(中國航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇 無錫 214063)

隨著航空發(fā)動機控制系統(tǒng)由機械液壓調(diào)節(jié)技術(shù)向全權(quán)限數(shù)字電子控制(FADEC)技術(shù)的發(fā)展，以及隨著發(fā)動機控制變量的增加，電液伺服系統(tǒng)以其技術(shù)成熟、功率密度高、動態(tài)特性好、效率高、環(huán)境適應(yīng)性較好的優(yōu)點，成為航空發(fā)動機控制及飛行控制領(lǐng)域中伺服控制的主要實現(xiàn)形式，應(yīng)用日趨廣泛[1]。在現(xiàn)代航空發(fā)動機FADEC中，發(fā)動機燃油、發(fā)動機氣流等主要參數(shù)的控制通常是通過電液伺服系統(tǒng)來完成。

電液伺服系統(tǒng)主要由電液轉(zhuǎn)換元件、執(zhí)行元件、反饋元件、控制器所組成。在電液伺服系統(tǒng)中，一般采用電液伺服閥作為電液轉(zhuǎn)換裝置[2]。電液轉(zhuǎn)換裝置作為FADEC系統(tǒng)安全關(guān)鍵元件，通常采用雙電液伺服閥結(jié)構(gòu)的電液轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計技術(shù)[3]，以提高控制的可靠性。相比電液伺服閥，高速電磁閥以其結(jié)構(gòu)簡單、抗污染能力強、成本低、易于數(shù)字控制等優(yōu)點，被越來越多地應(yīng)用到控制系統(tǒng)中[4]。

為獲得發(fā)動機的最優(yōu)性能，并保證壓氣機導葉控制可靠性，某型航空發(fā)動機壓氣機導葉控制裝置采用了耐污染能力較強的雙余度射流管電液伺服閥作為電液轉(zhuǎn)換裝置，同時采用高速電磁閥作為備份。在壓氣機導葉控制系統(tǒng)工作過程中，采用電液伺服閥的主控伺服回路一旦出現(xiàn)故障，則需要立即切換至備份高速電磁閥伺服回路控制。在切換過程中，要求系統(tǒng)平穩(wěn)、快速以減小切換過程導葉擾動，進而減小對發(fā)動機工作狀態(tài)的影響。因此，對該型發(fā)動機壓氣機導葉主備控制回路的切換特性進行研究，對于提高發(fā)動機控制的安全性和可靠性具有重要的意義。

1 航空發(fā)動機導葉控制

1.1 導葉控制裝置工作原理

某型航空發(fā)動機壓氣機導葉控制裝置主要由射流管電液伺服閥、備份高速電磁閥、轉(zhuǎn)換電磁閥、轉(zhuǎn)換活門、分油活門和層板限制器等組成，其原理如圖1所示。

圖1 壓氣機導葉控制裝置原理框圖

在射流管電液伺服閥控制的主伺服模式下，轉(zhuǎn)換電磁閥通電，轉(zhuǎn)換活門溝通射流管電液伺服閥控制油路，分油活門在射流管電液伺服閥控制油的控制下移動，進而控制高壓油進入作動筒的有桿腔或無桿腔，導葉作動筒推動導葉使角度變化；在高速電磁閥控制的備份伺服模式下，轉(zhuǎn)換電磁閥斷電，轉(zhuǎn)換活門切斷射流管電液伺服閥控制分油活門的油路，同時溝通備份高速電磁閥控制分油活門的油路，由高速電磁閥控制導葉作動筒運動。

1.2 導葉伺服控制系統(tǒng)原理

壓氣機導葉伺服控制系統(tǒng)主要由傳感器、控制器、控制裝置、作動筒等組成，系統(tǒng)框圖見圖2。

控制器根據(jù)給定角度Afa2_dem以及RVDT傳感器反饋角度Afa2比較得到誤差eAfa2，經(jīng)外環(huán)PID控制器計算得出分油活門給定Lf_dem，與LVDT傳感器反饋位移Lf比較得到誤差eLf，經(jīng)內(nèi)環(huán)PID控制器計算得出電流信號I與占空比信號PWM，電液轉(zhuǎn)換裝置根據(jù)接收到的控制信號溝通射流管電液伺服閥或高速電磁閥至分油活門的控制油路，控制分油活門移動改變作動筒兩腔的油壓，從而使導葉作動筒活塞桿的輸出位移發(fā)生變化，并通過連桿機構(gòu)控制導葉的轉(zhuǎn)角到達給定角度。

