一種新型變壓差燃油計(jì)量裝置實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

符江鋒，李華聰，肖紅亮，徐 軒

（1.西北工業(yè)大學(xué) 動(dòng)力與能源學(xué)院，西安 710072；2.中國(guó)航發(fā)西安動(dòng)力控制科技有限公司，西安 710003）

0 引言

燃油計(jì)量裝置是航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)控制系統(tǒng)中的重要組成部分，其功能是對(duì)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油流量進(jìn)行精確計(jì)量，并根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的不同工作狀態(tài)（包括起動(dòng)、加速、減速、穩(wěn)態(tài)等）調(diào)節(jié)供給發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的燃油流量，供發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生推力[1,2]。

根據(jù)流量調(diào)節(jié)方式的不同，燃油計(jì)量裝置分為定壓差調(diào)節(jié)式、定壓調(diào)節(jié)式和泵直接調(diào)節(jié)式等[3]。其中定壓差調(diào)節(jié)方式在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用最為廣泛。但這種控制方式存在的以下缺點(diǎn)，一是在發(fā)動(dòng)機(jī)小流量需求條件下由于計(jì)量活門位移調(diào)節(jié)范圍小導(dǎo)致的流量控制精度低；二是在大流量需求下因計(jì)量活門需調(diào)節(jié)的位移范圍大而導(dǎo)致響應(yīng)速度慢，此外，采用較大的計(jì)量活門位移意味著燃油計(jì)量裝置結(jié)構(gòu)尺寸的增加，造成燃油計(jì)量裝置體積和重量增大。因此定壓差燃油計(jì)量裝置難以在大流量和小流量需求差異極大的情況下實(shí)現(xiàn)控制精度和較好的響應(yīng)速度的折中[4]，無法滿足和適應(yīng)現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)高性能、高精度控制和更多參數(shù)變量的控制需要。變壓差燃油計(jì)量裝置通過進(jìn)行燃油流通面積和計(jì)量活門前后壓差的雙變量控制方式來實(shí)現(xiàn)燃油流量的計(jì)量，因此能夠在保證大、小燃油流量需求的狀況下，實(shí)現(xiàn)計(jì)量精度與燃油流量變化的快速性雙重要求。

發(fā)動(dòng)機(jī)燃油計(jì)量裝置是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)械液壓?jiǎn)卧瑢?duì)象內(nèi)部的特性變化復(fù)雜，因此在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油計(jì)量裝置的研究中，采用實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行燃油計(jì)量裝置實(shí)物驗(yàn)證是必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[5～7]。而目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)變壓差燃油計(jì)量裝置的數(shù)值仿真研究，以及燃油計(jì)量裝置的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)法均未開展相關(guān)研究。為了系統(tǒng)性的研究新型變壓差計(jì)量裝置的動(dòng)靜態(tài)特性，本文給出了一種變壓差燃油計(jì)量裝置的實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方法，通過合理的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)量活門前后壓差和燃油流通截面開度的雙回路閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)所需燃油流量的供給，從而為滿足未來先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃油計(jì)量裝置調(diào)節(jié)精度高、流量范圍大、響應(yīng)速度快的需求提供有力保障。

1 變壓差計(jì)量裝置工作特性

1.1 工作原理

變壓差燃油計(jì)量裝置采用“回油活門+計(jì)量活門”的變壓差計(jì)量結(jié)構(gòu)，如圖1所示。通過同時(shí)控制計(jì)量活門前后壓差和開口面積實(shí)現(xiàn)計(jì)量裝置在大范圍下的高精度控制。其中，計(jì)量活門主要負(fù)責(zé)向燃燒室提供所需的燃油流量，其功能同傳統(tǒng)燃油計(jì)量裝置的計(jì)量活門組件功能相同。回油活門負(fù)責(zé)調(diào)整計(jì)量活門前的燃油流量到低壓腔的回油通道，進(jìn)而改變計(jì)量活門前后壓力差。

