林忠麟， 甘錦裕， 劉文超， 張?zhí)旌辏?黃 峰

（1.福州大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院，福州 350108；2.南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京 210016）

0 引言

航空發(fā)動機是現(xiàn)代飛機的核心部件，其壓氣機是發(fā)動機中最重要的部分，用于將外部空氣壓縮并送入燃燒室，以提供燃料燃燒所需的高壓力空氣。發(fā)動機性能的優(yōu)劣主要取決于壓氣機的效率和可靠性［1-2］。壓氣機在運行過程中易受多種因素影響，導(dǎo)致工作參數(shù)變化引發(fā)喘振和失速等失穩(wěn)現(xiàn)象［3］。為更好地評估發(fā)動機的性能，對壓氣機壓力失穩(wěn)現(xiàn)象進行檢測非常重要［4-6］。壓氣機的壓力模擬為航空發(fā)動機設(shè)計提供了極大的便捷，可在發(fā)動機硬件在環(huán)仿真階段快速評估壓氣機的性能、優(yōu)化發(fā)動機設(shè)計以及進行發(fā)動機性能評估和驗證。壓氣機壓力模擬還可用于故障排除和優(yōu)化維護策略的設(shè)計［7］。

隨著國家對航空發(fā)動機和燃氣輪機重大專項的啟動，對壓氣機失穩(wěn)問題的自主創(chuàng)新研究需求愈發(fā)迫切，對開展多維度創(chuàng)新教學(xué)模式提出了更高的挑戰(zhàn)［8-10］。本文開發(fā)了一套航空發(fā)動機壓氣機壓力硬件在環(huán)仿真實驗教學(xué)平臺，該實驗平臺將航空發(fā)動機及機械工程專業(yè)的工程問題與實驗教學(xué)相結(jié)合，可提高學(xué)生理論與實踐相結(jié)合、培養(yǎng)新一代航空發(fā)動機及機械工程領(lǐng)域創(chuàng)新型人才；能模擬壓氣機壓力變化、復(fù)現(xiàn)氣流突變特征，為航空發(fā)動機硬件在環(huán)仿真試驗提供必要的條件和基礎(chǔ)。實驗驗證，該實驗平臺能夠精確地模擬航空發(fā)動機壓氣機的壓力變化，成本低，置信度高。平臺軟件界面設(shè)計美觀簡潔、操作難度低、易于學(xué)生上手操作，可為實驗教學(xué)、畢業(yè)設(shè)計等提供基礎(chǔ)，是使用硬件在環(huán)仿真技術(shù)替代傳統(tǒng)教學(xué)方法的一大創(chuàng)新。

1 仿真平臺工作原理

1.1 壓力模擬原理

氣動伺服控制中，壓力控制是最基本的環(huán)節(jié)［11］。所謂壓力控制，是指在一定的氣壓范圍內(nèi)，通過對氣壓信號的實時檢測與分析，實現(xiàn)對被控容器中氣體壓力的自動調(diào)整。氣壓伺服控制的核心在于控制算法的設(shè)計，傳統(tǒng)的氣壓控制算法主要有比例積分微分（Proportional Integral Derivative，PID）、滑?？刂疲⊿liding Mode Control，SMC）和模型預(yù)測控制（Model Predictive Control，MPC）等。PID控制原理簡單，但在氣壓伺服控制中效果較差。SMC 雖其模式切換的方法適用于氣動系統(tǒng)，但容易出現(xiàn)過大誤差。本平臺采用MPC作為壓力模擬的核心控制算法，其更適用于非線性系統(tǒng)。MPC是一種基于模型的新型控制算法，具有良好的魯棒性、可控性和快速動態(tài)響應(yīng)。模型預(yù)測控制通過對工業(yè)生產(chǎn)過程的最優(yōu)控制來優(yōu)化系統(tǒng)品質(zhì)，其核心在于預(yù)測和滾動優(yōu)化算法。MPC 算法設(shè)計是以硬件在環(huán)仿真平臺的實際情況為約束條件、以高速開關(guān)閥壓力數(shù)據(jù)模型為預(yù)測模型，所用的性能指標函數(shù)

