大型高空臺(tái)進(jìn)排氣控制半物理仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1.中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院 高空模擬技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621703; 2.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621010)

高空模擬試車臺(tái)是測(cè)試及評(píng)估航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空工作性能的大型地面設(shè)備，承擔(dān)著航空發(fā)動(dòng)機(jī)從設(shè)計(jì)到定型中各類飛行環(huán)境條件下的試驗(yàn)任務(wù)，其技術(shù)水平直接決定航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展[1]。某高空臺(tái)為目前中國(guó)乃至亞洲最大規(guī)模高空模擬試車臺(tái)，其配套氣源能力得到大幅提升，同時(shí)設(shè)備規(guī)模更為龐大、管網(wǎng)布局更為復(fù)雜，因此在試驗(yàn)功能拓展、試驗(yàn)流程選擇、被試件兼容性等方面得到了極大提升。但系統(tǒng)管路及設(shè)備間干擾、耦合因素更為嚴(yán)重，給飛行模擬條件準(zhǔn)確建立、合理流程設(shè)計(jì)、設(shè)備性能匹配等帶來極大的挑戰(zhàn)。

作為該高空模擬試車臺(tái)核心設(shè)備，進(jìn)排氣控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口壓力、溫度以及試驗(yàn)艙環(huán)境壓力來建立發(fā)動(dòng)機(jī)在不同高度、馬赫數(shù)下的飛行條件，是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)飛行條件準(zhǔn)確模擬的關(guān)鍵系統(tǒng)。該系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)龐大且復(fù)雜、非線性特性強(qiáng)、耦合因素眾多，在新設(shè)備調(diào)試、特性摸索和控制技術(shù)升級(jí)過程中帶來較大難度，尤其在特種條件模擬試驗(yàn)科目中的難度和風(fēng)險(xiǎn)更加不可預(yù)估，具體表現(xiàn)如下：

① 部分關(guān)鍵設(shè)備特性未知。如輪盤式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)屬國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用，其特性研究和建模工作困難極大。

② 先進(jìn)控制技術(shù)開發(fā)及試驗(yàn)方法摸索，必須反復(fù)進(jìn)行供抽氣機(jī)組在線調(diào)試才能達(dá)到預(yù)定設(shè)計(jì)目標(biāo)。該方法調(diào)試內(nèi)容有限、耗費(fèi)資源龐大，且在新型動(dòng)力試驗(yàn)方法摸索中會(huì)帶來不可控風(fēng)險(xiǎn)。

半物理仿真又稱硬件在環(huán)仿真或半實(shí)物仿真，是利用仿真模型替代一部分物理實(shí)物并與其他物理實(shí)物構(gòu)成實(shí)時(shí)回路的一種系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真方法[2]。將半物理仿真技術(shù)應(yīng)用于進(jìn)排氣控制系統(tǒng)中具有以下優(yōu)勢(shì)：

① 半物理仿真技術(shù)可為系統(tǒng)技術(shù)決策提供依據(jù)。通過仿真手段可直接指導(dǎo)新型高空臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建設(shè)和調(diào)試，有效規(guī)避設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)、提高設(shè)計(jì)效率。

② 半物理仿真技術(shù)可為先進(jìn)控制技術(shù)和新型動(dòng)力試驗(yàn)方法提供高效的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證平臺(tái)。構(gòu)建系統(tǒng)仿真平臺(tái)，在其基礎(chǔ)上摸索和開發(fā)通用控制技術(shù)和試驗(yàn)技術(shù)，有效縮短研制周期，降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，提高試驗(yàn)效率。

為此，本文設(shè)計(jì)了進(jìn)排氣控制系統(tǒng)半物理仿真試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)采用仿真模型和實(shí)物部件相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，以機(jī)理分析、理論建模及系統(tǒng)辨識(shí)方法建立系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合實(shí)物設(shè)備，基于PLC平臺(tái)完成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)。最后，將仿真與真實(shí)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了系統(tǒng)建立的真實(shí)可靠性。

1 半物理仿真系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 進(jìn)排氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