2 伺服控制系統(tǒng)建模仿真

對圖2所示的航空發(fā)動機壓氣機導葉伺服控制系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)進行分析計算，分別建立各環(huán)節(jié)的簡化數(shù)學模型，并進行伺服控制回路的建模仿真。

圖2 壓氣機導葉伺服控制系統(tǒng)框圖

2.1 電液轉(zhuǎn)換裝置建模

2.1.1 電液伺服閥數(shù)學模型

電液伺服閥是一個復雜的非線性機電伺服系統(tǒng)，一般電液伺服閥可以用二階環(huán)節(jié)近似表示[5-7]，其傳遞函數(shù)為

(1)

式中,ξ，ω，Kq分別為電液伺服閥的阻尼比、自然頻率和流量增益。

某型電液伺服閥的阻尼比ξ在0.7～1.0之間，取ξ=0.7。當額定壓力ps=8 MPa及額定電流I=40 mA時，電液伺服閥的額定流量及自然頻率分別為Qs=3 L/min，ω=90 Hz，則電液伺服閥的流量增益為Kq=Qs/I=1250 mm3/(s·mA)。

2.1.2 高速電磁閥數(shù)學模型

發(fā)動機數(shù)字控制系統(tǒng)的高速電磁閥控制通常采用定頻調(diào)寬的方式，即高速電磁閥的脈寬調(diào)制信號頻率恒定(40 Hz)，數(shù)字控制器根據(jù)調(diào)節(jié)的需要改變脈沖信號的寬度，對占空比進行限幅(0.2～0.8)避開非線性區(qū)間[8-9]。

以占空比PWM(s)為輸入，以流量Q(s)為輸出、包含PWM功率變換器的高速電磁閥模型可以用一階慣性環(huán)節(jié)近似表示[10]，其傳遞函數(shù)為

(2)

式中,t1，t2，t3，Kq分別為高速電磁閥的調(diào)制周期、啟動延遲時間、閥芯運動時間常數(shù)和流量增益。

對于定頻40 Hz高速電磁閥t1=0.025 s，某型高速電磁閥的啟動延遲時間t2=0.003 s，閥芯開啟后約0.5 ms全部打開，t3=0.0005 s。在額定壓力ps=1 MPa及占空比PWM=100%時，高速電磁閥的額定流量為Qs=0.75 L/min，則高速電磁閥的流量增益為Kq=Qs/PWM=125 mm3/(s·%)。

2.2 分油活門建模

閥控分油活門的數(shù)學模型可以用純積分環(huán)節(jié)近似表示，其傳遞函數(shù)為

(3)

式中,Ksv為分油活門的增益系數(shù)。

在定壓油2 MPa、低壓油0.2 MPa的條件下，給定電液伺服閥-32 mA或40 mA電流，某型分油活門全程移動時間為(0.125±0.025)s；給定高速電磁閥20%或80%占空比，分油活門全程移動時間為(0.25±0.05) s。建模時，某型電液伺服閥和高速電磁閥控制分油活門全程移動時間默認值分別取0.125 s和0.3 s，分油活門行程為±3 mm。

2.3 導葉作動筒建模

分油活門控導葉作動筒的數(shù)學模型可以用純積分環(huán)節(jié)近似表示[11]，其傳遞函數(shù)為

(4)

式中,Kac為導葉作動筒的增益系數(shù)。

某型壓氣機導葉行程為-34°～0°，在高壓油壓力5 MPa、空載時，作動筒全程移動時間為0.3～0.6 s，不同全程移動時間下作動筒增益系數(shù)不同。建模時，由電液伺服閥控制時作動筒全程動作時間默認值取0.35 s；由高速電磁閥控制時作動筒全程動作時間默認值取0.5 s。

2.4 傳感器建模

分油活門LVDT傳感器和導葉角度RVDT傳感器為電磁式傳感器，反應(yīng)靈敏，可以看作系數(shù)為1的比例環(huán)節(jié)。

2.5 伺服PID控制器建模

航空發(fā)動機伺服控制回路一般采用位置式PID控制器[12]，其傳遞函數(shù)形式為

(5)

