徐澤鵬，陳天祥，朱亞兵

(中航工業(yè)金城南京機(jī)電液壓工程研究中心， 南京 211106)

燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)從開(kāi)始研制到定型需進(jìn)行大量的試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性和穩(wěn)定性[1]。直接對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)及其控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合試車的全物理試驗(yàn)不僅存在高成本、高風(fēng)險(xiǎn)的問(wèn)題，而且可能損壞燃?xì)廨啓C(jī)及其控制系統(tǒng)[2]。因此，可以借助仿真技術(shù)降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)省成本，同時(shí)可以提高試驗(yàn)效率[3]。

仿真技術(shù)，就是用某種手段來(lái)模仿真實(shí)世界的變化過(guò)程，當(dāng)前受到國(guó)內(nèi)外認(rèn)可并投入研究的仿真主要是指系統(tǒng)仿真[4]。系統(tǒng)仿真一般包括三種類型，即數(shù)字仿真、半物理仿真以及物理仿真[5]。數(shù)字仿真就是對(duì)研究系統(tǒng)的特性用數(shù)學(xué)關(guān)系進(jìn)行抽象，得到該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后在計(jì)算機(jī)上對(duì)數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)編制的控制程序進(jìn)行試驗(yàn)研究和驗(yàn)證的過(guò)程[6]。半物理仿真就是對(duì)研究系統(tǒng)的某些部分建立數(shù)學(xué)模型，有些部分用實(shí)物或物理模型(比如控制系統(tǒng)、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等)代替，并把它們連接形成仿真回路進(jìn)行試驗(yàn)的過(guò)程[7]。物理仿真就是對(duì)研究系統(tǒng)全部采用物理模型或?qū)嵨铮阉鼈冞B接形成仿真回路進(jìn)行試驗(yàn)的過(guò)程[8]。

在數(shù)字仿真系統(tǒng)中，某些子系統(tǒng)或部件很難建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，使得進(jìn)行純數(shù)字仿真十分困難，而且精度受到模型的限制[9]。物理仿真的精度高、可信度高，具有實(shí)時(shí)性和在線性的特點(diǎn)，但其需進(jìn)行大量的設(shè)備制造、安裝及調(diào)試等工作，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高昂，模型難以重用，通用性不強(qiáng)[10]。半物理仿真避免了物理仿真中成本高、通用性不強(qiáng)的問(wèn)題，同時(shí)又比數(shù)字仿真更接近于實(shí)際、仿真置信度高，在控制系統(tǒng)的研制過(guò)程中得到越來(lái)越多的應(yīng)用[11]。

半物理仿真的逼真度取決于接入的實(shí)物部件的多少、對(duì)實(shí)物部件實(shí)際工作環(huán)境模擬的真實(shí)程度和燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)學(xué)模型的精度，因此，針對(duì)不同型號(hào)的燃?xì)廨啓C(jī)及其控制系統(tǒng)需建立其相應(yīng)的半物理仿真平臺(tái)，以提高仿真逼真度[12]。

本文以某導(dǎo)葉可調(diào)的三轉(zhuǎn)子燃?xì)廨啓C(jī)為研究對(duì)象，將控制系統(tǒng)、燃油調(diào)節(jié)、導(dǎo)葉調(diào)節(jié)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)和運(yùn)行于計(jì)算機(jī)上的燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)學(xué)模型連接，并考慮燃油供油溫度、壓力、流量以及燃燒室背壓的影響，構(gòu)建了半物理仿真試驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該型燃?xì)廨啓C(jī)工作過(guò)程的模擬，為控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了良好的試驗(yàn)支撐。

1 半物理仿真試驗(yàn)平臺(tái)的研制

針對(duì)該型燃?xì)廨啓C(jī)搭建的半物理仿真試驗(yàn)平臺(tái)主要由電控系統(tǒng)(包括操作站、主控柜、電氣柜和轉(zhuǎn)速模擬柜等)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)(包括油站、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和模擬燃燒室等)組成。電控系統(tǒng)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)學(xué)模型的起動(dòng)、加速、減速、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行以及停車和重要參數(shù)實(shí)施全面的自動(dòng)控制和限制。執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)對(duì)燃油流量及導(dǎo)葉等設(shè)備進(jìn)行精確、快速的控制。試驗(yàn)平臺(tái)原理框圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)原理框圖