圖1 變壓差燃油計(jì)量裝置工作原理

變壓差燃油計(jì)量裝置工作時(shí)，回油活門由電液伺服閥接收電子控制裝置ECU的控制信號(hào)來驅(qū)動(dòng)閥芯位移，改變回油活門開度，通過調(diào)節(jié)回油量使計(jì)量活門的前后壓差穩(wěn)定到一個(gè)平衡值。在計(jì)量活門前后壓差穩(wěn)定的情況下，一個(gè)計(jì)量活門開度對(duì)應(yīng)一個(gè)確定燃油流量值。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件或工作狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，例如飛行高度升高，導(dǎo)致進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量減小，需油量減小，而供油量圍邊，故發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，于是齒輪泵供油量也相應(yīng)增加。對(duì)于此刻電子控制裝置ECU輸出的新的減小的需油量信號(hào)，回油活門開口將增大到一個(gè)新的平衡位置，回油量相應(yīng)增大，使計(jì)量活門前后壓差穩(wěn)定在新的數(shù)值；同時(shí)計(jì)量活門開口位置進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，配合新的壓差得到新的平衡位置，使供油量減小，達(dá)到需要的流量值。

1.2 變壓差計(jì)量裝置控制過程

電子控制裝置ECU感受發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度、壓氣機(jī)出口壓力和轉(zhuǎn)速等工作狀態(tài)，得到計(jì)量活門的期望位置信號(hào)和期望壓差信號(hào)，最終形成兩個(gè)閉環(huán)控制回路如圖2所示。與計(jì)量活門相連的LVDT位移傳感器將計(jì)量活門當(dāng)前位置信號(hào)反饋到電子控制裝置ECU，與計(jì)量裝置期望位置信號(hào)相比較得到電液伺服閥1對(duì)計(jì)量活門開度的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)計(jì)量活門位置的閉環(huán)控制。安裝在計(jì)量活門前后油路的壓力傳感器將計(jì)量活門當(dāng)前前后壓力信號(hào)反饋到電子控制裝置ECU與期望壓差信號(hào)相比較，得到電液伺服閥2對(duì)回油活門開度的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)回油活門位置的閉環(huán)控制。在兩個(gè)閉環(huán)控制回路的共同工作下，對(duì)計(jì)量活門前后壓差和閥芯位移的精確控制，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)不同狀態(tài)所需的燃油流量供給。

1.3 壓差和過流面積雙變量控制規(guī)律

對(duì)于變壓差燃油計(jì)量裝置，相應(yīng)的燃油流量控制由計(jì)量活門前后壓差和計(jì)量活門流通面積的雙變量控制規(guī)律來實(shí)現(xiàn)。而控制規(guī)律決定了這兩個(gè)控制變量與期望燃油流量之間的關(guān)系，并決定了系統(tǒng)的控制形式。計(jì)量活門前后壓差和計(jì)量活門流通面積的雙變量控制規(guī)律如圖3所示。

圖2 變壓差燃油計(jì)量裝置控制框圖

2 變壓差計(jì)量裝置實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 變壓差計(jì)量裝置實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體方案

基于上述工作原理及控制規(guī)律及控制過程，給出變壓差計(jì)量裝置實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基本工作架構(gòu)如圖4所示，電子控制器具有變壓差計(jì)量裝置的溫度、壓力、位移等參數(shù)采集功能；通過控制電液伺服閥，實(shí)現(xiàn)變壓差計(jì)量裝置的流量開環(huán)、閉環(huán)控制的功能；同時(shí)具對(duì)試驗(yàn)器的測(cè)控功能、與上位機(jī)通訊功能。

圖4 變壓差計(jì)量裝置試驗(yàn)平臺(tái)基本架構(gòu)

