航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)導(dǎo)葉主備控制切換研究

(中國航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇 無錫 214063)

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)由機(jī)械液壓調(diào)節(jié)技術(shù)向全權(quán)限數(shù)字電子控制(FADEC)技術(shù)的發(fā)展，以及隨著發(fā)動(dòng)機(jī)控制變量的增加，電液伺服系統(tǒng)以其技術(shù)成熟、功率密度高、動(dòng)態(tài)特性好、效率高、環(huán)境適應(yīng)性較好的優(yōu)點(diǎn)，成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制及飛行控制領(lǐng)域中伺服控制的主要實(shí)現(xiàn)形式，應(yīng)用日趨廣泛[1]。在現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)FADEC中，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油、發(fā)動(dòng)機(jī)氣流等主要參數(shù)的控制通常是通過電液伺服系統(tǒng)來完成。

電液伺服系統(tǒng)主要由電液轉(zhuǎn)換元件、執(zhí)行元件、反饋元件、控制器所組成。在電液伺服系統(tǒng)中，一般采用電液伺服閥作為電液轉(zhuǎn)換裝置[2]。電液轉(zhuǎn)換裝置作為FADEC系統(tǒng)安全關(guān)鍵元件，通常采用雙電液伺服閥結(jié)構(gòu)的電液轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計(jì)技術(shù)[3]，以提高控制的可靠性。相比電液伺服閥，高速電磁閥以其結(jié)構(gòu)簡單、抗污染能力強(qiáng)、成本低、易于數(shù)字控制等優(yōu)點(diǎn)，被越來越多地應(yīng)用到控制系統(tǒng)中[4]。

為獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的最優(yōu)性能，并保證壓氣機(jī)導(dǎo)葉控制可靠性，某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)導(dǎo)葉控制裝置采用了耐污染能力較強(qiáng)的雙余度射流管電液伺服閥作為電液轉(zhuǎn)換裝置，同時(shí)采用高速電磁閥作為備份。在壓氣機(jī)導(dǎo)葉控制系統(tǒng)工作過程中，采用電液伺服閥的主控伺服回路一旦出現(xiàn)故障，則需要立即切換至備份高速電磁閥伺服回路控制。在切換過程中，要求系統(tǒng)平穩(wěn)、快速以減小切換過程導(dǎo)葉擾動(dòng)，進(jìn)而減小對發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的影響。因此，對該型發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)導(dǎo)葉主備控制回路的切換特性進(jìn)行研究，對于提高發(fā)動(dòng)機(jī)控制的安全性和可靠性具有重要的意義。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)葉控制

1.1 導(dǎo)葉控制裝置工作原理

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)導(dǎo)葉控制裝置主要由射流管電液伺服閥、備份高速電磁閥、轉(zhuǎn)換電磁閥、轉(zhuǎn)換活門、分油活門和層板限制器等組成，其原理如圖1所示。

圖1 壓氣機(jī)導(dǎo)葉控制裝置原理框圖

在射流管電液伺服閥控制的主伺服模式下，轉(zhuǎn)換電磁閥通電，轉(zhuǎn)換活門溝通射流管電液伺服閥控制油路，分油活門在射流管電液伺服閥控制油的控制下移動(dòng)，進(jìn)而控制高壓油進(jìn)入作動(dòng)筒的有桿腔或無桿腔，導(dǎo)葉作動(dòng)筒推動(dòng)導(dǎo)葉使角度變化；在高速電磁閥控制的備份伺服模式下，轉(zhuǎn)換電磁閥斷電，轉(zhuǎn)換活門切斷射流管電液伺服閥控制分油活門的油路，同時(shí)溝通備份高速電磁閥控制分油活門的油路，由高速電磁閥控制導(dǎo)葉作動(dòng)筒運(yùn)動(dòng)。

1.2 導(dǎo)葉伺服控制系統(tǒng)原理

壓氣機(jī)導(dǎo)葉伺服控制系統(tǒng)主要由傳感器、控制器、控制裝置、作動(dòng)筒等組成，系統(tǒng)框圖見圖2。

控制器根據(jù)給定角度Afa2_dem以及RVDT傳感器反饋角度Afa2比較得到誤差eAfa2，經(jīng)外環(huán)PID控制器計(jì)算得出分油活門給定Lf_dem，與LVDT傳感器反饋位移Lf比較得到誤差eLf，經(jīng)內(nèi)環(huán)PID控制器計(jì)算得出電流信號(hào)I與占空比信號(hào)PWM，電液轉(zhuǎn)換裝置根據(jù)接收到的控制信號(hào)溝通射流管電液伺服閥或高速電磁閥至分油活門的控制油路，控制分油活門移動(dòng)改變作動(dòng)筒兩腔的油壓，從而使導(dǎo)葉作動(dòng)筒活塞桿的輸出位移發(fā)生變化，并通過連桿機(jī)構(gòu)控制導(dǎo)葉的轉(zhuǎn)角到達(dá)給定角度。

