張維峰,范伯騫,王 健

(1.航空工業(yè)南京機電液壓工程研究中心 燃油系統(tǒng)部，江蘇 南京 211100;2.航空機電系統(tǒng)綜合航空科技重點實驗室，江蘇 南京 211100)

0 引言

某典型空中加油壓力閉環(huán)系統(tǒng)由涵道式渦輪驅(qū)動加油泵實現(xiàn)燃油增壓輸送，通過壓力調(diào)節(jié)器驅(qū)動風(fēng)門連桿調(diào)節(jié)機構(gòu)控制排氣風(fēng)門開度，從而改變加油泵轉(zhuǎn)速以實現(xiàn)燃油增壓值閉環(huán)調(diào)節(jié)[1]。由于地面試驗時無法獲得高速氣流，通常采用伺服閥驅(qū)動液壓馬達(dá)驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)動[2-3]。為實現(xiàn)調(diào)速控制器的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，使用傾角傳感器反饋渦輪風(fēng)門開度，然而試驗中發(fā)生系統(tǒng)振蕩現(xiàn)象。常規(guī)傾角傳感器的測量值通過測量重力在多個空間方向上的分量計算得到[4-5]，然而此類傳感器難以實現(xiàn)較高的響應(yīng)速度。本文通過分析系統(tǒng)特性，確定傾角傳感器輸出速率較低并存在測量滯后是產(chǎn)生系統(tǒng)振蕩的主要原因。針對性提出了使用慣性測量單元IMU實現(xiàn)傾角測量以及使用電子調(diào)速控制器替代原系統(tǒng)中模擬電路調(diào)速控制器的優(yōu)化方案，并研究了測量數(shù)據(jù)融合方法，通過仿真分析研究了優(yōu)化前后的穩(wěn)定性，為系統(tǒng)改進(jìn)提供了理論參考。

1 某典型空中加油壓力閉環(huán)系統(tǒng)工作原理

某典型空中加油壓力閉環(huán)系統(tǒng)使用一件涵道式渦輪(下文簡稱渦輪)作為主要動力來源，驅(qū)動燃油泵和二級泵，前者實現(xiàn)燃油輸送，后者向吊艙提供高壓燃油用于各個作動器的驅(qū)動，見圖1。當(dāng)渦輪工作時，進(jìn)氣錐收縮，進(jìn)氣道向前方敞開，高速氣流經(jīng)導(dǎo)向器進(jìn)入進(jìn)氣道驅(qū)動轉(zhuǎn)子及其主軸上連接的加油泵和二級泵旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)燃油增壓；氣流最終由進(jìn)氣道后端的多個并聯(lián)風(fēng)門排出。每個風(fēng)門由鉸鏈連接在殼體上，可以在風(fēng)門作動器及連桿機構(gòu)的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)打開或關(guān)閉。壓力調(diào)節(jié)器連接加油泵入口出口、二級泵出口和風(fēng)門作動器兩腔，是包含了多個閥體的液壓組件。當(dāng)加油泵增壓值超過設(shè)定值時，壓力調(diào)節(jié)器向風(fēng)門作動器供油使風(fēng)門向關(guān)閉方向運動，以降低渦輪轉(zhuǎn)速；反之當(dāng)加油泵增壓值過低時將風(fēng)門向開啟方向運動，從而保證加油泵增壓值穩(wěn)定在目標(biāo)范圍內(nèi)。可見，加油泵的增壓值控制，是由加油泵-壓力調(diào)節(jié)器-風(fēng)門作動器-風(fēng)門-渦輪共5個環(huán)節(jié)構(gòu)成的負(fù)反饋閉環(huán)機械液壓控制系統(tǒng)。