進(jìn)排氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大、設(shè)備眾多、氣路管網(wǎng)復(fù)雜。其進(jìn)氣方式為多路進(jìn)氣，可搭配任意兩路實(shí)現(xiàn)雙路氣體快速摻混以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)飛行任務(wù)沿預(yù)設(shè)剖面的連續(xù)模擬需求。同時(shí)配備了進(jìn)氣、排氣輔助調(diào)節(jié)裝置、附面層抽除及高低溫起動(dòng)裝置等，因此試驗(yàn)?zāi)芰Φ玫接行嵘?。圖1給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的部分示意圖。由于該系統(tǒng)為集液壓伺服系統(tǒng)(8套)、調(diào)節(jié)閥(42臺(tái))、控制器(1套)、測(cè)量傳感器(80個(gè))、管道容腔(若干)、發(fā)動(dòng)機(jī)、氣源機(jī)組等眾多元件的大型復(fù)雜系統(tǒng)，因此采用半物理仿真手段去揭示其工作特性有著重要的工程應(yīng)用意義。

圖1 進(jìn)排氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 半物理仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

設(shè)計(jì)進(jìn)排氣半物理仿真系統(tǒng)需統(tǒng)籌規(guī)劃系統(tǒng)的實(shí)物部件和仿真模型。調(diào)節(jié)閥流量特性、管道容腔特性、供抽氣機(jī)組、被試發(fā)動(dòng)機(jī)等使用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬；控制器、上/下位機(jī)、調(diào)節(jié)閥、液壓伺服系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信等為真實(shí)的物理設(shè)備。整個(gè)系統(tǒng)通過PLC統(tǒng)籌調(diào)度，完成模型的實(shí)時(shí)解算模型并通過控制器驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高空模擬試驗(yàn)的虛擬仿真，結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 半物理仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

1.3 半物理仿真系統(tǒng)工作原理

進(jìn)排氣半物理仿真系統(tǒng)具備模型解算、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、人機(jī)交互、參數(shù)控制等功能，其工作原理如圖3所示。

圖3 半物理仿真系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)將設(shè)備數(shù)學(xué)模型植入仿真計(jì)算機(jī)，并與控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等實(shí)物設(shè)備一起構(gòu)成半物理仿真試驗(yàn)臺(tái)。仿真計(jì)算機(jī)和PLC間利用以太網(wǎng)(光纖、網(wǎng)線)及網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行通信。操作員在上位機(jī)人機(jī)交互界面(HMI)輸入相應(yīng)調(diào)節(jié)子系統(tǒng)的自動(dòng)控制指令(溫度、壓力)，并通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至PLC，PLC根據(jù)控制指令、仿真初值、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)、調(diào)節(jié)閥開度及邊界條件等對(duì)設(shè)備數(shù)學(xué)模型實(shí)時(shí)解算，得到各管道容腔仿真溫度、壓力以及流入、流出空氣質(zhì)量流量，并根據(jù)控制規(guī)律給出調(diào)節(jié)閥控制指令。閥門控制指令通過I/O設(shè)備傳送至伺服閥，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)閥門位置調(diào)節(jié)以達(dá)到被控指令的自動(dòng)控制。仿真系統(tǒng)不僅可以發(fā)送相應(yīng)的被控制量指令，還可以接收來自于實(shí)物部件的實(shí)時(shí)反饋信息。仿真結(jié)果及設(shè)備運(yùn)行參數(shù)等均可以在顯示器上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，以便直觀地了解仿真結(jié)果和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

2 半物理仿真系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)

半物理仿真系統(tǒng)以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，模型精度直接決定了整個(gè)仿真試驗(yàn)臺(tái)的置信度。由于系統(tǒng)模型規(guī)模龐大，且特性未知，因此采用機(jī)理分析、理論建模及系統(tǒng)辨識(shí)等一系列方法，深入研究被控對(duì)象特性和本質(zhì)，以獲得較為精確的數(shù)學(xué)模型。此處對(duì)系統(tǒng)中幾個(gè)代表性的設(shè)備建模工作進(jìn)行闡述。

2.1 調(diào)節(jié)閥流量特性模型

進(jìn)排氣控制系統(tǒng)進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥(閥5～閥8)為輪盤式特種流量調(diào)節(jié)閥，為國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用且無相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可循，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙且復(fù)雜，由4個(gè)閥瓣16個(gè)窗口組成，因此與常規(guī)調(diào)節(jié)閥相比在調(diào)節(jié)特性上差別較大。排氣調(diào)節(jié)閥為大口徑蝶閥(閥11)，是試驗(yàn)艙壓力調(diào)節(jié)的唯一調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有非線性特性強(qiáng)、流量特性陡峭、控制難度大等特點(diǎn)。進(jìn)氣和排氣閥門結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 輪盤式調(diào)節(jié)閥及蝶閥結(jié)構(gòu)