式中：u為控制量；k為采樣時刻；i為預(yù)測時刻；k+i為預(yù)測時刻，所對應(yīng)步長為1 ms；N為總預(yù)測步數(shù)；R、C、F分別為誤差、控制量、終點加權(quán)參數(shù)；Pref為參考壓力，PG為預(yù)測壓力。

平臺采用定容積控制的氣壓伺服控制技術(shù)，以調(diào)節(jié)氣動系統(tǒng)中氣缸內(nèi)的壓力作為壓氣機的模擬壓力，原理如圖1 所示。航空發(fā)動機硬件在環(huán)仿真試驗中，由發(fā)動機模型計算機輸出壓氣機壓力仿真信號，該信號作為實驗仿真的輸入，經(jīng)過MPC計算后輸出控制量控制氣動系統(tǒng)產(chǎn)生壓力變化，形成壓氣機壓力信號，該信號將由全權(quán)限數(shù)字發(fā)動機控制器（Full Authority Digital Engine Control，F(xiàn)ADEC）中的壓力傳感器進行采集，F(xiàn)ADEC 產(chǎn)生的控制信號饋送給航空發(fā)動機模型，形成控制閉環(huán)。

圖1 壓氣機壓力模擬原理圖

1.2 FPGA技術(shù)特點

現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）是一種設(shè)計靈活、功耗低、體積小、可編程性強，并具有較高可靠性和可重復(fù)使用的集成電路技術(shù)。FPGA具有可編程特性，可根據(jù)用戶需求在任意時刻設(shè)計出電路，并且可用軟件在芯片上實現(xiàn)設(shè)計的功能［12-14］。利用FPGA 技術(shù)高度并行性、易于可編程性、靈活拓展性等特點［15-16］，結(jié)合氣壓伺服控制技術(shù)與MPC算法，實現(xiàn)精準的時序控制，提高平臺的仿真控制精度，以完成實驗平臺的氣動伺服控制功能。

2 仿真平臺軟硬件構(gòu)建

2.1 平臺硬件設(shè)計

仿真平臺硬件部分如圖2 所示，構(gòu)建遵循標準化、模塊化和簡易化的原則，采用搭載FPGA 的高性能嵌入式實時控制器，通過電纜與PC、氣動系統(tǒng)連接，進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)對被控氣缸中的壓力調(diào)節(jié)。整套平臺具備高性能、低成本、結(jié)構(gòu)緊湊、兼容性好、易于維護的特點。

圖2 壓氣機壓力仿真教學(xué)實驗平臺硬件

（1）氣動模塊。氣動模塊是本平臺的基本部分，本著結(jié)構(gòu)簡單、易于控制的設(shè)計原則，本平臺的設(shè)計包括空氣壓縮機（TW7504S）、高速開關(guān)閥（MHJ10-S-0，35-QS-4-MF）和氣缸。

氣動系統(tǒng)中常用的壓力調(diào)節(jié)執(zhí)行器為比例閥和高速開關(guān)閥。盡管比例閥有著比例輸出的優(yōu)點，但其較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和較高的成本限制了使用的范圍。高速開關(guān)閥結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)快，易于控制，更適用于本平臺的設(shè)計。高速開關(guān)閥僅有“開”和“關(guān)”兩種狀態(tài)，結(jié)合脈沖寬度調(diào)制（Pulse-width Modulation，PWM）方法便可以輕松對其控制。故本平臺采用MHJ10-S-0，35-QS-4-MF型高速開關(guān)閥，壓力范圍為0.05 ～0.6 MPa，最大切換頻率可達1 kHz，范圍廣，響應(yīng)快。空氣壓縮機采用TW7504S，采用一體化靜音設(shè)計，安全可靠，操作簡單，適合實驗室使用，方便實驗教學(xué)。

（2）控制模塊。航空發(fā)動機壓氣機壓力因其壓力突變、幅值較大、變化復(fù)雜等特點，對仿真平臺的控制模塊提出了更高的要求，需實現(xiàn)高精度、高頻響的壓力調(diào)節(jié)。本平臺采用CompactRIO（cRIO）嵌入式實時控制器cRIO-9054。cRIO-9054 配備1.33 GHz 的Intel Atom雙核處理器、Artix 7 100T的FPGA架構(gòu)以及4 個C系列模塊插槽。cRIO-9054 提供了精確的同步定時和確定性通信，適用分布式數(shù)據(jù)采集和控制應(yīng)用。

