中圖分類號(hào)：TK421 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2025）08-0057-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.08.010

Abstract： [Purposes] Based on the inlet pressure demand of a fuel system，a new adaptive fuel supply technology for fuel systemisproposed.[Methods] In this technology，PID control algorithm is used to control and change the speed of booster pump in the change offuel flow and overload.A simplified simulation model of fuel supply system is established by using system modeling and simulation software（AMEsim）.The inlet fuel pressure of this type of fuel system is used as the control input，and the dynamic simulation analysis of fuel flow and overload is carried out.[Findings] The research results show that this technology can realize the fuel system to automatically control the fuel pump supply pressure according to the fuel inlet pressure demand in real time，verifying the feasibilityof the oil supply technology.[Conclusions] This technology can effectively solve the long vertical distance between the fuel pump outlet in the fuel tank and the fuel inlet ofa certain type offuel system，cause the change range of the oil supply pressure of the conventional fuel booster pump beyond the allowable change range of the pressure at the fuel inlet of the fuel system.

Keywords： adaptive pressure oil supply; intelligent pump; AMEsim; dynamic simulation

0 引言

燃油系統(tǒng)主要在各種工作條件下向發(fā)動(dòng)機(jī)可靠供油，在所要求的工作包線內(nèi)不應(yīng)限制燃油系統(tǒng)的性能或給燃油系統(tǒng)的工作帶來(lái)不利影響[。燃油系統(tǒng)燃油入口壓力受到大氣壓力、燃油溫度、燃油流量、過(guò)載、油位和姿態(tài)等影響，當(dāng)增壓泵恒轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)不能滿足燃油入口壓力工作要求時(shí)，需要采取措施以實(shí)現(xiàn)入口壓力可控，滿足該型號(hào)燃油系統(tǒng)的入口壓力要求[2]。

針對(duì)某型號(hào)燃油系統(tǒng)人口壓力要求的可控性，現(xiàn)階段從4方面進(jìn)行調(diào)節(jié)控制： ① 提升傳感器精度。為了更精準(zhǔn)地感知影響燃油入口壓力的各種因素，如大氣壓力、燃油溫度等，航空領(lǐng)域不斷投入研發(fā)，新型高精度傳感器不斷涌現(xiàn)。這些傳感器能夠在極端的航空環(huán)境條件下穩(wěn)定工作，實(shí)時(shí)、精確地采集數(shù)據(jù)，為后續(xù)的控制決策提供可靠依據(jù)。 ② 優(yōu)化PID控制算法。隨著對(duì)航空燃油系統(tǒng)性能要求的提高，PID控制算法本身也在不斷優(yōu)化。研究人員通過(guò)引入自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整機(jī)制，使PID控制器能夠根據(jù)不同的飛行工況自動(dòng)調(diào)整比例、積分、微分系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)更高效、更穩(wěn)定的控制。 ③ 革新增壓泵技術(shù)。新型材料的應(yīng)用使增壓泵的結(jié)構(gòu)更加緊湊、重量更輕，同時(shí)提高了其耐用性和可靠性。此外，電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的改進(jìn)使增壓泵能夠更快速、平穩(wěn)地調(diào)整轉(zhuǎn)速，滿足燃油入口壓力的動(dòng)態(tài)變化需求。一些先進(jìn)的增壓泵還具備故障診斷和容錯(cuò)能力，在一些部件出現(xiàn)故障時(shí)仍能保證一定的供油能力，提高了整個(gè)燃油系統(tǒng)的安全性。④ 發(fā)展系統(tǒng)集成與測(cè)試技術(shù)。航空燃油系統(tǒng)的研制越來(lái)越注重整體集成和綜合測(cè)試。通過(guò)建立高度逼真的模擬測(cè)試環(huán)境，可以對(duì)燃油系統(tǒng)在各種復(fù)雜工作條件下進(jìn)行全面測(cè)試。例如，在地面模擬不同海拔高度、氣溫、飛行姿態(tài)等條件，驗(yàn)證燃油系統(tǒng)的性能和可靠性。同時(shí)，通過(guò)大量的飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)反饋，不斷優(yōu)化燃油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制策略，確保其在實(shí)際飛行中能夠穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。但周期迭代較長(zhǎng)，無(wú)法滿足高效設(shè)計(jì)理念。

本研究針對(duì)某型號(hào)燃油系統(tǒng)流量和過(guò)載等的變化，以燃油人口壓力作為控制輸人，采用PID控制改變?cè)鰤罕棉D(zhuǎn)速的方案，通過(guò)系統(tǒng)仿真驗(yàn)證得出，燃油壓力可滿足該型號(hào)燃油系統(tǒng)入口壓力要求。

