盛世偉，李軍偉，朱漢銀，楊佳麗

（中國航發(fā)北京航科發(fā)動機控制系統(tǒng)科技有限公司，北京102200）

0 引言

現(xiàn)代航空發(fā)動機要求對燃油流量精確控制，以期在充分發(fā)揮發(fā)動機性能潛力的同時，保障其安全[1]。燃油控制系統(tǒng)被喻為航空發(fā)動機的心臟[2]，其功能是根據(jù)飛機的飛行條件和飛行狀態(tài)按需求提供相應壓力和流量的燃油，從而保證發(fā)動機正常工作[3]。燃油計量組件是燃油控制系統(tǒng)的重要功能部件，經(jīng)計量組件計量后的燃油被輸送到發(fā)動機燃燒室參與燃燒[4]。

燃油計量組件作為航空發(fā)動機中燃油計量裝置的重要功能部件，其性能好壞直接影響到航空發(fā)動機乃至整個飛機的控制特性。計量組件的性能試驗具有控制精度高、各被控參數(shù)相互耦合的特點。為提高燃油控制系統(tǒng)整機性能調(diào)試的效率和可靠性，在燃油控制系統(tǒng)裝配調(diào)試前需對燃油計量組件進行性能測試[5]。然而，國內(nèi)外學者的研究重點多在整個燃油計量裝置特性上[6-10]，而對燃油計量組件性能試驗的研究鮮有報道。余玲等[11]研究了溫度對航空發(fā)動機整個燃油計量裝置特性的影響規(guī)律；曹啟威等[12]基于AMESim對步進電機和燃油計量裝置機械液壓組件進行仿真，驗證了仿真模型的準確性，但未涉及試驗相關(guān)內(nèi)容；劉鐵庚[13]介紹了1種新穎且適于中小型航空發(fā)動機數(shù)控系統(tǒng)的燃油計量裝置設(shè)計方案，并在科研實踐中得到應用，但未涉及燃油計量組件性能試驗方面的內(nèi)容。為了準確測試航空發(fā)動機燃油計量組件的性能狀態(tài)，以某航空發(fā)動機為例，對其燃油計量組件性能試驗的控制系統(tǒng)進行研究。該發(fā)動機的燃油泵和計量裝置是在引進法國某型發(fā)動機燃油控制系統(tǒng)液壓執(zhí)行機構(gòu)生產(chǎn)專利基礎(chǔ)上進行國產(chǎn)化研制的，其計量組件是該燃油泵和計量裝置的重要功能部件。

本文對燃油計量組件試驗液壓控制系統(tǒng)和控制方法進行設(shè)計，以實現(xiàn)計量組件出口壓力和進出口壓差的精確控制，采用高精度位移伺服控制系統(tǒng)實現(xiàn)計量組件閥芯位移的精確控制，可為國防領(lǐng)域內(nèi)類似產(chǎn)品的高精度性能試驗提供參考。

1 燃油計量組件試驗條件

該航空發(fā)動機燃油計量裝置主要由計量組件、步進電機、位移傳感器、壓差活門以及增壓活門等元部件組成，如圖1所示。步進電機、角位移傳感器與航空發(fā)動機控制器共同構(gòu)成計量組件閥芯位移的閉環(huán)控制；增壓活門保證計量組件的出口壓力保持恒定；壓差活門調(diào)定計量組件前后壓差。

為了準確模擬航空發(fā)動機在運行過程中燃油計量組件的性能狀態(tài)，其性能試驗需滿足以下條件：

（1）燃油計量組件前后壓差實現(xiàn)精確控制，穩(wěn)態(tài)誤差為±0.003 MPa。

（2）燃油計量組件后的壓力實現(xiàn)精確控制，穩(wěn)態(tài)誤差為±0.005 MPa。

（3）燃油計量組件閥芯位移實現(xiàn)精確控制，穩(wěn)態(tài)誤差為±0.005 mm。

圖1 燃油計量裝置

2 試驗液壓原理與控制策略

2.1 試驗液壓原理

為模擬計量組件出口壓力，在計量組件出口設(shè)置1個背壓閥，將計量組件和背壓閥等效為可調(diào)節(jié)流閥，閥芯位移分別用xv和xo表示，如圖2所示。