2.2 變壓差計(jì)量裝置實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)方案

考慮到環(huán)境要求、電磁干擾、電源等特殊要求，變壓差計(jì)量裝置的電子控制器硬件總體方案采用PXI系統(tǒng)[8,9]為核心搭建控制器硬件平臺(tái)，主要由上位機(jī)、電子控制器、信號(hào)調(diào)理箱、輸入/輸出卡、顯示器等組成。電子控制器硬件總體方案如圖5所示，硬件平臺(tái)主要包括了信號(hào)調(diào)理箱、數(shù)字量I/O模塊、周期/頻率測(cè)量模塊、PWM輸出模塊，以及為擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)器傳感器信號(hào)采集與控制而增加的A/D采集模塊通道數(shù)、D/A輸出模塊通道。

圖5 變壓差計(jì)量裝置的硬件設(shè)計(jì)方案

2.3 變壓差計(jì)量裝置實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)方案

變壓差計(jì)量裝置實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件功能包括系統(tǒng)管理、參數(shù)設(shè)置、傳感器校驗(yàn)和數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理、產(chǎn)品控制5個(gè)部分?？蓪?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、產(chǎn)品和試驗(yàn)器控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析、數(shù)據(jù)回放、硬件設(shè)備管理、設(shè)置以及硬件驅(qū)動(dòng)開發(fā)任務(wù)。軟件模塊如圖6所示，軟件在Windows操作系統(tǒng)下采用符合VPP規(guī)范的Labwindows/CVI虛擬儀器集成開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)[10,11]。軟件兼容Windows XP、Windows7操作系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件功能包括系統(tǒng)管理、參數(shù)設(shè)置、傳感器校驗(yàn)和數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理4個(gè)部分?？蓪?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析、數(shù)據(jù)回放、硬件設(shè)備管理、設(shè)置以及硬件驅(qū)動(dòng)開發(fā)任務(wù)。數(shù)據(jù)采集軟件采用通用的軟件平臺(tái)，變壓差計(jì)量裝置有關(guān)的全部參數(shù)在上位機(jī)界面上可按重要性與功能進(jìn)行多界面顯示，參數(shù)顯示形式按要求或以數(shù)字、或以模擬指針、或以曲線方式等多種形式顯示。試驗(yàn)過程中測(cè)量參數(shù)顯示的間隔為100ms。試驗(yàn)數(shù)據(jù)以txt格式記錄并保存并具備數(shù)據(jù)回放與備份功能。

圖6 變壓差計(jì)量裝置實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)

2.4 數(shù)據(jù)采集處理

測(cè)試PXI數(shù)據(jù)采集卡和使用NI驅(qū)動(dòng)編程[12]，需安裝Device Manager和32bitDLL驅(qū)動(dòng)，將數(shù)據(jù)采集卡插入工控機(jī)內(nèi)的PCI插槽中，數(shù)據(jù)采集程序流程如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)數(shù)據(jù)采集程序流程圖

圖7中，右側(cè)為數(shù)據(jù)濾波和數(shù)據(jù)工程轉(zhuǎn)換，左側(cè)部分為采集程序：程序開始，調(diào)用DRV_DeviceOpen函數(shù)指定設(shè)備號(hào)來打開已經(jīng)安裝的采集卡設(shè)備，同時(shí)返回設(shè)備句柄以備后續(xù)操作；接著調(diào)用DRV_MAIConfig函數(shù)來在返回的設(shè)備句柄指向的設(shè)備上，指定AI通道并為其設(shè)置相應(yīng)的GainCode來配置電壓輸入范圍；配置采樣參數(shù)結(jié)構(gòu)體lpMAIVoltageIn：設(shè)置采樣觸發(fā)方式為軟件觸發(fā)，指定AI通道并選擇GainArray按順序排列用來將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓值，將采樣電壓值按順序排列返回到指定的VoltageArray數(shù)組中；打開采樣定時(shí)器（預(yù)先設(shè)定定時(shí)器interval為20ms），調(diào)用執(zhí)行DRV_MAIVoltageIn函數(shù)執(zhí)行采樣。