電控系統(tǒng)主要包括操作站、主控柜、電氣柜和轉(zhuǎn)速模擬柜等，如圖2所示。

圖2 電控系統(tǒng)

操作站主要包括2臺(tái)工控機(jī)、監(jiān)控系統(tǒng)、2套T型操縱桿和緊急停車操作按鈕等。一臺(tái)工控機(jī)用于運(yùn)行燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)學(xué)模型及監(jiān)視試驗(yàn)平臺(tái)的各項(xiàng)參數(shù)，另一臺(tái)工控機(jī)用于對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行各項(xiàng)操作及查詢?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)；監(jiān)控系統(tǒng)用于對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；T型操作桿用于在手操控制模式下，對(duì)燃油流量及導(dǎo)葉開(kāi)度進(jìn)行控制。

主控柜主要包括一對(duì)控制器、若干I/O模件和電源模塊等?？刂破饔糜趦?chǔ)存、運(yùn)算燃?xì)廨啓C(jī)控制策略，對(duì)I/O模件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集/輸出，與操作站通訊，使操作站可監(jiān)視/控制試驗(yàn)平臺(tái)各設(shè)備；I/O模件用于采集試驗(yàn)平臺(tái)各項(xiàng)參數(shù)和輸出電信號(hào)控制指令，控制平臺(tái)各設(shè)備。

電氣柜主要包括5套AC380接觸器、5套AC220V斷路器、繼電器、端子排和伺服卡等。5套AC380接觸器分別用于“燃油泵1”“燃油泵2”“導(dǎo)調(diào)泵”“冷油機(jī)”“空壓機(jī)”的電氣回路控制；5套AC220V斷路器分別用于“主控柜”“轉(zhuǎn)速柜”“操作臺(tái)”“過(guò)濾器1”“過(guò)濾器2”的供電。

轉(zhuǎn)速模擬柜主要包括3套伺服電機(jī)和3套伺服驅(qū)動(dòng)器等。3套伺服電機(jī)分別用于模擬低壓渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(簡(jiǎn)稱NL)、高壓渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(簡(jiǎn)稱NH)和動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(簡(jiǎn)稱NP)；3套伺服驅(qū)動(dòng)器用于控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速和采集伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，通訊給主控柜。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)主要包括油站、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和模擬燃燒室等，如圖3所示。

圖3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)

油站主要包括油箱、3套油泵電機(jī)、調(diào)壓閥和冷油機(jī)等。2臺(tái)油泵電機(jī)用于給燃油控制回路供給燃油,1臺(tái)油泵電機(jī)用于給導(dǎo)葉控制回路供給燃油；調(diào)壓閥用于調(diào)節(jié)燃油供給壓力；冷油機(jī)用于對(duì)燃油進(jìn)行冷卻/加熱。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括2套燃油比例流量閥、1套比例換向閥和導(dǎo)葉作動(dòng)器等。比例流量閥用于對(duì)供給燃?xì)廨啓C(jī)的燃油流量進(jìn)行精確的控制；比例換向閥用于對(duì)提供給導(dǎo)葉作動(dòng)器的油壓進(jìn)行精確的控制；導(dǎo)葉作動(dòng)器用于接收比例換向閥控制的燃油，通過(guò)油動(dòng)機(jī)改變導(dǎo)葉的開(kāi)度。

模擬燃燒室主要包括壓力容器、背壓模擬裝置和2套噴嘴組件等，其原理圖如圖4所示。壓力容器用于提供試驗(yàn)的空間；模擬背壓裝置通過(guò)油壓控制系統(tǒng)和氣動(dòng)增壓裝置改變壓力容器內(nèi)部壓力，用于模擬燃燒時(shí)產(chǎn)生的背壓，可控制背壓范圍為0.3～1.1 MPa；2套噴嘴組件為燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際使用的噴嘴，安裝在壓力容器上，用于霧化和噴射燃油，噴嘴組件1為9個(gè)氣動(dòng)噴嘴，噴嘴組件2為9個(gè)離心噴嘴。

