渦輪動力裝置閉環(huán)仿真試驗器的設(shè)計與應(yīng)用

江 群，王道波，李 猛

(南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 210016)

1 引言

多能源組合渦輪動力裝置是先進(jìn)飛機(jī)上的重要機(jī)載設(shè)備，可以為飛機(jī)提供備份的電源和液壓源，即當(dāng)飛機(jī)主電源和液壓源失效或主動力失效的情況下及時向飛機(jī)提供備份電源和液壓源，以保證飛機(jī)正常飛行[1，2]。電子控制器用于實現(xiàn)這種渦輪動力裝置的起動、加速、恒速、故障識別和回路切換的控制，是該動力裝置的重要部件。為了保證電子控制器的正常工作，在其投入正常工作之前，需對其進(jìn)行整機(jī)檢測，但渦輪動力裝置臺架試驗的成本費(fèi)用昂貴且具有一定的危險性。針對這一問題，本文提出了一種采用電子仿真試驗器替代真實渦輪動力裝置來檢測電子控制器的控制邏輯和控制規(guī)律的方法，將電子仿真試驗器與電子控制器構(gòu)成閉環(huán)控制回路，從而實現(xiàn)對渦輪動力裝置閉環(huán)運(yùn)行過程的模擬。該裝置能夠向電子控制器提供模擬的傳感器接口和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的負(fù)載特性，模擬渦輪動力裝置在各種工作狀態(tài)下的特性，接受各種指令信號并給出相應(yīng)的響應(yīng)信號，而且具備工作狀態(tài)實時顯示和試驗數(shù)據(jù)采集的功能，能夠?qū)﹄娮涌刂破鞴ぷ鞯臏?zhǔn)確性及有效性進(jìn)行檢測。

本文在介紹渦輪動力裝置工作原理的基礎(chǔ)上，提出了電子仿真試驗器的設(shè)計原理和實現(xiàn)方法，最后將該試驗器用于某型渦輪動力裝置的閉環(huán)控制并對其仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

2 渦輪動力裝置

多能源組合渦輪動力裝置是一種采用增壓空氣和化學(xué)燃料雙能源的動力裝置，其系統(tǒng)原理如圖1所示，主要由燃料箱、燃料控制閥、空氣控制閥、燃?xì)獍l(fā)生器、動力渦輪、電子控制器和負(fù)載等組成。其中空氣控制閥和燃料控制閥分別控制進(jìn)入動力渦輪的能量；燃?xì)獍l(fā)生器是將化學(xué)燃料燃燒產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)馀c增壓空氣分別進(jìn)入渦輪動力裝置的渦輪導(dǎo)向器前，帶動渦輪動力裝置轉(zhuǎn)動，進(jìn)而通過輸出軸帶動負(fù)載工作；電子控制器根據(jù)安裝在軸系上的轉(zhuǎn)速傳感器反饋的信號，調(diào)節(jié)空氣控制閥和燃料控制閥的開度，從而實現(xiàn)渦輪轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制[3]。

圖1 渦輪動力裝置系統(tǒng)原理圖Fig.1 Turbine power unit system diagram

為提高渦輪動力裝置的可靠性，該動力裝置采用雙余度三回路的控制方案，即在增壓空氣充足情況下優(yōu)先使用增壓空氣運(yùn)轉(zhuǎn)渦輪裝置。當(dāng)飛機(jī)高度增高后增壓空氣不足或主發(fā)動機(jī)故障時，可混合或單獨(dú)使用化學(xué)燃料產(chǎn)生燃?xì)鈦眚?qū)動渦輪運(yùn)轉(zhuǎn)，以獲得飛機(jī)所需的液壓源和電源。其控制回路結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示，控制系統(tǒng)包括一個空氣控制回路和兩個化學(xué)燃料控制回路。每個回路均為單參數(shù)反饋控制，電子控制器按照每路被控對象參數(shù)相對于給定值的偏差產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成對被控對象的控制，使被控參數(shù)不超出給定的誤差范圍。

3 電子仿真原理

電子仿真試驗器是一種基于模擬電路實現(xiàn)動力學(xué)特性的實時仿真電子裝置，仿真依據(jù)是渦輪動力裝置的小偏差線性數(shù)學(xué)模型。采用這種線性數(shù)學(xué)模型具有一定的仿真精度，作為對電子控制器控制邏輯和控制規(guī)律的檢測及測試是有效的。