將空氣介質(zhì)流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流動(dòng)狀態(tài)等效為可壓縮流體流經(jīng)孔板節(jié)流裝置的情況，在假定絕熱過程條件下利用流體力學(xué)和工程熱力學(xué)等相關(guān)理論，計(jì)算流體介質(zhì)流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的質(zhì)量流量，構(gòu)建輪盤式調(diào)節(jié)閥及大口徑蝶閥的理論特性模型，如式(1)所示。

Qm=

(1)

式中，u為流束收縮系數(shù)，等于流束收縮最小截面積與節(jié)流孔截面積之比；m為節(jié)流孔截面積與管道截面積之比；A0為節(jié)流孔面積。

令流量公式(1)的前兩項(xiàng)為φ，并稱之為流量系數(shù)。則得到簡(jiǎn)化的流量公式如下：

(2)

依托大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)進(jìn)氣和排氣調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)進(jìn)行擬合計(jì)算，得到調(diào)節(jié)閥的實(shí)際流量特性，如圖5所示。

圖5 進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥和排氣調(diào)節(jié)閥流量特性曲面圖

2.2 容腔特性模型

根據(jù)熱力學(xué)定律，建立兩進(jìn)一出容腔控制體氣體狀態(tài)方程、管路流量連續(xù)性方程、內(nèi)部?jī)?chǔ)能方程和熱力學(xué)能變化方程，得出開口系兩股氣流流入摻混完全流出情況下的壓力、溫度變化模型，如圖6所示。

圖6 容腔特性模型

① 壓力變化模型。

(3)

② 溫度變化模型。

(h1W1+h2W2-h3W3)]

(4)

式中，W1～W3為第1路～第3路氣體質(zhì)量流量；T1～T3為別第1路～第3路氣體溫度；P1～P3分別為第1路～第3路氣體壓力；h1～h3分別為第1路～第3路氣體焓值；R為氣體熱力學(xué)常數(shù)；CP為氣體定壓比熱容；V為穩(wěn)壓箱體積。

圖7為某一容腔內(nèi)壓力和溫度模型在冷熱兩股固定流量(均為40 kg/s)氣流階躍作用下，出口閥處于固定開度條件下的壓力和溫度仿真曲線。

圖7 容腔內(nèi)壓力和溫度仿真曲線

3 半物理仿真平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

半物理仿真軟件系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)有效運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部分，分為上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件系統(tǒng)。下位機(jī)為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集處理、模型搭建及解算、控制方法設(shè)計(jì)等功能的實(shí)現(xiàn)部分，采用GE公司的CIMPLICITY Machine Edition進(jìn)行開發(fā)。上位機(jī)為人機(jī)交互操作界面，采用GE公司的CIMPLICITY HMI組態(tài)軟件編制，上位機(jī)軟件為整個(gè)系統(tǒng)的操作界面，直接為壓力、溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)服務(wù)，同時(shí)配備了相應(yīng)的數(shù)據(jù)穩(wěn)/瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集、記錄、處理以及參數(shù)實(shí)時(shí)顯示、工作狀態(tài)監(jiān)視、報(bào)警等功能。

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

半物理仿真下位機(jī)軟件首先根據(jù)仿真初始值、調(diào)節(jié)閥開度及流量特性模型、邊界值等計(jì)算得到各容腔流入、流出的空氣質(zhì)量流量。再基于容腔特性模型計(jì)算出各容腔內(nèi)的仿真壓力、溫度迭代值，最后把仿真壓力、溫度傳送給控制程序，經(jīng)控制程序結(jié)算后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)壓力、溫度的控制。其流程圖如圖8所示。

圖8 半物理仿真系統(tǒng)下位機(jī)程序流程圖

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)為人機(jī)交互界面，是系統(tǒng)和用戶之間進(jìn)行交互和信息交換的媒介，可直接為壓力、溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)試驗(yàn)過程自動(dòng)化和參數(shù)獲取自動(dòng)化服務(wù)，允許快速方便修改相應(yīng)控制參數(shù)，安全有效地進(jìn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制和壓力、溫度調(diào)節(jié)。通過上位機(jī)系統(tǒng)可完成仿真系統(tǒng)的過程控制、數(shù)據(jù)采集、記錄、處理、仿真狀態(tài)監(jiān)視、報(bào)警和實(shí)時(shí)曲線顯示等功能。