1自適應(yīng)壓力供油技術(shù)方案

1.1 系統(tǒng)組成及原理

供油系統(tǒng)主要由增壓泵、控制器、單向閥、燃油切斷閥、燃油壓力傳感器、供油管路、燃油濾等設(shè)備組成。

供油系統(tǒng)采用增壓供油方式。在整個(gè)飛行剖面內(nèi)及應(yīng)急供電情況下，每組供油箱內(nèi)的兩臺(tái)增壓泵同時(shí)工作，向燃油系統(tǒng)增壓供油。這樣在一臺(tái)增壓泵出現(xiàn)故障的情況下，另一臺(tái)增壓泵也能滿足在全包線內(nèi)向燃油系統(tǒng)增壓供油的需求。增壓泵出口設(shè)置單向活門，可防止當(dāng)一臺(tái)增壓泵失效，增壓燃油通過(guò)失效的增壓泵流回油箱。控制器聯(lián)合工作實(shí)現(xiàn)增壓泵分檔控制功能。在緊急情況下，通過(guò)操作燃油切斷閥可切斷向燃油系統(tǒng)供油。供油管路設(shè)置燃油濾，其具有阻塞警示和旁通功能，當(dāng)燃油濾進(jìn)、出口壓差大于 4 0 k P a 時(shí)，旁通活門將打開。供油系統(tǒng)原理如圖1所示。

1.2 技術(shù)方案

燃油系統(tǒng)從關(guān)閉狀態(tài)通電后，智能泵運(yùn)用加電BIT（全稱為Built-inTest，是一種集成在復(fù)雜系統(tǒng)中的自動(dòng)化自檢機(jī)制），檢測(cè)控制器芯片狀態(tài)、電源狀態(tài)等基本指標(biāo)，確?？刂破髂苷９ぷ?。加電BIT通過(guò)后控制器進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，此刻傳感器處于工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)采集燃油系統(tǒng)入口壓力值并發(fā)送給控制器；當(dāng)系統(tǒng)接收到工作指令后，上位機(jī)將工作指令、當(dāng)前飛行高度通過(guò)RS422（采用4線、全雙工、差分傳輸、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議）通信接口發(fā)送給增壓泵電機(jī)控制器，控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)帶動(dòng)油泵輸出一定流量和壓力的燃油，供給燃油系統(tǒng)[3]。增壓泵電機(jī)每一次從靜止開始啟動(dòng)，均以默認(rèn)檔位一檔運(yùn)行，運(yùn)行至目標(biāo)轉(zhuǎn)速后，再根據(jù)當(dāng)前飛行高度、燃油系統(tǒng)入口壓力進(jìn)行綜合判斷，自動(dòng)進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)（基于分檔控制邏輯），保證燃油系統(tǒng)入口壓力在表1所示的范圍內(nèi)。

飛機(jī)在飛行過(guò)程中，增壓泵電機(jī)控制器進(jìn)行周期BIT，一方面，周期性采集壓力傳感器數(shù)據(jù)、上位機(jī)通信數(shù)據(jù)等，用于系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制；另一方面，周期性采集電機(jī)母線電壓、電機(jī)相電流、控制器溫度等數(shù)據(jù)，用于故障研判及出現(xiàn)故障后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)?？刂破髅? 采集一次數(shù)據(jù)，采集10組后進(jìn)行滑動(dòng)濾波， 即可完成采集，以保證響應(yīng)速度與精度。壓力反饋-軟件控制方案如圖2所示。

1.3基于PID控制的智能泵轉(zhuǎn)速控制方法

該控制器控制算法的核心在于通過(guò)對(duì)壓力傳感器采集的壓力信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析，當(dāng)壓力超出或低于預(yù)定范圍時(shí)，通過(guò)控制泵轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)壓力的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)[4]。控制器主要包括濾波電路、電源電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、功率電路、信號(hào)采集等，各電路間的基本關(guān)系如圖3所示。

1.3.1增壓泵分檔控制邏輯?？刂破髟O(shè)置4個(gè)檔位：一檔 （ 9 1 0 0 r / m i n ）、二檔（ 1 0 0 0 0 r / m i n ）、三檔（ ）、四檔（ 。增壓泵電機(jī)每一次從靜止開始啟動(dòng)，均以默認(rèn)檔位一檔C 9 1 0 0 r / m i n 為運(yùn)行目標(biāo)，運(yùn)行至目標(biāo)轉(zhuǎn)速后，需要運(yùn)用分檔控制邏輯進(jìn)行調(diào)速，分檔控制邏輯可細(xì)化為升檔與降檔兩種工作場(chǎng)景。基于分檔的控制策略，每一個(gè)檔位增壓泵均能夠?qū)崿F(xiàn)一定范圍的增壓，滿足一般工況下入口壓力平穩(wěn)的需求，不會(huì)頻繁調(diào)速引起人為控制的波動(dòng)。在飛機(jī)快速機(jī)動(dòng)工況下，能夠以最大升率迅速調(diào)節(jié)至下一檔位，實(shí)現(xiàn)極限過(guò)載下的快速響應(yīng)，保證燃油系統(tǒng)的供油。