圖2 試驗液壓原理

根據(jù)節(jié)流口的流量方程，通過計量組件的流量為

式中：Cd為流量系數(shù)，無量綱；Wv為閥口的面積梯度；駐p=pi-po，為計量前、后的壓力差；ρ為燃油密度。

從式（1）中可見，qo與駐p及xv相關(guān)。在溫度和xv不變的情況下，qo與成正比。

假設(shè)背壓閥后的壓力為0，則通過背壓閥的流量

式中：Wo為背壓閥閥口的面積梯度。

由式（1）、（2）得

式中：C為常數(shù)。

從式（3）中可見，在計量組件位移一定的情況下，即xv不變時，調(diào)節(jié)xo時，同時影響駐p和po的值，即調(diào)節(jié)xo時，pi和po同時變化。從式（2）可知，若保持po不變，在Wo一定的情況下，qo與xo成正比。

為滿足試驗條件，需對po與△p進行協(xié)調(diào)控制。為保證壓力控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通過自動閉環(huán)控制po始終保持某一定值，通過調(diào)節(jié)xo實現(xiàn)流量qo的調(diào)節(jié)，進而改變計量油針活門壓差△p。

通常，液壓系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)可利用溢流閥、減壓閥等壓力調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)，也可以通過節(jié)流、調(diào)速等流量控制手段實現(xiàn)。而目前的壓力調(diào)節(jié)閥受限于頻響、滯環(huán)等因素，其壓力控制精度很難達到試驗所需的高精度控制要求。由于變頻電機具有極高的轉(zhuǎn)速控制精度，采用變頻電機參與壓力的閉環(huán)控制可以滿足所需的高精度要求。考慮到變頻電機低速穩(wěn)定性不高，且定量泵在低速運轉(zhuǎn)時存在較大的壓力脈動，因此為增大壓力的控制范圍，采用變頻電機與旁路比例流量閥協(xié)調(diào)配合的方式對po進行閉環(huán)控制。綜上所述，本文的液壓控制系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 液壓控制系統(tǒng)原理

該液壓控制系統(tǒng)由定量泵、變頻電機、比例節(jié)流閥、計量組件、節(jié)流閥以及流量傳感器等組成，其中定量泵+變頻電機與比例節(jié)流閥協(xié)調(diào)控制po，通過節(jié)流閥控制qo，從而控制△p，流量傳感器實時監(jiān)測系統(tǒng)的流量。

2.2 控制策略

為實現(xiàn)計量組件出口壓力和進、出口壓差的精確控制，提出“泵閥復合控制+進、出口壓力協(xié)調(diào)控制”的控制策略，如圖4所示。

圖4 控制策略

2.3 仿真分析

基于AMESim搭建燃油計量組件試驗液壓控制系統(tǒng)的仿真模型[14-15]并進行仿真。計量組件后壓力控制特性、比例節(jié)流閥及變頻器的響應特性如圖5所示。

圖5 仿真曲線

從圖中可見，在計量組件出口壓力小于0.8 MPa時，即在第0.6 s前，僅由比例節(jié)流閥參與壓力控制，變頻器頻率保持在初始值25 Hz；當壓力大于0.8 MPa時，即在第0.6 s后，僅由變頻器參與壓力控制，而比例節(jié)流閥開口度保持不變。壓力穩(wěn)態(tài)控制誤差為0.001 MPa。

經(jīng)過仿真分析，驗證了控制策略的有效性，為后續(xù)試驗臺的搭建與試驗提供了理論支撐。

3 試驗臺概述與試驗

3.1 試驗臺概述

試驗臺主要由液壓系統(tǒng)、計量組件位移伺服控制系統(tǒng)、測控系統(tǒng)等組成，如圖6所示。

圖6 試驗臺

其中，計量組件位移伺服控制系統(tǒng)由伺服控制器、伺服電機、絲杠、光柵尺以及頂針工裝組成，其控制框圖如圖7所示。

圖7 計量組件位移伺服控制系統(tǒng)

在計量組件位移伺服控制系統(tǒng)中，計量組件的線位移由伺服電機的旋轉(zhuǎn)角位移通過絲杠及頂針工裝轉(zhuǎn)化而來，計量組件位移反饋信號由光柵尺檢測并給定，通過調(diào)節(jié)伺服控制器的PID參數(shù)實現(xiàn)計量組件位移的準確控制。