圖2 渦輪動力裝置控制回路結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Turbine power unit control loop structure diagram

渦輪動力裝置電子仿真試驗器的仿真結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示。根據(jù)仿真原理圖，電子仿真試驗器的仿真模型主要包括空氣控制閥、碟閥、燃料控制閥、燃?xì)獍l(fā)生器、渦輪動力裝置、位置傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器模型等。空氣控制閥是一個氣動伺服閥，主要由直流力矩電機(jī)、氣動伺服機(jī)構(gòu)和蝶閥組成，其中力矩電機(jī)的靜態(tài)特性為具有滯環(huán)特性的非線性環(huán)節(jié)，但在電路實現(xiàn)時此環(huán)節(jié)可以被蝶閥的位置反饋閉環(huán)回路消除，其動態(tài)特定可以用一個慣性環(huán)節(jié)表示。氣動伺服機(jī)構(gòu)和燃?xì)獍l(fā)生器是一個復(fù)雜執(zhí)行機(jī)構(gòu)，但設(shè)計仿真試驗器時采用超前滯后環(huán)節(jié)表示其特性。兩個燃料控制閥由二位式通斷開關(guān)閥組成，由于燃料控制閥閥芯位移的響應(yīng)時間很小，其數(shù)學(xué)模型可以用比例環(huán)節(jié)描述。根據(jù)文獻(xiàn)[4]可知，動力渦輪在飛行條件給定和負(fù)載功率不變的情況下，可視為一階慣性環(huán)節(jié)并忽略其容積效應(yīng)。渦輪動力裝置的仿真數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 電子仿真試驗器原理圖Fig.3 Schematic diagram of electronic simulation tester

圖4 仿真數(shù)學(xué)模型圖Fig.4 Simulation mathematical model diagram

電子控制器輸出控制電流IBC，經(jīng)力矩馬達(dá)的模擬環(huán)節(jié)后變換成電壓信號VDP，用于控制空氣閥轉(zhuǎn)角，VDP信號經(jīng)模擬的位置傳感器測量后反饋給控制器，從而構(gòu)成小閉環(huán)位置控制回路。在化學(xué)燃料控制回路中，兩個化學(xué)燃料控制閥的控制信號VPH和VSH分別經(jīng)過仿真器模擬的一級、二級燃料控制閥進(jìn)入燃?xì)獍l(fā)生器的模擬環(huán)節(jié)，輸出化學(xué)燃料流量信號，該信號在此與空氣流量信號疊加并送到動力渦輪的模擬環(huán)節(jié)。動力渦輪所輸出轉(zhuǎn)速信號VN經(jīng)轉(zhuǎn)速傳感器的模擬電路變換后作為反饋信號送回至電子控制器，構(gòu)成整個速度閉環(huán)控制回路。仿真回路中還可以對空氣壓力調(diào)節(jié)、一級燃料控制閥和一級轉(zhuǎn)速傳感器故障進(jìn)行模擬。

4 電子仿真試驗器實現(xiàn)

電子仿真試驗器是將以上數(shù)學(xué)模型以電子電路的方式實現(xiàn)出來，設(shè)計的仿真器具有如下功能：①根據(jù)不同的啟動指令使渦輪動力裝置進(jìn)入相應(yīng)的工作狀態(tài)，對電子控制器在不同模式下的控制規(guī)律和控制邏輯進(jìn)行檢測；②模擬飛機(jī)座艙控制面板到電子控制器間的接口，檢測座艙指令和顯示信號的正確性；③對渦輪動力裝置控制品質(zhì)進(jìn)行檢測；④對故障信號進(jìn)行檢測；⑤仿真過程的曲線與數(shù)據(jù)顯示。

根據(jù)圖4中的仿真數(shù)學(xué)模型圖，采用模擬運(yùn)算放大器作為仿真運(yùn)算器件，通過信號電子變換技術(shù)將表示執(zhí)行機(jī)構(gòu)和渦輪動力裝置的模擬電壓變換成控制器的接口信號[5，6]。電子仿真試驗器的模擬電路主要包括空氣控制閥模塊、化學(xué)燃料控制閥模塊、燃?xì)獍l(fā)生器模塊、渦輪動力裝置模塊和轉(zhuǎn)速傳感器及位置傳感器模塊等。

