǔ)上,提出了電子仿真試驗(yàn)器的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方法,最后將該試驗(yàn)器用于某型渦輪動(dòng)力裝置的閉環(huán)控制并對(duì)其仿真結(jié)果進(jìn)行分析。
多能源組合渦輪動(dòng)力裝置是一種采用增壓空氣和化學(xué)燃料雙能源的動(dòng)力裝置,其系統(tǒng)原理如圖1所示,主要由燃料箱、燃料控制閥、空氣控制閥、燃?xì)獍l(fā)生器、動(dòng)力渦輪、電子控制器和負(fù)載等組成。其中空氣控制閥和燃料控制閥分別控制進(jìn)入動(dòng)力渦輪的能量;燃?xì)獍l(fā)生器是將化學(xué)燃料燃燒產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)馀c增壓空氣分別進(jìn)入渦輪動(dòng)力裝置的渦輪導(dǎo)向器前,帶動(dòng)渦輪動(dòng)力裝置轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而通過(guò)輸出軸帶動(dòng)負(fù)載工作;電子控制器根據(jù)安裝在軸系上的轉(zhuǎn)速傳感器反饋的信號(hào),調(diào)節(jié)空氣控制閥和燃料控制閥的開(kāi)度,從而實(shí)現(xiàn)渦輪轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制[3]。
圖1 渦輪動(dòng)力裝置系統(tǒng)原理圖Fig.1 Turbine power unit system diagram
為提高渦輪動(dòng)力裝置的可靠性,該動(dòng)力裝置采用雙余度三回路的控制方案,即在增壓空氣充足情況下優(yōu)先使用增壓空氣運(yùn)轉(zhuǎn)渦輪裝置。當(dāng)飛機(jī)高度增高后增壓空氣不足或主發(fā)動(dòng)機(jī)故障時(shí),可混合或單獨(dú)使用化學(xué)燃料產(chǎn)生燃?xì)鈦?lái)驅(qū)動(dòng)渦輪運(yùn)轉(zhuǎn),以獲得飛機(jī)所需的液壓源和電源。其控制回路結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示,控制系統(tǒng)包括一個(gè)空氣控制回路和兩個(gè)化學(xué)燃料控制回路。每個(gè)回路均為單參數(shù)反饋控制,電子控制器按照每路被控對(duì)象參數(shù)相對(duì)于給定值的偏差產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào),通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成對(duì)被控對(duì)象的控制,使被控參數(shù)不超出給定的誤差范圍。
電子仿真試驗(yàn)器是一種基于模擬電路實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)特性的實(shí)時(shí)仿真電子裝置,仿真依據(jù)是渦輪動(dòng)力裝置的小偏差線性數(shù)學(xué)模型。采用這種線性數(shù)學(xué)模型具有一定的仿真精度,作為對(duì)電子控制器控制邏輯和控制規(guī)律的檢測(cè)及測(cè)試是有效的。
圖2 渦輪動(dòng)力裝置控制回路結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Turbine power unit control loop structure diagram
渦輪動(dòng)力裝置電子仿真試驗(yàn)器的仿真結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示。根據(jù)仿真原理圖,電子仿真試驗(yàn)器的仿真模型主要包括空氣控制閥、碟閥、燃料控制閥、燃?xì)獍l(fā)生器、渦輪動(dòng)力裝置、位置傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器模型等??諝饪刂崎y是一個(gè)氣動(dòng)伺服閥,主要由直流力矩電機(jī)、氣動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)和蝶閥組成,其中力矩電機(jī)的靜態(tài)特性為具有滯環(huán)特性的非線性環(huán)節(jié),但在電路實(shí)現(xiàn)時(shí)此環(huán)節(jié)可以被蝶閥的位置反饋閉環(huán)回路消除,其動(dòng)態(tài)特定可以用一個(gè)慣性環(huán)節(jié)表示。