陳昊洋，陳名楊

(1.中國航發(fā)動力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002；2.南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京 210016)

對于一架配置了多臺發(fā)動機(jī)的直升機(jī)，其功率可能來自一臺或者所有的發(fā)動機(jī)，多臺發(fā)動機(jī)共同工作的優(yōu)點在于失效—安全工作模式，這就要求控制器能有效的管理各發(fā)動機(jī)的功率[1-2]?？紤]到平均承擔(dān)負(fù)載的問題，多臺發(fā)動機(jī)為各參數(shù)都相同的同型號發(fā)動機(jī)。理想情況下，當(dāng)所有發(fā)動機(jī)都處于正常工作狀態(tài)時，由于沒有發(fā)動機(jī)蛻化或者損傷，各發(fā)動機(jī)平均承擔(dān)旋翼負(fù)載，當(dāng)負(fù)載遇到干擾或者處于過渡工作狀態(tài)時，所有發(fā)動機(jī)能在同一時間快速產(chǎn)生相應(yīng)的變化[3-4]。但是由于發(fā)動機(jī)蛻化或者發(fā)動機(jī)故障等問題，當(dāng)一臺或者多臺發(fā)動機(jī)不能正常工作時，若不能及時地對各發(fā)動機(jī)承擔(dān)的負(fù)載進(jìn)行重新分配，會導(dǎo)致問題發(fā)動機(jī)以及傳動機(jī)構(gòu)的損傷，長時間的工作狀態(tài)差異甚至?xí)?yán)重影響發(fā)動機(jī)壽命[5-7]。為使每臺發(fā)動機(jī)分擔(dān)均等需求功率，需要設(shè)計合理的扭矩匹配控制方法保證在發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)過程中各發(fā)動機(jī)之間的扭矩差異不大[8-12]。一旦某臺發(fā)動機(jī)發(fā)生性能退化，各發(fā)動機(jī)選擇相應(yīng)的匹配變量作為轉(zhuǎn)速配平模式，通過扭矩匹配控制方法保證各發(fā)動機(jī)之間狀態(tài)差異較小[13-15]。因此對于配置多發(fā)的直升機(jī)，為了增長發(fā)動機(jī)的服役時間，需要設(shè)計對多發(fā)進(jìn)行匹配的控制方法。

目前國內(nèi)航空工業(yè)針對渦軸發(fā)動機(jī)多發(fā)匹配控制的研究較少[16-17]，已有的研究方法主要是基于串級PID的雙回路控制方案，該方案將外回路直接改為功率控制回路，需要搭配能計算旋翼在不同轉(zhuǎn)速下的需求功率的機(jī)載模型，工程實現(xiàn)較為困難。孫桂芝[18]運用模糊控制理論完成了雙發(fā)動機(jī)的功率匹配但不能適用于多發(fā)匹配。張振海[19]用一種復(fù)雜算法代替?zhèn)鹘y(tǒng)控制規(guī)律以實現(xiàn)雙發(fā)匹配但缺少工程實踐的驗證。

硬件在回路仿真平臺是一種將真實的數(shù)字電子控制器引入渦軸發(fā)動機(jī)閉環(huán)仿真中的實時仿真系統(tǒng)，其優(yōu)點是仿真回路中具有真實的控制系統(tǒng)部件，這能夠很大程度地提高模型仿真的置信度、彌補全數(shù)字仿真的不足。在渦軸發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)過程中，硬件在回路仿真技術(shù)的引進(jìn)，大硬件在回路仿真平臺大提高了開發(fā)效率、縮短了研發(fā)周期，同時能夠降低研發(fā)成本和風(fēng)險，是渦軸發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)從理論設(shè)計到實際應(yīng)用過程中不可缺少的的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

本文提出雙邊扭矩匹配方案，在單邊扭矩匹配方案基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，通過相鄰三臺發(fā)動機(jī)之間的扭矩差調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)輸出扭矩，更加適用于多發(fā)匹配，并在硬件在回路仿真平臺上進(jìn)行了仿真驗證，證明了所提出方案工程實踐的可行性。