3.2 試驗結(jié)果與分析

給定不同計量組件閥芯位移，得到位移響應曲線如圖8所示。

從圖中可見，給定計量組件閥芯位移為1、3、5、7 mm，位移響應的穩(wěn)態(tài)控制誤差均為±0.001 mm，滿足計量組件閥芯位移控制精度試驗要求，保證了后續(xù)試驗結(jié)果的準確性。

當今社會大家對用餐份量可謂是各有所需，比如在日本的中華菜館非常常見的“小皿料理”(こざらりょうり),指的就是小份量，一般是原菜品的1/2～1/3左右。

在計量組件閥芯位移一定的前提下，設(shè)定不同出口壓力，同時調(diào)節(jié)計量組件前后壓差為0.2 MPa，相關(guān)響應曲線如圖9所示。

圖8 不同計量組件閥芯位移響應

圖9 不同出口壓力、相同位移和壓差下的響應

從圖中可見，給定相同計量組件閥芯位移，控制不同的出口壓力和相同的進、出口壓差，均能實現(xiàn)穩(wěn)定控制，且其穩(wěn)態(tài)控制誤差均可達到±0.002 MPa，滿足燃油計量組件性能試驗的高精度控制要求，變頻器頻率和比例閥電壓的變化趨勢與仿真結(jié)果一致，進一步驗證了控制策略的有效性。

保持計量組件閥芯位移不變，設(shè)定計量組件出口壓力為 1.0 MPa，分別調(diào)節(jié)壓差為 0.1、0.2、0.3、0.4 MPa，各參數(shù)的響應曲線如圖10所示。

從圖中可見，隨著壓差的變化，計量組件的出口壓力穩(wěn)定狀態(tài)被打破，在調(diào)節(jié)壓差的同時，控制系統(tǒng)自動回調(diào)出口壓力，最終出口壓力和壓差同時到達控制目標并穩(wěn)定；在整個調(diào)節(jié)過程中，由于出口壓力偏差值始終未達到比例閥的動作條件，因此僅變頻器參與自動調(diào)節(jié)；壓力穩(wěn)態(tài)控制誤差均達到±0.002 MPa，滿足燃油計量組件性能試驗的高精度控制要求。

圖10 相同出口壓力和位移、不同壓差的控制特性

設(shè)定計量組件出口壓力為1.0 MPa，控制計量組件的閥芯位移分別為-2、-1、0、1 mm，并同時調(diào)節(jié)計量組件進、出口壓差始終保持0.2 MPa，試驗得到的響應曲線如圖11所示。

圖11 相同出口壓力和壓差、不同位移的控制特性

從圖中可見，不同計量組件閥芯位移出口壓力和進、出口壓差均能實現(xiàn)穩(wěn)定控制，且其穩(wěn)態(tài)控制誤差均可達到±0.002 MPa。

綜上所述，所研究的燃油計量組件控制系統(tǒng)以及“泵閥復合控制+進、出口壓力協(xié)調(diào)控制”的控制策略，在不同計量組件閥芯位移、不同出口壓力和進、出口壓差的控制要求下均能實現(xiàn)計量組件出口壓力和進、出口壓差的精確控制，具有較好的魯棒性，從而保證了燃油計量組件性能試驗結(jié)果的可靠性。

4 結(jié)論

為了準確測試航空發(fā)動機燃油計量組件的性能狀態(tài)，對其性能試驗的控制系統(tǒng)進行研究，得到如下結(jié)論：

（1）基于燃油計量組件的結(jié)構(gòu)、工作原理以及試驗要求，設(shè)計了液壓控制系統(tǒng)，從理論上分析了該系統(tǒng)的可實施性；

（2）提出“泵閥復合控制+進、出口壓力協(xié)調(diào)控制”的控制策略，實現(xiàn)了計量組件出口壓力和進、出口壓差的精確控制，控制精度均可達到±0.002 Pa，滿足了燃油計量組件性能試驗的功能要求以及高精度要求；

（3）采用由伺服電機、絲杠和光柵傳感器組成的位移伺服控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了計量組件閥芯位移的精確控制，計量組件閥芯位移控制精度可達到±0.001 mm，保證了燃油計量組件性能試驗結(jié)果的可靠性。

本研究方法和結(jié)論可為國防領(lǐng)域內(nèi)類似產(chǎn)品的高精度性能試驗提供參考。