1.3.2增壓泵快速啟動(dòng)與響應(yīng)。泵電機(jī)從開始啟動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行經(jīng)過(guò)4個(gè)運(yùn)行區(qū)間，依次為預(yù)定位一I/F啟動(dòng)（I/F控制根據(jù)永磁同步電機(jī)負(fù)載特性，將變頻器設(shè)置合適的電流-頻率比，使得電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與不同轉(zhuǎn)速下的負(fù)載相匹配，以達(dá)到較高的運(yùn)行效率）一狀態(tài)切換一雙閉環(huán)矢量控制。當(dāng)泵電機(jī)在中高速運(yùn)行時(shí)，控制器采用滑膜觀測(cè)器來(lái)估算轉(zhuǎn)子角度和速度，實(shí)現(xiàn)電流內(nèi)環(huán)、轉(zhuǎn)速外環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，增強(qiáng)泵電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高系統(tǒng)的控制精度和運(yùn)行效率，其運(yùn)行區(qū)間如圖4所示。

為保證增壓泵的快速啟動(dòng)與響應(yīng)， 5 0 m s 完成預(yù)定位， 完成開環(huán)加速，隨后切換至閉環(huán)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn) 內(nèi)完成增壓泵的啟動(dòng)。在泵電機(jī)運(yùn)行區(qū)間各階段共采用3種控制措施，不同控制措施的工作原理分析如下。

① I/F流頻比啟動(dòng)控制。傳統(tǒng)的無(wú)位置傳感器矢量控制系統(tǒng)，在啟動(dòng)階段利用V/F法（Voltage-FrequencyControl），使電機(jī)在開環(huán)狀態(tài)下轉(zhuǎn)到一定轉(zhuǎn)速后，再切換至無(wú)位置控制閉環(huán)狀態(tài)；采用V/F法的永磁同步電機(jī)系統(tǒng)工作在電流開環(huán)的狀態(tài)，若控制不當(dāng)，極易造成永磁同步電機(jī)（PMSM）過(guò)流故障，影響系統(tǒng)正常工作。I/F流頻比啟動(dòng)控制的思想是 d q 坐標(biāo)軸， d q 坐標(biāo)系是電機(jī)控制與分析中廣泛應(yīng)用的同步旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)系，由正交的 d 軸-直軸與 q 軸-交軸-構(gòu)成，其中 d 軸始終與電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體的N極方向?qū)R， q 軸在空間上超前 d 軸 ○該坐標(biāo)系以轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速同步旋轉(zhuǎn)，使得定子電流、電壓等電氣量在該坐標(biāo)系下呈現(xiàn)直流量。通過(guò)

Clarke變換將三相靜止坐標(biāo)系 A B C 轉(zhuǎn)換為兩相靜止坐標(biāo)系αβ，再經(jīng)Park變換映射到同步旋轉(zhuǎn)的 d q 坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)物理量的動(dòng)態(tài)解耦表達(dá)，通過(guò)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)對(duì)三相電機(jī)變量的高效解耦控制。其核心在于將時(shí)變交流量轉(zhuǎn)換為直流量處理，并結(jié)合轉(zhuǎn)子位置動(dòng)態(tài)調(diào)整參考系，顯著提升系統(tǒng)控制精度與響應(yīng)速度。通過(guò)給定 d q 坐標(biāo)軸下的電流值來(lái)間接給定αβ坐標(biāo)軸下的兩相電壓，設(shè)置給定轉(zhuǎn)子角的頻率，直接決定電機(jī)定子繞組中的電流矢量旋轉(zhuǎn)速率。I/F流頻比啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是，電機(jī)處在電流閉環(huán)狀態(tài)，當(dāng)經(jīng)過(guò)電流傳感器反饋回來(lái)的電流經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換到dq坐標(biāo)系后，受到設(shè)定安全電流值的限制，從而有效避免了PMSM過(guò)流故障的發(fā)生，使啟動(dòng)過(guò)程安全有效。