1 扭矩匹配方案

傳統(tǒng)的單邊扭矩匹配方案具有結(jié)構(gòu)緊湊、計算簡便等優(yōu)點，但是在實際應(yīng)用過程中會有匹配速度慢、匹配時超調(diào)量大的缺點。為了改進(jìn)這種匹配方案，在上述方案的基礎(chǔ)上，提出了適用于多發(fā)狀態(tài)下多發(fā)匹配的另一種匹配方案，雙邊扭矩匹配方案。

多臺發(fā)動機(jī)為同批生產(chǎn)的、裝配在同一架直升機(jī)上的同型號發(fā)動機(jī)，當(dāng)某臺發(fā)動機(jī)的輸出扭矩發(fā)生變化時，各發(fā)動機(jī)承擔(dān)的負(fù)載會產(chǎn)生差異，為消除這種輸出扭矩的不平衡狀態(tài)，裝配的每一臺發(fā)動機(jī)都會根據(jù)產(chǎn)生的負(fù)載差異調(diào)整其燃油量。以雙發(fā)為例，當(dāng)1#發(fā)動機(jī)扭矩小于2#發(fā)動機(jī)扭矩時，1#發(fā)動機(jī)的燃油流量將增加，2#發(fā)動機(jī)的燃油流量將減少，從而完成扭矩匹配過程。

雙邊匹配方案相比于單邊匹配方案，增益值取決于相鄰三臺發(fā)動機(jī)的匹配量差值，實際匹配時各發(fā)動機(jī)匹配量相互逼近，理論上雙邊匹配的匹配時間應(yīng)優(yōu)于單邊匹配。

2 硬件在回路仿真平臺

硬件在回路仿真平臺主要由監(jiān)控工作臺、仿真器和數(shù)字電子控制器三部分組成，硬件在回路仿真平臺工作流程如圖1所示。

首先在硬件在回路仿真平臺中利用發(fā)動機(jī)數(shù)學(xué)模型對真實發(fā)動機(jī)的全狀態(tài)進(jìn)行模擬，模擬生成發(fā)動機(jī)各個截面的壓力、溫度和轉(zhuǎn)速等信號，這些信號通過信號調(diào)理裝置生成與真實發(fā)動機(jī)上傳感器信號等效的電氣信號，并通過接口適配及電纜傳遞給數(shù)字電子控制器；接下來控制器利用控制系統(tǒng)算法計算出電液伺服閥、電磁閥等控制信號；最后，控制信號通過接口適配后，利用PXI工控機(jī)進(jìn)行采集，執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型將采集的控制信號轉(zhuǎn)換成流量、導(dǎo)葉和噴口等發(fā)動機(jī)實際控制信號對發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行控制。這樣即可對發(fā)動機(jī)的全包線工作狀態(tài)及控制系統(tǒng)的控制功能、性能進(jìn)行模擬驗證。

3 扭矩匹配方案硬件在回路仿真驗證

在硬件在回路仿真平臺上對扭矩匹配方案進(jìn)行驗證。由于仿真平臺的限制，本次試驗首先選取雙發(fā)配置的綜合模型，在H=0 m，Vx=118 m/s的條件下進(jìn)行硬件在回路仿真實驗。為了區(qū)分兩臺發(fā)動機(jī)的各變量，對其中第二臺發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)效率系數(shù)減小2%。在t=18 s時ENGB的壓氣機(jī)效率減小2%，兩臺發(fā)動機(jī)的扭矩輸出產(chǎn)生變化，在t=43 s時進(jìn)行扭矩匹配控制，兩臺發(fā)動機(jī)的扭矩輸出通過匹配趨向一致，雙發(fā)配置下硬件在回路平臺仿真驗證如圖2所示。