氣動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)和燃?xì)獍l(fā)生器是一個(gè)復(fù)雜執(zhí)行機(jī)構(gòu),但設(shè)計(jì)仿真試驗(yàn)器時(shí)采用超前滯后環(huán)節(jié)表示其特性。兩個(gè)燃料控制閥由二位式通斷開(kāi)關(guān)閥組成,由于燃料控制閥閥芯位移的響應(yīng)時(shí)間很小,其數(shù)學(xué)模型可以用比例環(huán)節(jié)描述。根據(jù)文獻(xiàn)[4]可知,動(dòng)力渦輪在飛行條件給定和負(fù)載功率不變的情況下,可視為一階慣性環(huán)節(jié)并忽略其容積效應(yīng)。渦輪動(dòng)力裝置的仿真數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖3 電子仿真試驗(yàn)器原理圖Fig.3 Schematic diagram of electronic simulation tester
圖4 仿真數(shù)學(xué)模型圖Fig.4 Simulation mathematical model diagram
電子控制器輸出控制電流IBC,經(jīng)力矩馬達(dá)的模擬環(huán)節(jié)后變換成電壓信號(hào)VDP,用于控制空氣閥轉(zhuǎn)角,VDP信號(hào)經(jīng)模擬的位置傳感器測(cè)量后反饋給控制器,從而構(gòu)成小閉環(huán)位置控制回路。在化學(xué)燃料控制回路中,兩個(gè)化學(xué)燃料控制閥的控制信號(hào)VPH和VSH分別經(jīng)過(guò)仿真器模擬的一級(jí)、二級(jí)燃料控制閥進(jìn)入燃?xì)獍l(fā)生器的模擬環(huán)節(jié),輸出化學(xué)燃料流量信號(hào),該信號(hào)在此與空氣流量信號(hào)疊加并送到動(dòng)力渦輪的模擬環(huán)節(jié)。動(dòng)力渦輪所輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)VN經(jīng)轉(zhuǎn)速傳感器的模擬電路變換后作為反饋信號(hào)送回至電子控制器,構(gòu)成整個(gè)速度閉環(huán)控制回路。仿真回路中還可以對(duì)空氣壓力調(diào)節(jié)、一級(jí)燃料控制閥和一級(jí)轉(zhuǎn)速傳感器故障進(jìn)行模擬。
電子仿真試驗(yàn)器是將以上數(shù)學(xué)模型以電子電路的方式實(shí)現(xiàn)出來(lái),設(shè)計(jì)的仿真器具有如下功能:①根據(jù)不同的啟動(dòng)指令使渦輪動(dòng)力裝置進(jìn)入相應(yīng)的工作狀態(tài),對(duì)電子控制器在不同模式下的控制規(guī)律和控制邏輯進(jìn)行檢測(cè);②模擬飛機(jī)座艙控制面板到電子控制器間的接口,檢測(cè)座艙指令和顯示信號(hào)的正確性;③對(duì)渦輪動(dòng)力裝置控制品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè);④對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行檢測(cè);⑤仿真過(guò)程的曲線與數(shù)據(jù)顯示。
根據(jù)圖4中的仿真數(shù)學(xué)模型圖,采用模擬運(yùn)算放大器作為仿真運(yùn)算器件,通過(guò)信號(hào)電子變換技術(shù)將表示執(zhí)行機(jī)構(gòu)和渦輪動(dòng)力裝置的模擬電壓變換成控制器的接口信號(hào)[5,6]。電子仿真試驗(yàn)器的模擬電路主要包括空氣控制閥模塊、化學(xué)燃料控制閥模塊、燃?xì)獍l(fā)生器模塊、渦輪動(dòng)力裝置模塊和轉(zhuǎn)速傳感器及位置傳感器模塊等。
仿真試驗(yàn)器的電路原理簡(jiǎn)化圖如圖5所示:其中試驗(yàn)器的I/V模塊由運(yùn)放U1、二極管D1、D2及相關(guān)阻容元件構(gòu)成;空氣閥模塊由運(yùn)放U2及其外圍電路構(gòu)成一個(gè)超前滯后環(huán)節(jié)來(lái)模擬其特性;蝶閥模塊由運(yùn)放U3構(gòu)成的跟隨器及電位器WB模擬其特性,通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)WB可以模擬蝶閥開(kāi)度的大小;燃料控制閥模塊由圖中的三極管BG1、IC1B及其周?chē)碾娮璞硎?,其中兩個(gè)閥門(mén)通過(guò)與門(mén)IC1A實(shí)現(xiàn)串聯(lián)效應(yīng);動(dòng)力渦輪由運(yùn)放U10及外圍元件構(gòu)成的一階慣性環(huán)節(jié)表示;轉(zhuǎn)速傳感器的模塊是一個(gè)電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路,由圖中的U15、U16、U17A等實(shí)現(xiàn);位置傳感器的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)比例環(huán)節(jié),但為了保證其輸出信號(hào)的質(zhì)量,在設(shè)計(jì)電路時(shí)加上濾波環(huán)節(jié)對(duì)其高頻干擾進(jìn)行濾波,即由圖上的U4、U5及外圍元件表示。