圖4 模擬燃燒室原理圖

2 調(diào)試與分析

對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行調(diào)試是為了檢驗(yàn)其功能，發(fā)現(xiàn)并消除可能存在的缺陷，確保各設(shè)備和系統(tǒng)滿足功能需求。

2.1 比例流量閥流量特性調(diào)試

打開(kāi)燃油泵，分別給兩個(gè)比例流量閥0%～100%的開(kāi)度指令，記錄流量變化，兩個(gè)比例流量閥的流量特性分別如圖5所示。由圖可知，兩個(gè)比例流量閥的流量特性與開(kāi)度基本成線性變化關(guān)系，滿足平臺(tái)功能需求。

圖5 比例流量閥流量特性曲線

2.2 背壓對(duì)燃油流量特性的影響調(diào)試

將比例流量閥開(kāi)度固定在某個(gè)開(kāi)度，在燃油控制回路中節(jié)流，從而產(chǎn)生一定的背壓，改變背壓的大小，得到相應(yīng)的燃油流量變化如圖6所示。由圖可知，背壓在0.46～1.71 MPa范圍內(nèi)變化時(shí)，燃油流量改變非常小，最大變化量為3.66%，可判定在此壓力范圍內(nèi)，背壓對(duì)比例流量閥的流量特性影響很小。

圖6 背壓對(duì)燃油流量特性的影響

2.3 導(dǎo)葉控制特性調(diào)試

打開(kāi)導(dǎo)調(diào)泵，給導(dǎo)葉0%～100%的開(kāi)度指令，記錄反饋?zhàn)兓?，?dǎo)葉控制特性如圖7所示。由圖可知，反饋與指令完全契合，控制特性滿足平臺(tái)功能需求。

圖7 導(dǎo)葉控制特性

2.4 控制系統(tǒng)和燃?xì)廨啓C(jī)模型聯(lián)合調(diào)試

2.4.1 開(kāi)環(huán)控制調(diào)試

將控制系統(tǒng)與燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)學(xué)模型連接，進(jìn)入“正常啟動(dòng)(手操)”模式調(diào)試，該模式起動(dòng)步驟如下：

1) 燃油泵1、2和導(dǎo)調(diào)泵運(yùn)行，燃油截止閥1、2和導(dǎo)葉遮斷閥打開(kāi)；

2) 啟動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，NH上升到點(diǎn)火轉(zhuǎn)速，點(diǎn)火器點(diǎn)火，燃油量增大，NH持續(xù)上升；

3) 當(dāng)NH>26 000 r/min時(shí)，進(jìn)入NH閉環(huán)控制，NH穩(wěn)定控制在28 000 r/min；

4) 操作員控制燃調(diào)桿與導(dǎo)調(diào)桿，當(dāng)操縱桿指令與程序運(yùn)算指令誤差<2%時(shí)，切換到手操控制模式，燃油比例流量閥開(kāi)度由燃調(diào)桿手動(dòng)控制，導(dǎo)葉開(kāi)度由導(dǎo)調(diào)桿手動(dòng)控制；

5) 控制燃調(diào)桿，使NH達(dá)到32 000 r/min，控制導(dǎo)調(diào)桿使導(dǎo)葉開(kāi)度從90°緩慢關(guān)至30°，NP上升；

6) 控制燃調(diào)桿，使機(jī)組穩(wěn)定在任意帶載工況。

“正常啟動(dòng)(手操)”模式調(diào)試過(guò)程中NL、NH、NP轉(zhuǎn)速和燃油流量變化曲線如圖8所示。調(diào)試過(guò)程表明：試驗(yàn)平臺(tái)具有使用燃調(diào)桿、導(dǎo)調(diào)桿手動(dòng)快速、精確控制燃油流量、導(dǎo)葉角度的功能；各功能模塊能夠協(xié)同工作，較好地模擬了燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)、加速和加載的過(guò)程(手動(dòng)調(diào)節(jié)燃調(diào)桿、導(dǎo)調(diào)桿，手動(dòng)加載)；在整個(gè)調(diào)試過(guò)程中，系統(tǒng)對(duì)“燃燒室出口溫度”“動(dòng)力渦輪前溫度”“排氣溫度”等參數(shù)的監(jiān)控、保護(hù)功能正常。