圖1 硬件在回路仿真平臺工作流程圖

圖2 雙發(fā)配置下硬件在回路平臺仿真驗證

圖2中，ENGA 、ENGB分別表示A發(fā)動機(jī)和B發(fā)動機(jī)。由圖2(a)可以看出由于串級PID的控制，動力渦輪轉(zhuǎn)速能很快地穩(wěn)定在100%狀態(tài)，說明控制器控制效果良好；由圖2(b)、2(c)和2(d)可以看出，在第18 s時，由于ENGB的壓氣機(jī)效率發(fā)生改變，其燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速、動力渦輪的輸出扭矩以及燃油量均發(fā)生了相應(yīng)的變化，且變化趨勢一致。由于功率平衡器的作用，為了保持旋翼扭矩不變，ENGA的燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速、動力渦輪的輸出扭矩以及燃油量與ENGB變化趨勢相反。在第43 s時，由于雙發(fā)匹配控制的作用，兩臺發(fā)動機(jī)的動力渦輪的輸出扭矩開始趨向一致直至均等分擔(dān)旋翼負(fù)載，燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速以及燃油量也具備相同的變化趨勢。且雙發(fā)匹配控制前后，燃油消耗總量由0.438 kg/s減為0.422 kg/s，減少了3.65%。

在完成雙發(fā)狀態(tài)下渦軸發(fā)動機(jī)閉環(huán)仿真驗證的基礎(chǔ)上，對三發(fā)狀態(tài)下的扭矩匹配控制方法在HIL仿真平臺中進(jìn)行仿真驗證。

在H=0 m，Vx=118 m/s的條件下進(jìn)行硬件在回路仿真實驗。為了區(qū)分三臺發(fā)動機(jī)的各變量，對其中ENGA、ENGB兩臺發(fā)動機(jī)進(jìn)行退化仿真。在t=18 s時，ENGA的壓氣機(jī)空氣流量增加5%，ENGB的壓氣機(jī)效率減小2%，然后三臺發(fā)動機(jī)的扭矩輸出產(chǎn)生變化，在t=43 s時進(jìn)行扭矩匹配控制，三臺發(fā)動機(jī)的扭矩輸出通過匹配趨向一致，三發(fā)配置下硬件在回路平臺仿真驗證如圖3所示。

圖3 三發(fā)配置下硬件在回路平臺仿真驗證

從圖3(a)可以看到，從第18 s開始，由于EBGA和ENGB的相關(guān)系數(shù)有所改變，三臺發(fā)動機(jī)的輸出扭矩產(chǎn)生較大差異，此時為了保持提供給旋翼的總扭矩為定值，原本作為參考發(fā)動機(jī)的ENGC的扭矩也產(chǎn)生了變化；在第43 s時，加入了扭矩匹配控制，在較短時間內(nèi)，三臺發(fā)動機(jī)的輸出扭矩即完成了匹配工作，該過程在圖3(b)的燃油流量圖中也體現(xiàn)出相同的變化趨勢。消耗的燃油流量總量從0.746 kg/s減為0.736 kg/s，減少了1.34%。

4 結(jié)語

本文分別采用單邊扭矩匹配方案和雙邊扭矩匹配方案對多臺發(fā)動機(jī)的輸出扭矩進(jìn)行匹配，并進(jìn)行了仿真驗證，得到了如下結(jié)論：

1)所提出的多發(fā)狀態(tài)下的渦軸發(fā)動機(jī)功率匹配方法實現(xiàn)過程中，動力渦輪相對轉(zhuǎn)速能夠穩(wěn)定在100%，且燃?xì)鉁u輪相對轉(zhuǎn)速、動力渦輪輸出扭矩與燃油量均能夠根據(jù)發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)變化情況作出相應(yīng)的改變。

2)所提出的多發(fā)匹配方案能夠?qū)ο嗖钶^大的輸出扭矩在較短時間內(nèi)完成扭矩的匹配工作，匹配時間不超過4 s，燃油流量消耗總量減少1%以上。