其中電路圖上的開(kāi)關(guān)SF、PVF分別用來(lái)模擬一級(jí)轉(zhuǎn)速傳感器故障和一級(jí)燃料控制閥故障。
圖5 電子仿真試驗(yàn)器電路原理簡(jiǎn)圖Fig.5 Circuit diagram of electronic simulation tester
為保證電子仿真試驗(yàn)器對(duì)電子控制器進(jìn)行整機(jī)檢測(cè)的有效性,本試驗(yàn)采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電子控制器與試驗(yàn)器構(gòu)成閉環(huán)仿真回路進(jìn)行試驗(yàn),分別對(duì)渦輪動(dòng)力裝置的空氣模式、燃料模式和空氣燃料混合模式進(jìn)行仿真。
空氣模式的仿真結(jié)果如圖6所示。從圖上可見(jiàn),空氣模式起動(dòng)時(shí)蝶閥位置先開(kāi)到最大值,使空氣流量立即加到最大以保證系統(tǒng)在3 s內(nèi)完成起動(dòng)過(guò)程,使渦輪轉(zhuǎn)速到達(dá)100%的額定值,圖中的19~21 s為起動(dòng)過(guò)程。仿真試驗(yàn)中還模擬了負(fù)載變化的過(guò)程,當(dāng)負(fù)載功率增大時(shí),空氣流量逐漸增大以維持渦輪轉(zhuǎn)速。
圖6 空氣模式仿真曲線Fig.6 Simulation curves of the air mode
圖7為燃料模式的仿真結(jié)果。燃料模式起動(dòng)時(shí),一級(jí)燃料控制閥完全打開(kāi)使燃油流量達(dá)到最大,使得系統(tǒng)盡快達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。圖中的7.3~10 s為起動(dòng)過(guò)程。從10 s以后由一級(jí)燃料控制閥控制一級(jí)燃料回路工作,在22 s手動(dòng)模擬一級(jí)轉(zhuǎn)速傳感器故障,這時(shí)一級(jí)燃料回路無(wú)法正常工作,于是控制器自動(dòng)將停止一級(jí)燃料控制閥工作,切換到二級(jí)燃料回路,由二級(jí)燃料控制閥開(kāi)始進(jìn)行“Bang-Bang”控制,從而保證渦輪轉(zhuǎn)速不變。
圖7 燃料模式仿真曲線Fig.7 Simulation curves of the fuel mode
圖8曲線表示仿真系統(tǒng)在自動(dòng)方式起動(dòng)下的一段工作過(guò)程,完成起動(dòng)后系統(tǒng)先后經(jīng)歷了空氣充足、空氣不足以及完全無(wú)空氣三個(gè)階段。圖中的C段為混合模式工作,在24.5 s時(shí)刻空氣流量開(kāi)始減少,一級(jí)燃料控制閥的開(kāi)關(guān)頻率便增大從而維持渦輪轉(zhuǎn)速恒定。從上述三種仿真試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn),閉環(huán)仿真試驗(yàn)器能很好地模擬渦輪動(dòng)力裝置的起動(dòng)過(guò)程和控制邏輯過(guò)程。
圖8 混合模式仿真曲線Fig.8 Simulation curve of mixed-mode
本文設(shè)計(jì)了一種渦輪動(dòng)力裝置的電子閉環(huán)仿真試驗(yàn)器,該仿真試驗(yàn)器可用于電子控制器的調(diào)節(jié)與測(cè)試。仿真結(jié)果表明,利用該電子閉環(huán)仿真試驗(yàn)器能較好地模擬渦輪動(dòng)力裝置系統(tǒng)的實(shí)際工況,其曲線走向趨勢(shì)與實(shí)際臺(tái)架試車(chē)的情況基本一致,在功能和置信度上都滿足了渦輪動(dòng)力裝置電子控制器整機(jī)檢測(cè)的需要;為渦輪動(dòng)力裝置電子控制器的調(diào)試和檢測(cè)提供了一種簡(jiǎn)便、有效的途徑,且能顯著降低試驗(yàn)成本和危險(xiǎn)性。
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