圖8 手操模式調(diào)試過(guò)程

2.4.2 閉環(huán)控制調(diào)試

將控制系統(tǒng)與燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)學(xué)模型連接，進(jìn)入“正常啟動(dòng)(自動(dòng))”模式調(diào)試，該模式起動(dòng)步驟如下：

1) 燃油泵1、2和導(dǎo)調(diào)泵運(yùn)行，燃油截止閥1、2和導(dǎo)葉遮斷閥打開(kāi)；

2) 啟動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，NH上升速到點(diǎn)火轉(zhuǎn)速，點(diǎn)火器點(diǎn)火，燃油量增大，NH持續(xù)上升；

3) NH>26 000 r/min時(shí)，進(jìn)入NH閉環(huán)控制，NH穩(wěn)定控制在28 000 r/min；

4) 操作員將NH目標(biāo)值修改為32 000 r/min，燃油量增大，NH穩(wěn)定控制在32 000 r/min，當(dāng)NH>32 000 r/min時(shí)，導(dǎo)葉開(kāi)度從90°緩慢關(guān)至30°，NP上升；

5) NP>25 500 r/min時(shí)，進(jìn)入NP閉環(huán)控制，NP穩(wěn)定控制在26 600 r/min；

6) NP穩(wěn)定26 600 r/min，操作員可點(diǎn)擊“加載投入”按鈕，模擬加載；

7) 進(jìn)入加載功率閉環(huán)控制，此時(shí)操作員可通過(guò)設(shè)定功率目標(biāo)值，使機(jī)組穩(wěn)定在任意帶載工況。

“正常啟動(dòng)(自動(dòng))”模式調(diào)試過(guò)程中NL、NH、NP轉(zhuǎn)速和燃油流量變化曲線如圖9所示。調(diào)試過(guò)程表明：試驗(yàn)平臺(tái)具有模擬控制系統(tǒng)“一鍵啟動(dòng)”燃?xì)廨啓C(jī)的功能；各功能模塊能夠協(xié)同工作，較好地模擬了燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)、加速和加載的過(guò)程(系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)燃調(diào)桿、導(dǎo)調(diào)桿，自動(dòng)加載)；在整個(gè)調(diào)試過(guò)程中，系統(tǒng)對(duì)“燃燒室出口溫度”“ 動(dòng)力渦輪前溫度”“排氣溫度”等參數(shù)的監(jiān)控、保護(hù)功能正常。

圖9 自動(dòng)模式調(diào)試過(guò)程

3 結(jié)語(yǔ)

(1) 針對(duì)某導(dǎo)葉可調(diào)的三轉(zhuǎn)子燃?xì)廨啓C(jī)構(gòu)建了半物理仿真試驗(yàn)平臺(tái)，其中燃油控制系統(tǒng)可對(duì)燃油供油溫度、壓力、流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)進(jìn)行了燃燒室背壓和三轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的模擬，模擬燃?xì)廨啓C(jī)及其控制系統(tǒng)工作過(guò)程,具有較大的真實(shí)性，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

(2) 對(duì)構(gòu)建好的半物理仿真試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了單體設(shè)備調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，調(diào)試結(jié)果說(shuō)明：試驗(yàn)平臺(tái)具備手動(dòng)/自動(dòng)對(duì)燃油流量及導(dǎo)葉等設(shè)備進(jìn)行快速、精確控制的功能；試驗(yàn)平臺(tái)各功能模塊能夠協(xié)同工作，較好地模擬燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)、加速、加載、停車等各個(gè)過(guò)程，可為燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供良好的試驗(yàn)支撐。

(3) 試驗(yàn)平臺(tái)后期可以進(jìn)行如下改進(jìn)：優(yōu)化燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)學(xué)模型，提高其精度，使其更加接近真實(shí)燃?xì)廨啓C(jī)；拓寬模擬燃燒室的模擬背壓范圍，且優(yōu)先使用氣動(dòng)增壓設(shè)備使模擬燃燒室背壓達(dá)到所需值，其次使用油系統(tǒng)改變模擬燃燒室背壓；增加模擬燃燒室溫度模擬功能，使其更加接近于燃?xì)廨啓C(jī)真實(shí)燃燒室的工作環(huán)境。