3.3 調(diào)節(jié)子系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

半物理仿真系統(tǒng)由多個(gè)調(diào)節(jié)子系統(tǒng)組成。圖9為一個(gè)調(diào)節(jié)子系統(tǒng)壓力(溫度)半物理仿真軟件實(shí)現(xiàn)(其它子系統(tǒng)類似)，包含控制模塊、模型模塊、實(shí)物模塊?？刂颇K為實(shí)現(xiàn)被控量調(diào)節(jié)的核心部分，一系列控制思想和算法均在此實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)完成模型解算和信息流傳遞，并通過控制模塊驅(qū)動(dòng)相應(yīng)實(shí)物設(shè)備，實(shí)現(xiàn)被控量的調(diào)節(jié)。

3.4 仿真軟件執(zhí)行流程

每個(gè)掃描周期，仿真軟件系統(tǒng)完成程序初始化，并接受上、下位機(jī)傳輸?shù)姆抡娉跏紖?shù)。程序執(zhí)行相應(yīng)時(shí)間邏輯指令，完成模型解算得出仿真溫度、壓力以及氣體質(zhì)量流量?？刂破鹘邮丈鲜鲂畔?zhí)行相應(yīng)控制算法得到調(diào)節(jié)閥位置指令，閥門位置指令通過I/O設(shè)備傳送至現(xiàn)場(chǎng)伺服閥，最終驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥完成系統(tǒng)控制。該程序具備隨時(shí)中斷退出循環(huán)邏輯功能，以便暫停觀察實(shí)時(shí)仿真效果。整個(gè)仿真軟件執(zhí)行流程如圖10所示。

4 仿真模型驗(yàn)證及控制技術(shù)應(yīng)用

為驗(yàn)證半物理仿真臺(tái)建立的可靠性和實(shí)用性，將仿真結(jié)果與真實(shí)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖11中給出了機(jī)組供氣調(diào)節(jié)子系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱PB1)半物理仿真曲線與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)曲線對(duì)比圖。由圖可知仿真結(jié)果與真實(shí)試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)一致，且仿真壓力穩(wěn)態(tài)情況下模型精度優(yōu)于1%，動(dòng)態(tài)情況下模型精度優(yōu)于5%，表明所建立的仿真系統(tǒng)是正確、有效的，能夠真實(shí)反映試車過程。

圖11 壓力仿真曲線與實(shí)際曲線對(duì)比結(jié)果

通過半物理仿真技術(shù)，一系列控制方法如高精度隨動(dòng)跟蹤技術(shù)、進(jìn)氣主動(dòng)抗擾控制技術(shù)、變參數(shù)控制技術(shù)等在半物理仿真臺(tái)上進(jìn)行了開發(fā)和有效驗(yàn)證，大幅縮短控制方法的研制周期。同時(shí)，通過半物理仿真技術(shù)驗(yàn)證某些新型動(dòng)力試驗(yàn)中控制系統(tǒng)能力和試驗(yàn)流程的合理性。如首次開展大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)前，通過仿真預(yù)先演練了該型發(fā)動(dòng)機(jī)在大流量試驗(yàn)點(diǎn)控制系統(tǒng)運(yùn)行情況，仿真結(jié)果與真實(shí)試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，有效保證了試驗(yàn)的順利進(jìn)行。圖12為通過半物理仿真平臺(tái)完成了變參數(shù)控制技術(shù)開發(fā)效果圖，該技術(shù)有效提升了系統(tǒng)對(duì)非線性調(diào)節(jié)對(duì)象的適應(yīng)能力，一定程度上改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)。

5 結(jié)束語

本文介紹了大型高空模擬試車臺(tái)進(jìn)排氣控制系統(tǒng)半物理仿真試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)過程，并將仿真結(jié)果與真實(shí)試驗(yàn)進(jìn)行了比較，表明了系統(tǒng)有很好的實(shí)時(shí)性、精確性

圖12 變參數(shù)控制技術(shù)仿真效果圖

和穩(wěn)定性，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過半物理仿真試驗(yàn)臺(tái)在動(dòng)用高空臺(tái)極少設(shè)備的情況下就能夠完成控制系統(tǒng)技術(shù)升級(jí)、試驗(yàn)流程探索、新設(shè)備調(diào)試等一系列工作，可有效規(guī)避試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)、提高試驗(yàn)效率、降低試驗(yàn)成本，對(duì)高效推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)進(jìn)程具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，因此在高空臺(tái)進(jìn)排氣控制系統(tǒng)有著重要的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。