圖1 某典型空中加油壓力閉環(huán)系統(tǒng)簡圖

2 原地面測試系統(tǒng)建模分析

2.1 原地面測試系統(tǒng)工作原理及特點

當(dāng)某典型空中加油壓力閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行地面試驗時，由于無法模擬真實工況下的高速氣流，因此需要將進(jìn)氣道部分和渦輪轉(zhuǎn)子部分取下，使用一套伺服閥控液壓馬達(dá)系統(tǒng)代替渦輪。同時在風(fēng)門處安裝一只傾角傳感器，將測量風(fēng)門傾角得到的電信號輸入液壓馬達(dá)調(diào)速控制器，由模擬電路對面板給定的參數(shù)和風(fēng)門傾角信號運算得到伺服閥控制信號，進(jìn)而控制液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速，模擬風(fēng)門角度調(diào)節(jié)進(jìn)氣量、對渦輪轉(zhuǎn)速的控制。該地面測試系統(tǒng)控制原理見圖2。伺服閥閥芯組件是由彈簧和質(zhì)量構(gòu)成的二階系統(tǒng)環(huán)節(jié)，壓力調(diào)節(jié)器主閥芯也是二階系統(tǒng)環(huán)節(jié)；液壓馬達(dá)和加油泵的轉(zhuǎn)動慣量帶來一階系統(tǒng)環(huán)節(jié)；風(fēng)門作動器的活塞運動對壓力調(diào)節(jié)器輸出流量為一階積分環(huán)節(jié)。因此調(diào)速控制器的被控對象階次較高(不低于6階)。

圖2 空中加油壓力閉環(huán)地面測試系統(tǒng)控制原理

此外，傾角傳感器是一件單軸測量、4至20 mA電流信號輸出的傳感器，通過試驗驗證，發(fā)現(xiàn)傾角傳感器存在數(shù)據(jù)輸出速率較低、數(shù)據(jù)時間滯后明顯的不足，是導(dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定的主要原因。同時地面測試控制系統(tǒng)存在伺服閥和壓力調(diào)節(jié)器主閥輸出增益隨負(fù)載變化非線性、作動器位移與風(fēng)門角度關(guān)系非線性、作動器位移飽和等多個非線性環(huán)節(jié)，使用模擬電路構(gòu)成的線性控制器難以應(yīng)對該復(fù)雜被控對象的可靠控制。

2.2 原地面測試系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

能夠準(zhǔn)確反映加油泵閉環(huán)控制系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)動態(tài)特性的模型，是探索系統(tǒng)特性、設(shè)計可靠的控制算法等研究的基礎(chǔ)。由于系統(tǒng)中大量非線性特性的存在，無法像分析常規(guī)線性系統(tǒng)一樣簡單使用傳遞函數(shù)描述各個環(huán)節(jié)，因此本文借助Matlab/Simulink建立地面測試系統(tǒng)仿真模型，見圖3。

圖3 地面測試系統(tǒng)仿真模型

伺服閥子模型特性見圖4，該模型輸入量是伺服閥控制量、液壓源壓力和閥口負(fù)載壓力，輸出量是閥口負(fù)載流量[6]。

圖4 液壓伺服閥仿真模型

加油泵是一臺離心泵，其輸出壓力pc和主軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩tc是與工作轉(zhuǎn)速n、負(fù)載流量qc有關(guān)的非線性函數(shù)，其子模型見5。

圖5 加油泵仿真模型

傾角傳感器與調(diào)速控制器子模型結(jié)構(gòu)見6。模型中包含了輸入階段傾角傳感器的滯后、輸出速率等特性，和輸出階段DAC的輸出速率、有限量化特性。中間的控制環(huán)節(jié)使用簡單的負(fù)反饋比例控制。

圖6 傾角傳感器與調(diào)速控制器仿真模型

2.3 原地面測試系統(tǒng)仿真分析

原地面測試控制系統(tǒng)參數(shù)下的系統(tǒng)仿真結(jié)果見圖7，仿真結(jié)果復(fù)現(xiàn)了試驗中風(fēng)門往返開關(guān)的振蕩現(xiàn)象。

圖7 原控制系統(tǒng)參數(shù)下的系統(tǒng)仿真結(jié)果

分析各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的振蕩相位可見，由于傾角傳感器的滯后特性，控制器輸出值與風(fēng)門角度相位相差約90°?？刂破鬏敵鲋档郊佑捅迷鰤褐抵g的環(huán)節(jié)相位滯后很小，可以忽略。風(fēng)門作動器是加油泵增壓值與調(diào)定壓力(此處是0.5 MPa)差值的積分，但由于壓力調(diào)節(jié)器閥芯飽和，作動器位移速度存在上限；相位上作動器位移滯后加油泵增壓值約90°，系統(tǒng)總滯后達(dá)到180°。這與原地面測試系統(tǒng)在試驗時出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象相吻合。

3 地面測試系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

3.1 優(yōu)化設(shè)計方案

為消除系統(tǒng)中存在的滯后環(huán)節(jié)并適應(yīng)系統(tǒng)本身的非線性特性，使用具有加速度和角速度測量通道的慣性測量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)替代傾角傳感器、電子調(diào)速控制器替代原模擬調(diào)速控制器的優(yōu)化方案。