本平臺cRIO-9054 配備了2 張數(shù)據(jù)采集卡，分別是C系列數(shù)字模塊NI-9401 和電壓輸入模塊NI-9205。NI-9401 為雙向數(shù)字模塊，配有8 個DI／O 通道，本平臺用以輸出PWM控制量以調(diào)節(jié)高速開關(guān)閥。NI-9205為高精度、高速度模擬信號輸入模塊，電壓范圍為±10 V，適用于平臺傳感器的數(shù)據(jù)傳輸。

（3）傳感模塊。傳感模塊是伺服控制系統(tǒng)中必不可少的一部分，是實現(xiàn)閉環(huán)控制的重要反饋條件。壓力傳感器選用MIK-P300，其壓力敏感核心采用了高性能的硅壓阻式壓力充油芯體，內(nèi)部的專用集成電路將傳感器mV級信號轉(zhuǎn)換為標準電壓、電流或頻率信號，可變送-0.1 ～0.6 MPa 的壓力。該傳感器因其重量輕、精度高、安裝方便等特點被廣泛應(yīng)用于航空航天、實驗室壓力校驗等。

2.2 平臺軟件設(shè)計

平臺軟件采用LabVIEW 編程環(huán)境進行開發(fā)。LabVIEW作為一款虛擬儀器產(chǎn)品，以圖形為編程語言，通過其豐富的控件，用戶可快速地創(chuàng)建虛擬儀器，實現(xiàn)對實驗過程的控制，并可通過LabVIEW開發(fā)軟件進行數(shù)據(jù)分析、顯示和處理。

本平臺的軟件設(shè)置，則由上層PC 與底層cRIO-9054 Real-Time（RT）、cRIO-9054 FPGA 組成，即HOST.vi、RT.vi與FPGA.vi。各層子程序的任務(wù)架構(gòu)如圖3 所示。仿真平臺的相關(guān)程序設(shè)計和部署在NI LabVIEW 2019、LabVIEW Real-Time 19.0、LabVIEW FPGA 19.0 及NI cRIO driver 19.0。

圖3 HOST、RT、FPGA分層任務(wù)架構(gòu)

（1）下位機程序。cRIO-9054 Real-Time 運行的FPGA.vi作為底層的開關(guān)閥脈沖生成驅(qū)動程序，具有較強的實時性，負責(zé)信號采集、邏輯控制、高速并行處理。該程序利用NI-9205 讀取壓力傳感器實時采集的進氣壓力和腔內(nèi)壓力；利用NI-9401 對開關(guān)閥組進行控制，采用PWM 技術(shù)，分別設(shè)置控制頻率、偏置和占空比進行獨立控制。

RT層作為實時通信模塊，其程序負責(zé)傳遞變量、處理命令，同時對所采集到的數(shù)據(jù)進行監(jiān)控、處理。利用MPC方法，對系統(tǒng)參數(shù)進行實時計算，以實現(xiàn)最優(yōu)控制。

（2）上位機程序。上位機程序HOST. vi 遵循人機友好、界面簡潔、操作方便的原則進行設(shè)計，分為系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、MPC參數(shù)設(shè)置和實時監(jiān)測3 個模塊。該程序操作流程如圖4 所示，主要有：參數(shù)設(shè)置→設(shè)置參考壓力→開啟閥→數(shù)據(jù)導(dǎo)出→關(guān)閉閥并放氣。

圖4 仿真平臺（HOST.vi）操作流程

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置開關(guān)閥頻率為100 Hz、采集循環(huán)時間為1 ms，MPC參數(shù)依據(jù)實際情況確定，參考壓力設(shè)置為主動數(shù)值設(shè)置與預(yù)設(shè)波形設(shè)置，預(yù)設(shè)波形包括正弦波、三角波與喘振信號。參數(shù)設(shè)置界面如圖5 所示。上位機程序通過RT層實現(xiàn)與FPGA層的通信，確保采樣和控制輸出的定時精度。

平臺實時監(jiān)測模塊由實時壓力跟蹤監(jiān)測和實時誤差監(jiān)測兩部分組成，如圖6 所示。該模塊用于直觀了解平臺狀態(tài)，方便及時對平臺進行調(diào)整。

