航空發(fā)動(dòng)機(jī)伺服雙通道協(xié)同控制技術(shù)研究

(中國航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇 無錫 214063)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)全權(quán)限數(shù)字電子控制如今已經(jīng)成為航空推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[1-3]。主燃油流量控制功能是全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)最重要的一項(xiàng)功能，無論采用何種控制機(jī)構(gòu)或控制方法，燃油流量仍然是必不可少的控制變量，航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)通過控制主燃油調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)推力[4-6]。而航空發(fā)動(dòng)機(jī)主燃油控制通過主燃油伺服控制回路實(shí)現(xiàn)，因此，主燃油伺服控制回路的控制品質(zhì)一定程度決定了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推力控制性能。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字電子控制系統(tǒng)(數(shù)控系統(tǒng))主燃油伺服控制的原理如圖1所示。伺服控制器根據(jù)主燃油流量期望值WF_dem和主燃油流量曲線標(biāo)定關(guān)系，得到伺服控制回路的期望值，即期望的主燃油計(jì)量活門位移LWF_dem；隨后根據(jù)計(jì)量活門位移期望值LWF_dem與實(shí)際測量計(jì)量活門位移LWF，閉環(huán)運(yùn)算當(dāng)前所需的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)電液伺服閥驅(qū)動(dòng)電流IWF；液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)在電液伺服閥的驅(qū)動(dòng)下，計(jì)量出燃油流量WF到主燃燒室。

圖1 主燃油伺服控制回路閉環(huán)控制示意圖

目前國內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)主燃油伺服控制回路普遍采用的架構(gòu)是采用兩塊伺服控制模塊用于伺服回路控制律計(jì)算和電流輸出，采用雙線圈的電液伺服閥作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電液轉(zhuǎn)換裝置，采用雙線圈的位移傳感器采集執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移反饋。

伺服控制模塊與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的連接方式如圖2所示：伺服閥的a線圈和計(jì)量活門位移傳感器的a線圈連接到伺服控制模塊A上；伺服閥的b線圈和計(jì)量活門位移傳感器的b線圈連接到伺服控制模塊B上。根據(jù)連接方式可以看出，伺服控制模塊A只能控制電液伺服閥的a線圈，通常稱為A通道，伺服控制模塊B只能控制電液伺服閥的b線圈，通常稱為B通道。伺服控制模塊A和伺服控制模塊B掛接在ARINC 659串行背板總線上，可以通過總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。另外，A通道和B通道均采用ARINC659中斷源作為基準(zhǔn)時(shí)鐘，保證了通道之間的同步性[7]。

圖2 伺服控制模塊與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的連接示意圖

本文在分析常規(guī)的伺服控制方法的基礎(chǔ)上，提出了伺服雙通道協(xié)同控制方法，并通過仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了此種控制方法的優(yōu)越性。

1 常規(guī)伺服控制方法

主燃油伺服控制的常規(guī)方法如圖3所示。如果A通道正常，則A通道根據(jù)計(jì)量活門期望值LWF_dem與主燃油計(jì)量活門a線圈采集值LWFa進(jìn)行閉環(huán)運(yùn)算，得到電流IWFa控制電液伺服閥a線圈，此時(shí)將B通道電流置為0 mA，通過單獨(dú)控制電液伺服閥a線圈實(shí)現(xiàn)主燃油伺服控制；如果A通道出現(xiàn)故障(傳感器采集或者電流輸出故障)無法正?？刂茣r(shí)，將A通道電流IWFa置為0 mA，B通道根據(jù)計(jì)量活門期望值LWF_dem與主燃油計(jì)量活門b線圈采集值LWFb進(jìn)行閉環(huán)運(yùn)算，得到電流IWFb控制電液伺服閥b線圈，通過單獨(dú)控制電液伺服閥b線圈實(shí)現(xiàn)主燃油伺服控制；A通道和B通道同時(shí)故障時(shí)，關(guān)閉電流輸出[5-6]。其中，ChannelAFlt信號無效代表A通道正常，反之代表出現(xiàn)故障。ChannelBFlt信號無效代表B通道正常，反之代表出現(xiàn)故障。