② PMSM的矢量控制。矢量控制又稱為磁場(chǎng)定向控制，是目前應(yīng)用最為廣泛且有效的交流電機(jī)控制技術(shù)。矢量控制的核心控制思想是根據(jù)坐標(biāo)變換前后基波合成磁動(dòng)勢(shì)等效原則，將永磁同步電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系的電壓、電流和磁鏈變換到以轉(zhuǎn)子磁鏈定向的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)物理量幅值和相位的解耦控制，其有利于設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器，以實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的高性能調(diào)速。其中， 控制是目前PMSM矢量控制中應(yīng)用最多的方法，該方法可以實(shí)現(xiàn)定子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈的解耦，轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定性好，可以獲得較寬的調(diào)速范圍，具體如圖5所示。

③ 滑膜觀測(cè)器。滑膜控制具有不連續(xù)性，是一種特殊的非線性控制系統(tǒng)。此控制策略和其他控制相比，系統(tǒng)不固定，會(huì)隨著系統(tǒng)狀態(tài)的變化而變化，即需要設(shè)計(jì)“滑動(dòng)模態(tài)”的狀態(tài)軌跡與運(yùn)行軌跡相重合（變結(jié)構(gòu)控制）。該控制方法具有響應(yīng)速度快，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化及擾動(dòng)不靈敏的優(yōu)點(diǎn)。本方案中，使用滑膜觀測(cè)器估計(jì)轉(zhuǎn)子的角度信息，具體如圖6所示。

2自適應(yīng)供油子系統(tǒng)仿真計(jì)算

2.1仿真計(jì)算場(chǎng)景及仿真建模

本研究根據(jù)供油管路基本架構(gòu)及燃油系統(tǒng)的使用場(chǎng)景及供油場(chǎng)景進(jìn)行分析。供油系統(tǒng)整體模型如圖7所示。

為了實(shí)現(xiàn)在一個(gè)模型中模擬仿真多種工況，在AMEsim中增加儀表盤，實(shí)現(xiàn)各種不同工況的組合和切換，單供油系統(tǒng)控制及結(jié)果顯示界面如圖8所示。通過(guò)界面中供油系統(tǒng)狀態(tài)控制框內(nèi)按鈕實(shí)現(xiàn)雙泵供單發(fā)、雙泵供雙發(fā)、單泵供單發(fā)等模式，并選擇不同模式下的不同任務(wù)剖面。

在仿真模型中，為使燃油系統(tǒng)入口壓力范圍達(dá)到要求，就需要增壓泵具有檔位切換功能[5]。在AMEsim仿真軟件中通過(guò)設(shè)置狀態(tài)機(jī)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)增壓泵轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)檔位切換功能，仿真過(guò)程中以飛機(jī)飛行高度和燃油系統(tǒng)入口壓力共同作為輸入、輸出泵轉(zhuǎn)速，如圖9所示。

2.2 仿真結(jié)果及分析

結(jié)果表明，在典型剖面、地面小流量和極限過(guò)載的工況下，增壓泵供油壓力均可滿足入口壓力要求，但最低壓力整體或部分工況下余量較小，典型剖面工況下仿真結(jié)果見表2。

由表2可知， 7 0 0 0 m 海拔高度， 過(guò)載條件下壓力最小，為 - 3 0 0 m 海拔高度， - 0 . 5 g 過(guò)載條件下壓力最大，為 。該結(jié)果滿足 的高度范圍內(nèi)，不低于 1 3 7 . 7 k P a A 的絕對(duì)壓力，以及 的高度范圍內(nèi)，不低于 8 8 . 2 6 k P a A 的絕對(duì)壓力使用需求。

3結(jié)論

本研究提出了一種新型燃油系統(tǒng)自適應(yīng)壓力供油技術(shù)，該技術(shù)在燃油流量和過(guò)載等變化中，采用PID控制改變?cè)鰤罕棉D(zhuǎn)速，利用AMEsim構(gòu)建了典型供油系統(tǒng)模型，對(duì)典型供油剖面進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真分析，驗(yàn)證了該技術(shù)的有效性。結(jié)果表明，在整個(gè)過(guò)載和流量變化過(guò)程中，將燃油系統(tǒng)入口壓力作為輸人量，采用PID控制泵的轉(zhuǎn)速變化，使管路系統(tǒng)內(nèi)的壓力及流量快速響應(yīng)，燃油系統(tǒng)入口壓力范圍可以自適應(yīng)調(diào)節(jié)至該燃油系統(tǒng)的使用要求范圍，經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證，能夠滿足該型號(hào)燃油系統(tǒng)入口壓力的要求。研究結(jié)果為供油系統(tǒng)的大過(guò)載下燃油系統(tǒng)入口壓力控制提供了一種有效的解決措施。

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（欄目編輯：孫艷梅）