仿真試驗器的電路原理簡化圖如圖5所示：其中試驗器的I/V模塊由運(yùn)放U1、二極管D1、D2及相關(guān)阻容元件構(gòu)成；空氣閥模塊由運(yùn)放U2及其外圍電路構(gòu)成一個超前滯后環(huán)節(jié)來模擬其特性；蝶閥模塊由運(yùn)放U3構(gòu)成的跟隨器及電位器WB模擬其特性，通過手動調(diào)節(jié)WB可以模擬蝶閥開度的大?。蝗剂峡刂崎y模塊由圖中的三極管BG1、IC1B及其周圍的電阻表示，其中兩個閥門通過與門IC1A實現(xiàn)串聯(lián)效應(yīng)；動力渦輪由運(yùn)放U10及外圍元件構(gòu)成的一階慣性環(huán)節(jié)表示；轉(zhuǎn)速傳感器的模塊是一個電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路，由圖中的U15、U16、U17A等實現(xiàn)；位置傳感器的數(shù)學(xué)模型是一個比例環(huán)節(jié)，但為了保證其輸出信號的質(zhì)量，在設(shè)計電路時加上濾波環(huán)節(jié)對其高頻干擾進(jìn)行濾波，即由圖上的U4、U5及外圍元件表示。其中電路圖上的開關(guān)SF、PVF分別用來模擬一級轉(zhuǎn)速傳感器故障和一級燃料控制閥故障。

圖5 電子仿真試驗器電路原理簡圖Fig.5 Circuit diagram of electronic simulation tester

5 測試與試驗結(jié)果

為保證電子仿真試驗器對電子控制器進(jìn)行整機(jī)檢測的有效性，本試驗采用一個標(biāo)準(zhǔn)的電子控制器與試驗器構(gòu)成閉環(huán)仿真回路進(jìn)行試驗，分別對渦輪動力裝置的空氣模式、燃料模式和空氣燃料混合模式進(jìn)行仿真。

空氣模式的仿真結(jié)果如圖6所示。從圖上可見，空氣模式起動時蝶閥位置先開到最大值，使空氣流量立即加到最大以保證系統(tǒng)在3 s內(nèi)完成起動過程，使渦輪轉(zhuǎn)速到達(dá)100%的額定值，圖中的19～21 s為起動過程。仿真試驗中還模擬了負(fù)載變化的過程，當(dāng)負(fù)載功率增大時，空氣流量逐漸增大以維持渦輪轉(zhuǎn)速。

圖6 空氣模式仿真曲線Fig.6 Simulation curves of the air mode

圖7為燃料模式的仿真結(jié)果。燃料模式起動時，一級燃料控制閥完全打開使燃油流量達(dá)到最大，使得系統(tǒng)盡快達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。圖中的7.3～10 s為起動過程。從10 s以后由一級燃料控制閥控制一級燃料回路工作，在22 s手動模擬一級轉(zhuǎn)速傳感器故障，這時一級燃料回路無法正常工作，于是控制器自動將停止一級燃料控制閥工作，切換到二級燃料回路，由二級燃料控制閥開始進(jìn)行“Bang-Bang”控制，從而保證渦輪轉(zhuǎn)速不變。

圖7 燃料模式仿真曲線Fig.7 Simulation curves of the fuel mode

圖8曲線表示仿真系統(tǒng)在自動方式起動下的一段工作過程，完成起動后系統(tǒng)先后經(jīng)歷了空氣充足、空氣不足以及完全無空氣三個階段。圖中的C段為混合模式工作，在24.5 s時刻空氣流量開始減少，一級燃料控制閥的開關(guān)頻率便增大從而維持渦輪轉(zhuǎn)速恒定。從上述三種仿真試驗結(jié)果可見，閉環(huán)仿真試驗器能很好地模擬渦輪動力裝置的起動過程和控制邏輯過程。

圖8 混合模式仿真曲線Fig.8 Simulation curve of mixed-mode

6 結(jié)論

本文設(shè)計了一種渦輪動力裝置的電子閉環(huán)仿真試驗器，該仿真試驗器可用于電子控制器的調(diào)節(jié)與測試。仿真結(jié)果表明，利用該電子閉環(huán)仿真試驗器能較好地模擬渦輪動力裝置系統(tǒng)的實際工況，其曲線走向趨勢與實際臺架試車的情況基本一致，在功能和置信度上都滿足了渦輪動力裝置電子控制器整機(jī)檢測的需要；為渦輪動力裝置電子控制器的調(diào)試和檢測提供了一種簡便、有效的途徑，且能顯著降低試驗成本和危險性。

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