常規(guī)方法基本能夠滿足主燃油伺服控制的需求，但是還存在以下不足。

首先，未對計(jì)量活門位移傳感器雙余度信號進(jìn)行余度選擇，如果其中一個(gè)余度出現(xiàn)故障，未使用另外一個(gè)通道的采集值進(jìn)行計(jì)算，只能切到另一個(gè)通道計(jì)算輸出，故障降級速度較快；另外，雙余度信號采集無可避免地存在差異，從一個(gè)余度切換到采用另外一個(gè)余度計(jì)算的過程中會(huì)對控制產(chǎn)生較大擾動(dòng)。

圖3 常規(guī)伺服控制方法原理圖

其次，優(yōu)選了A通道，使得A通道一直處于工作狀態(tài)，而B通道一直處于關(guān)閉狀態(tài)，不利于對B通道進(jìn)行在線故障判斷，有可能B通道已經(jīng)異常了，只是由于處于關(guān)閉狀態(tài)，導(dǎo)致故障漏判。

最后，如果A通道出現(xiàn)故障，在判故確認(rèn)周期內(nèi)，B通道還未接手工作，這段時(shí)間伺服控制實(shí)際上處于失控狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致切換出現(xiàn)較大的擾動(dòng)，且擾動(dòng)隨判故周期增長而增大，降低了伺服控制回路的控制品質(zhì)。

因此，還需要尋找一種更適合航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主燃油伺服控制方法。

2 伺服雙通道協(xié)同控制方法

主燃油伺服雙通道協(xié)同控制方法原理如圖4所示。A通道將本通道計(jì)量活門位移反饋采集值LWFa與通過659總線接收到的B通道采集值LWFb進(jìn)行雙余度選擇后，得到選擇后的計(jì)量活門位移反饋LWF1，然后根據(jù)計(jì)量活門期望值LWF_dem與選擇后的計(jì)量活門位移反饋LWF1進(jìn)行閉環(huán)運(yùn)算得到電流值Ia；同理，B通道將本通道計(jì)量活門位移反饋采集值LWFb與通過659總線接收到的A通道采集值LWFa進(jìn)行雙余度選擇后，得到選擇后的計(jì)量活門位移反饋LWF2，然后根據(jù)計(jì)量活門期望值LWF_dem與選擇后的計(jì)量活門位移反饋LWF2進(jìn)行閉環(huán)運(yùn)算得到電流值Ib。其中，對雙通道之間的積分進(jìn)行積分均衡，即本通道的積分前值的一半和對方通道通過659總線傳輸過來的積分值的一半相加，作為本通道的積分前值。

如果A通道和B通道均正常，則將A通道計(jì)算得到的電流Ia的一半IWFa輸出到伺服閥的a線圈，B通道計(jì)算得到的電流Ib的一半IWFb輸出到伺服閥的b線圈，通過同時(shí)控制電液伺服閥a線圈和b線圈實(shí)現(xiàn)主燃油控制；否則，如果A通道故障(僅指電流輸出故障)，則將B通道計(jì)算得到的電流Ib輸出到伺服閥的b線圈，通過單獨(dú)控制電液伺服閥b線圈實(shí)現(xiàn)主燃油控制；否則，如果B通道故障(僅指電流輸出故障)，則將A通道計(jì)算得到的電流Ia輸出到伺服閥的a線圈，通過單獨(dú)控制電液伺服閥a線圈實(shí)現(xiàn)主燃油控制；否則，關(guān)閉電流輸出。

可以看出，這種控制方法具有以下優(yōu)點(diǎn)。

① 通過本通道的位移反饋采集值和對方通道的位移反饋采集值進(jìn)行雙余度選擇，增強(qiáng)了故障容錯(cuò)能力，任意一個(gè)通道采集值出現(xiàn)故障，還可以采用另外一個(gè)通道的采集值進(jìn)行計(jì)算，不需要切換通道，降低了故障降級的速度。

② 當(dāng)A通道或者B通道出現(xiàn)故障無法正常工作時(shí)，在故障確認(rèn)周期內(nèi)，另外一個(gè)通道始終在進(jìn)行控制，減少了通道切換帶來的擾動(dòng)。另外，采用雙余度選擇算法對位移反饋采集進(jìn)行選擇，避免了傳感器雙余度信號采集差異對通道切換帶來的擾動(dòng)影響。

③ 對伺服計(jì)算的積分前值進(jìn)行積分均衡處理，即將本通道的積分前值的一半和對方通道通過659總線傳輸過來的積分值的一半相加，作為本通道的積分前值，保證了兩個(gè)通道電流計(jì)算的同步性，提高了伺服控制性能。