IMU可以測量兩個軸向(記作X軸和Z軸)上的瞬時加速度及敏感角度方向的瞬時角速度，實現(xiàn)傾角傳感器的高動態(tài)響應(yīng)。通過滑窗互相關(guān)運算[7]分析IMU與傾角傳感器數(shù)據(jù)的滑窗互相關(guān)值見圖8，滑窗寬度為5 s，其中曲線是互相關(guān)值在時間t維度上的極小值曲線。從第18 s傳感器開始轉(zhuǎn)動到第40 s轉(zhuǎn)動結(jié)束，此間互相關(guān)曲線數(shù)據(jù)可見IMU相較傾角傳感器消除了約0.28 s的滯后。

圖8 傾角傳感器相對慣性測量單元時間滯后

然而X軸和Z軸兩個軸向的瞬時加速度計測量值ax和az會因IMU的運動和振動而含有非重力加速度成分，導(dǎo)致瞬時角度出現(xiàn)誤差，而角速度計測量值ωy會不可避免的含有零點誤差，在積分后會造成角度漂移。

因此，本文采用互補濾波的方法(見圖9)，將加速度計和角速度計的傾角計算值使用融合算法后獲得準(zhǔn)確的傾角數(shù)據(jù)，可以消除高頻振動和積分漂移，快速響應(yīng)被測目標(biāo)的角度變化。優(yōu)化設(shè)計后的壓力閉環(huán)測試系統(tǒng)由遠(yuǎn)程測量單元RMU、電子調(diào)速控制器和總臺控制面板組成，見圖10。

圖9 IMU測量加速度和角速度示意圖

圖10 電子調(diào)速控制器原理

其中RMU由基于IMU實現(xiàn)的傾角傳感器和液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速信號調(diào)理器共同構(gòu)成；電子調(diào)速控制器替換了原測試系統(tǒng)的模擬電路調(diào)速控制器，包含數(shù)字和模擬兩部分電路。數(shù)字電路的核心是一件微控制器，用來接收試驗臺控制臺的控制信號和RMU測量數(shù)據(jù)，并根據(jù)控制算法計算得到系統(tǒng)中被控對象的控制量。數(shù)模轉(zhuǎn)換器用來將數(shù)字電路的控制量轉(zhuǎn)換成模擬電壓，再通過模擬電路部分的運算放大器調(diào)理到合適的電壓范圍，并輸出至后續(xù)伺服閥環(huán)節(jié)。

3.2 優(yōu)化設(shè)計后地面測試系統(tǒng)仿真分析

在原地面測試系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，將角傳感器與調(diào)速控制器子模型參數(shù)改為使用IMU作為傾角傳感器及使用電子控制器后，仿真結(jié)果見11。

圖11 使用IMU作為傾角傳感器及使用電子控制器后的系統(tǒng)仿真結(jié)果

調(diào)整控制器增益進(jìn)行對比，原地面測試控制系統(tǒng)在風(fēng)門角度出現(xiàn)幅度超過0.1°振蕩的增益臨界值約為0.164%/°，且需要相應(yīng)精調(diào)伺服閥前饋偏置量才可使風(fēng)門控制在兩端飽和區(qū)之間的調(diào)節(jié)區(qū)內(nèi)。相比之下，優(yōu)化設(shè)計后控制系統(tǒng)增益臨界值是6.41%/°，相對原控制系統(tǒng)的增益裕度提高約40倍，系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，能夠滿足測試需求。

5 結(jié)論

(1)某典型空中加油壓力閉環(huán)原測試系統(tǒng)采用傾角傳感器和模擬電路調(diào)速控制器實現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)，傾角傳感器輸出速率較低并存在時間滯后，是產(chǎn)生系統(tǒng)振蕩的主要原因；系統(tǒng)中存在大量非線性環(huán)節(jié)，使用模擬電路構(gòu)成的線性控制器難以應(yīng)對該復(fù)雜被控對象的可靠控制。

(2)本文提出慣性測量單元IMU及電子調(diào)速控制器優(yōu)化方案，針對IMU測量誤差和零點誤差帶來的角度漂移采用互補濾波的測量數(shù)據(jù)融合方法，通過仿真分析對優(yōu)化前后的系統(tǒng)特性進(jìn)行了研究，驗證了新系統(tǒng)在消除振蕩、實現(xiàn)閉環(huán)控制方面的有效性，為系統(tǒng)改進(jìn)提供了理論依據(jù)。