式中，Kp，Ti，Td分別為比例系數(shù)、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)。

對于壓氣機導葉外環(huán)控制，控制周期取0.025 s，某型電液伺服閥主控伺服回路取Kp=0.2，Ti=0.005 s，Td=0.025 s；某型高速電磁閥備份伺服回路取Kp=0.1，Ti=0.005 s，Td=0.025 s。對于壓氣機分油活門內(nèi)環(huán)控制，主控和備份伺服回路取Kp=8，Ti=0.005 s，Td=0 s。

為了避免伺服回路誤差較大時控制量長時間停留在飽和區(qū)，采用抗積分飽和處理，即當控制輸出進入飽和區(qū)以后，不再進行積分項的累加，而只執(zhí)行削弱積分的運算。

2.6 系統(tǒng)數(shù)學模型建立及仿真分析

使用Matlab軟件建立上述導葉伺服控制系統(tǒng)仿真模型。采用電液伺服閥控制回路和采用高速電磁閥控制回路5°階躍響應(yīng)仿真曲線分別見圖3和圖4。分析結(jié)果可知，采用設(shè)計的伺服PID控制器，伺服控制的超調(diào)量、上升時間和調(diào)節(jié)時間等性能指標均可滿足對應(yīng)的伺服回路指標要求。

圖3 主伺服控制回路5°階躍響應(yīng)仿真

3 導葉主備切換仿真與驗證

壓氣機導葉主控伺服回路故障后，切換至備份伺服回路控制，轉(zhuǎn)換活門移動到位前，壓氣機導葉在電液

圖4 備份伺服控制回路5°階躍響應(yīng)仿真

伺服閥零偏的作用下向“全關(guān)”(-34°)位置偏轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)換活門移動到位后，壓氣機導葉會在備份伺服控制下打開至導葉控制計劃給定位置。這一過程中，由于主備控制回路的切換，會造成壓氣機導葉的較大擾動，因此需要在單伺服控制回路設(shè)計的基礎(chǔ)上，對主備控制的切換進行計算仿真與驗證。

主備伺服回路切換過程中設(shè)計到的關(guān)鍵影響因素有轉(zhuǎn)換活門的切換時間、電液伺服閥零偏作用下分油活門移動速度，以及備份高速電磁閥接管控制的速度。

3.1 不同轉(zhuǎn)換活門切換時間下切換仿真

某項目中的切換機構(gòu)，在高壓油5 MPa、低壓油0.2 MPa條件下，從給轉(zhuǎn)換電磁閥斷電到轉(zhuǎn)換活門切換的時間≤0.2 s。參考目前國內(nèi)其他項目實測值預(yù)估該時間在0.05～0.15 s。

轉(zhuǎn)換活門實現(xiàn)主備伺服回路的控制油路切換，仿真模型中通過轉(zhuǎn)換電磁閥通電/斷電狀態(tài)實現(xiàn)主備伺服回路控制的選擇。仿真模型通過設(shè)置轉(zhuǎn)換電磁閥的延遲時間，實現(xiàn)不同轉(zhuǎn)換活門切換時間的模擬。轉(zhuǎn)換活門切換時間為0.05 s、0.1 s和0.15 s時，穩(wěn)態(tài)下主備切換仿真結(jié)果見圖5。分析結(jié)果可知，隨著轉(zhuǎn)換活門切換時間的增加，主備伺服回路切換過程中，壓氣機導葉的擾動量急劇增大。

圖5 不同轉(zhuǎn)換活門切換時間仿真

轉(zhuǎn)換活門切換時間主要由轉(zhuǎn)換電磁閥流量、轉(zhuǎn)換活門彈簧力、轉(zhuǎn)換活門行程、層板流量等指標決定,可通過不同指標間的匹配，設(shè)計合適的轉(zhuǎn)換活門切換時間。

3.2 不同伺服閥零偏下切換仿真

電液伺服閥的額定流量和額定電流確定后，分油活門在零偏下的移動時間取決于零偏的大小，零偏的大小不影響電液伺服閥的流量增益和自然頻率。目前國內(nèi)工程使用的電液伺服閥零偏主要有±4 mA、±6 mA、±10 mA。