④ 雙通道同時(shí)在進(jìn)行工作，有利于各個(gè)通道的在線故障診斷。

圖4 伺服雙通道協(xié)同控制方法原理圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

基于以上伺服控制方法，分別在全數(shù)字仿真平臺和航空發(fā)動(dòng)機(jī)臺架進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，與常規(guī)的伺服控制方法相比較，檢查改善效果。

在MATLAB/Simulink上搭建測試模型，常規(guī)伺服控制方法測試模型如圖5所示。A通道采集值LWF_A和期望值LWF_DEM進(jìn)入PID調(diào)節(jié)器計(jì)算得到A通道電流輸出，B通道采集值LWF_B和期望值LWF_DEM進(jìn)入PID調(diào)節(jié)器計(jì)算得到B通道電流輸出。通過A通道故障信號是否有效，選擇最終進(jìn)入主燃油執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型[8]的電流(無效時(shí)選A通道電流輸出，有效時(shí)選擇B通道電流輸出)。伺服雙通道協(xié)同控制方法測試模型如圖6所示，A通道采集值LWF_A和B通道采集值LWF_B進(jìn)行雙余度選擇后，分別進(jìn)入A通道和B通道PID調(diào)節(jié)器計(jì)算得到A通道電流輸出和B通道電流輸出，通過A通道故障信號是否有效選擇最終進(jìn)入主燃油執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型的電流(無效時(shí)選擇A通道電流的一半與B通道電流的一半之和，有效時(shí)選擇B通道電流輸出)。

分別進(jìn)行階躍試驗(yàn)，在主燃油計(jì)量活門位置給定為10%時(shí)，設(shè)置主燃油伺服控制回路A通道故障，常規(guī)伺服控制方法的仿真曲線如圖7所示，伺服雙通道協(xié)同控制方法的仿真曲線如圖8所示，其中，LWF_DEM為計(jì)量活門位移期望值，LWF為計(jì)量活門位移采集值，通道切換時(shí)刻為模擬A通道故障后切換到B通道控制的時(shí)刻。從圖中可以看出，常規(guī)的伺服控制方法，通道切換時(shí)主燃油計(jì)量活門位移下掉量為1%，伺服雙通道協(xié)同控制方法通道切換時(shí)主燃油計(jì)量活門位移下掉量為0.19%。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)臺架進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)試車試驗(yàn)，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)至慢車狀態(tài)，通過軟件測試指令模擬主燃油伺服控制回路A通道故障，常規(guī)伺服控制方法的試驗(yàn)曲線如圖9所示，伺服雙通道協(xié)同控制方法的試驗(yàn)曲線如圖10所示。其中，LWF_DEM為計(jì)量活門位移期望值，LWF為計(jì)量活門位移采集值，通道切換時(shí)刻為模擬A通道故障后切換到B通道控制的時(shí)刻。從圖中可以看出，常規(guī)的伺服控制方法，通道切換時(shí)主燃油計(jì)量活門位移下掉量為0.98%，伺服雙通道協(xié)同控制方法通道切換時(shí)主燃油計(jì)量活門位移下掉量為0.24%。

圖5 常規(guī)伺服控制方法仿真平臺

圖6 伺服雙通道協(xié)調(diào)控制方法仿真平臺

圖7 常規(guī)伺服控制方法通道切換仿真曲線

圖8 伺服雙通道協(xié)同通道切換仿真曲線

圖10 伺服雙通道協(xié)同通道切換試驗(yàn)曲線

可以看出，無論是全數(shù)字仿真還是臺架試驗(yàn)，伺服雙通道協(xié)同控制方法，下掉量都顯著小于常規(guī)伺服控制方法。

4 結(jié)束語

本文提出了主燃油伺服雙通道協(xié)同控制方法，已隨數(shù)控系統(tǒng)配裝某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)完成地面臺架試驗(yàn)、高空模擬試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，保證控制系統(tǒng)通道切換時(shí)擾動(dòng)較小，提高了主燃油伺服控制性能，而且也適用于其他伺服控制回路。這種控制方法不僅故障容錯(cuò)能力強(qiáng)、降級速度慢，而且方法簡單，實(shí)施方便，對提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能和可靠性具有重要作用。