3 變壓差計(jì)量裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在分析變壓差計(jì)量裝置的時(shí)域特性時(shí)，給定階躍信號(hào)，分析變壓差計(jì)量裝置中計(jì)量活門位移，計(jì)量前燃油壓力、計(jì)量后燃油壓力、計(jì)量活門前后壓差的動(dòng)態(tài)特性結(jié)果。在小階躍輸入條件的試驗(yàn)過程中，外部指令每次給定電液伺服閥位置總行程的10%期望由最小行程逐漸仿真至最大行程，然后由最大行程按10%總行程運(yùn)動(dòng)至最小行程。在大階躍輸入條件的試驗(yàn)過程中，外部指令給定最小行程至最大行程的階躍信號(hào)，變壓差計(jì)量裝置計(jì)量活門位移穩(wěn)定后再給定最大行程至最小行程的階躍信號(hào)。記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差等參數(shù)。

圖8 變壓差計(jì)量裝置階躍試驗(yàn)結(jié)果

圖8是在階躍試驗(yàn)條件下，主燃油計(jì)量活門位移，計(jì)量前燃油壓力、計(jì)量后燃油壓力、計(jì)量活門前后壓差的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖中LVDT1_LN表示計(jì)量活門位移，P1表示計(jì)量活門前燃油壓力，P2表示計(jì)量活門后燃油壓力。DeltP表示計(jì)量活門前后壓差。可以看出，變壓差計(jì)量裝置各個(gè)控制參數(shù)在小階躍輸入條件下，上升時(shí)間小于0.5秒，調(diào)節(jié)時(shí)間小于0.6秒，超調(diào)量為0，穩(wěn)態(tài)誤差小于0.2%；在大階躍的條件下，調(diào)節(jié)時(shí)間小于2秒，超調(diào)量為0，穩(wěn)態(tài)誤差小于1%，表明系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。

分析變壓差計(jì)量裝置的頻域特性，其頻率特性測(cè)試信號(hào)采用正弦掃描信號(hào)。正弦掃描信號(hào)是正弦逐點(diǎn)掃描法的激勵(lì)信號(hào)，掃描信號(hào)的幅值不變，頻率隨時(shí)間的增加而逐漸增大或減小。掃描信號(hào)的掃描方式有線性和對(duì)數(shù)式。通過輸入單一頻率的等幅值正弦信號(hào)作為被測(cè)系統(tǒng)的激勵(lì)信號(hào)，并對(duì)輸入/輸出信號(hào)進(jìn)行采樣，然后根據(jù)互相關(guān)原理求出被測(cè)系統(tǒng)對(duì)該頻率信號(hào)的響應(yīng)特性。

圖9 變壓差計(jì)量裝置頻域特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方法，得到計(jì)量活門位移的頻率特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。計(jì)量活門頻域特性仿真結(jié)果可以看出，截止頻率為6Hz，截止頻率處的相角裕度為100度，幅頻特性在低頻段接近0dB，表明系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

4 結(jié)論

本文基于PXI硬件架構(gòu)和模塊化的軟件設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了設(shè)計(jì)了一種具有時(shí)域特性及頻率特性的分析功能的變壓差計(jì)量裝置實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過實(shí)驗(yàn)分析表明，在時(shí)域特性測(cè)試條件下，變壓差計(jì)量裝置在小階躍和大階躍輸入條件下，超調(diào)量均為0，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間最大不超過2秒，穩(wěn)態(tài)誤差小于1%。在頻域特性測(cè)試條件下，截止頻率為6Hz，截止頻率處的相角裕度為100°，幅頻特性在低頻段接近0dB，表明變壓差計(jì)量裝置對(duì)象是穩(wěn)定的，具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。以上研究表明，所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)變壓差計(jì)量裝置的時(shí)頻域特性分析，以及裝置數(shù)據(jù)的采集、試驗(yàn)器的控制、產(chǎn)品的開環(huán)/閉環(huán)控制等功能，并在變壓差計(jì)量裝置的壓差和計(jì)量活門雙變量控制方面具有高的控制精度，在滿足未來先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃油計(jì)量裝置調(diào)節(jié)精度高、流量范圍大、響應(yīng)速度快的需求方面具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。