圖6 仿真平臺（HOST.vi）實時監(jiān)測界面

3 實驗驗證

3.1 實驗方法

（1）前期準備。依據(jù)圖2 的實驗平臺硬件圖對各部件按順序進行連接。其中，氣動系統(tǒng)使用直徑為4、6 和8 mm規(guī)格氣管，并使用氣管轉(zhuǎn)換器進行連接。各傳感器使用電線纜與cRIO-9054 連接。NI-9401 與NI-9205 分別插入控制器的槽1與槽2；壓力傳感器1與壓力傳感器2 電氣輸出端分別連接NI 9205 的接入信道（Access Channel，ACH）ACH 1 與ACH 2，用以測量氣缸輸入壓力與腔內(nèi)壓力；NI 9401 的DI／O 1 與DI／O 2輸出端分別連接高速開關(guān)閥1 和2，用以控制進氣閥與放氣閥的開關(guān)。

（2）實驗操作。調(diào)節(jié)空氣壓縮機輸出壓力為0.6 MPa，依據(jù)圖4 操作流程分別進行實驗，本實驗包括正弦波、三角波與喘振信號跟蹤3 部分。實驗過程中可根據(jù)實際跟蹤情況對MPC參數(shù)進行設(shè)置，以達到更好的跟蹤效果。

（3）數(shù)據(jù)分析。分別導(dǎo)出各組實驗的數(shù)據(jù)，并對每組實驗數(shù)據(jù)進行分析。

（4）注意事項。實驗結(jié)束后須保證空氣壓縮機與氣缸內(nèi)釋放結(jié)束，并檢查完各項電源安全才可離開。

3.2 數(shù)據(jù)分析與實驗結(jié)果

本實驗包括正弦波、三角波和喘振信號跟蹤3 組實驗，實驗數(shù)據(jù)如圖7 所示，圖中p為壓力，pm為實測壓力，e為壓力誤差，t為時間。

圖7 喘振信號跟蹤實驗結(jié)果

基于實驗數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：

（1）仿真平臺能及時根據(jù)預(yù)設(shè)壓力的變化，快速對開關(guān)閥組進行控制。

（2）正弦波與三角波壓力跟蹤誤差均保持在10 kPa內(nèi)，誤差比（誤差／預(yù)設(shè)值）基本保持在2.5%內(nèi)，跟蹤性能佳。

（3）喘振信號跟蹤結(jié)果整體與喘振信號一致，除第1 次高幅度壓力突降時，實時誤差最大接近60 kPa，但最終能夠快速跟隨上壓力變化，補償?shù)蛪喝鳖~。

綜上所述，本文所設(shè)計的基于FPGA 的航空發(fā)動機壓氣機壓力硬件在環(huán)仿真實驗教學(xué)平臺能滿足壓氣機壓力模擬需求，誤差小、跟蹤平穩(wěn)、反應(yīng)快速。

4 結(jié)語

本文設(shè)計的高精度的航空發(fā)動機壓氣機壓力硬件在環(huán)仿真實驗教學(xué)平臺基于FPGA技術(shù)與氣動壓力模擬技術(shù)，具有界面簡潔、人機友好、操作方便等特點。平臺不僅能彌補航空動力專業(yè)相關(guān)課程實驗教學(xué)的不足，也可服務(wù)于發(fā)動機性能測試任務(wù)。該實驗平臺提供了一個真實的仿真環(huán)境，能夠有效提高學(xué)生理論與實踐相結(jié)合的能力。通過該平臺的使用，學(xué)生可充分了解壓氣機壓力硬件在環(huán)仿真實驗的原理、過程和技術(shù)，并在實驗中掌握相關(guān)的數(shù)據(jù)采集、分析和處理方法。該平臺采用了FPGA 技術(shù)，具有高度的可編程性和靈活性，能滿足不同實驗的需求，幫助學(xué)生更好地掌握航空發(fā)動機測試與故障檢測的知識。該平臺設(shè)計的人機交互界面簡潔易懂，操作方便，能幫助學(xué)生快速上手，對于激發(fā)航空發(fā)動機、機械工程等相關(guān)專業(yè)學(xué)生的科研興趣，擴大與豐富學(xué)術(shù)視野具有重要意義。