仿真模型中通過設(shè)置伺服PID控制器中平衡電流值，實現(xiàn)不同伺服閥零偏的模擬。電液伺服閥零偏為4 mA、6 mA和10 mA時，穩(wěn)態(tài)下主備切換仿真結(jié)果見圖6。分析結(jié)果可知，隨著伺服閥零偏的增加，主備伺服回路切換過程中，壓氣機導葉的擾動量急劇增大。

電液伺服閥零偏的選取主要取決于在零偏作用下壓氣機導葉角度移動到“全關(guān)”的安全位置的時間。在滿足移動時間的基礎(chǔ)上應(yīng)盡量選取較小的零偏，以減小切換過程導葉的擾動量。

圖6 不同伺服閥零偏下切換仿真

3.3 不同備份工作模式下切換仿真

高速電磁閥流量一定的情況下，備份伺服回路接管控制的速度主要取決于備份工作模式。

對于雙余度伺服系統(tǒng)控制，主備雙通道的工作方式有冷備、溫備、熱備以及雙工4種[13-15]。

① 冷備份方式。主控通道工作時，備份通道不通電不工作；主控通道故障時，備份通道啟動并自動接替工作。

② 溫備份方式。主控通道和備份通道共同加電，主控通道工作時，備份通道等待；一旦主控通道故障時，備份通道結(jié)束待機狀態(tài)開始工作。

③ 熱備份方式。主控通道和備份通道同時加電，且均處于工作狀態(tài)，只是熱備份通道的處理結(jié)果不輸出。一旦主控通道故障，備份通道接替任務(wù)，進行結(jié)果切換。

④ 雙工方式。主控通道和備份通道同時加電和工作，處理結(jié)果進行比較一致后輸出。

不同的備份工作模式不影響高速電磁閥的調(diào)制周期、啟動延遲時間、閥芯運動時間常數(shù)和流量增益。仿真模型中通過設(shè)置主伺服控制下備份占空比輸出值，實現(xiàn)不同備份工作模式的模擬。高速電磁閥冷備份和熱備份，穩(wěn)態(tài)下主備切換仿真結(jié)果見圖7。分析結(jié)果可知，采用高速電磁閥熱備份，即電液伺服閥主控時高速電磁閥輸出一定的占空比，可以提前建立高速電磁閥出口壓力，加快分油活門響應(yīng)，進而減小主備切換過程壓氣機導葉的擾動。

圖7 不同備份工作模式下切換仿真

3.4 半物理模擬試驗驗證

高壓油5 MPa下，實測電液伺服閥平衡電流為4.1 mA，分油活門全程移動時間為0.115 s，作動筒全程動作時間為0.34 s；高速電磁閥平衡占空比為51%，分油活門全程移動時間為0.31 s，作動筒全程動作時間為0.515 s，性能指標滿足技術(shù)要求。

半物理模擬試驗，穩(wěn)態(tài)下通過對電液伺服閥雙線圈斷線，控制軟件判出故障后關(guān)閉轉(zhuǎn)換電磁閥輸出，進行壓氣機導葉主備切換試驗。

通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換活門通低壓油層板流量，控制轉(zhuǎn)換活門切換時間為0.1 s和0.15 s；通過修改控制軟件中高速電磁閥輸出，控制備份工作模式為冷備份和熱備份。不同條件下試驗結(jié)果見圖8。分析結(jié)果可知，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，通過減小轉(zhuǎn)換活門切換時間和采用高速電磁閥熱備份，可以有效減小主備切換過程壓氣機導葉的擾動。

4 結(jié)束語

本文利用Matlab軟件建立了某型航空發(fā)動機壓氣機導葉伺服控制系統(tǒng)的仿真模型，分別對不同轉(zhuǎn)換活門移動時間、不同伺服閥零偏下分油活門移動時間和高速電磁閥冷熱備份工作模式等情況下主備伺服回路切換進行了仿真分析與試驗驗證。結(jié)果表明，采取縮短轉(zhuǎn)換活門移動時間，減小伺服閥零偏和高速電磁閥熱備份等措施，可以有效減小切換過程中壓氣機導葉的擾動，進而提高切換的平穩(wěn)、安全性。

圖8 半物理模擬試驗驗證