2 伺服控制系統(tǒng)建模仿真

對圖2所示的航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)導(dǎo)葉伺服控制系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析計(jì)算，分別建立各環(huán)節(jié)的簡化數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行伺服控制回路的建模仿真。

圖2 壓氣機(jī)導(dǎo)葉伺服控制系統(tǒng)框圖

2.1 電液轉(zhuǎn)換裝置建模

2.1.1 電液伺服閥數(shù)學(xué)模型

電液伺服閥是一個(gè)復(fù)雜的非線性機(jī)電伺服系統(tǒng)，一般電液伺服閥可以用二階環(huán)節(jié)近似表示[5-7]，其傳遞函數(shù)為

(1)

式中,ξ，ω，Kq分別為電液伺服閥的阻尼比、自然頻率和流量增益。

某型電液伺服閥的阻尼比ξ在0.7～1.0之間，取ξ=0.7。當(dāng)額定壓力ps=8 MPa及額定電流I=40 mA時(shí)，電液伺服閥的額定流量及自然頻率分別為Qs=3 L/min，ω=90 Hz，則電液伺服閥的流量增益為Kq=Qs/I=1250 mm3/(s·mA)。

2.1.2 高速電磁閥數(shù)學(xué)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的高速電磁閥控制通常采用定頻調(diào)寬的方式，即高速電磁閥的脈寬調(diào)制信號(hào)頻率恒定(40 Hz)，數(shù)字控制器根據(jù)調(diào)節(jié)的需要改變脈沖信號(hào)的寬度，對占空比進(jìn)行限幅(0.2～0.8)避開非線性區(qū)間[8-9]。

以占空比PWM(s)為輸入，以流量Q(s)為輸出、包含PWM功率變換器的高速電磁閥模型可以用一階慣性環(huán)節(jié)近似表示[10]，其傳遞函數(shù)為

(2)

式中,t1，t2，t3，Kq分別為高速電磁閥的調(diào)制周期、啟動(dòng)延遲時(shí)間、閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)間常數(shù)和流量增益。

對于定頻40 Hz高速電磁閥t1=0.025 s，某型高速電磁閥的啟動(dòng)延遲時(shí)間t2=0.003 s，閥芯開啟后約0.5 ms全部打開，t3=0.0005 s。在額定壓力ps=1 MPa及占空比PWM=100%時(shí)，高速電磁閥的額定流量為Qs=0.75 L/min，則高速電磁閥的流量增益為Kq=Qs/PWM=125 mm3/(s·%)。

2.2 分油活門建模

閥控分油活門的數(shù)學(xué)模型可以用純積分環(huán)節(jié)近似表示，其傳遞函數(shù)為

(3)

式中,Ksv為分油活門的增益系數(shù)。

在定壓油2 MPa、低壓油0.2 MPa的條件下，給定電液伺服閥-32 mA或40 mA電流，某型分油活門全程移動(dòng)時(shí)間為(0.125±0.025)s；給定高速電磁閥20%或80%占空比，分油活門全程移動(dòng)時(shí)間為(0.25±0.05) s。建模時(shí)，某型電液伺服閥和高速電磁閥控制分油活門全程移動(dòng)時(shí)間默認(rèn)值分別取0.125 s和0.3 s，分油活門行程為±3 mm。

2.3 導(dǎo)葉作動(dòng)筒建模

分油活門控導(dǎo)葉作動(dòng)筒的數(shù)學(xué)模型可以用純積分環(huán)節(jié)近似表示[11]，其傳遞函數(shù)為

(4)

式中,Kac為導(dǎo)葉作動(dòng)筒的增益系數(shù)。

某型壓氣機(jī)導(dǎo)葉行程為-34°～0°，在高壓油壓力5 MPa、空載時(shí)，作動(dòng)筒全程移動(dòng)時(shí)間為0.3～0.6 s，不同全程移動(dòng)時(shí)間下作動(dòng)筒增益系數(shù)不同。建模時(shí)，由電液伺服閥控制時(shí)作動(dòng)筒全程動(dòng)作時(shí)間默認(rèn)值取0.35 s；由高速電磁閥控制時(shí)作動(dòng)筒全程動(dòng)作時(shí)間默認(rèn)值取0.5 s。

2.4 傳感器建模

分油活門LVDT傳感器和導(dǎo)葉角度RVDT傳感器為電磁式傳感器，反應(yīng)靈敏，可以看作系數(shù)為1的比例環(huán)節(jié)。

2.5 伺服PID控制器建模

航空發(fā)動(dòng)機(jī)伺服控制回路一般采用位置式PID控制器[12]，其傳遞函數(shù)形式為

(5)

式中，Kp，Ti，Td分別為比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)。

對于壓氣機(jī)導(dǎo)葉外環(huán)控制，控制周期取0.025 s，某型電液伺服閥主控伺服回路取Kp=0.2，Ti=0.005 s，Td=0.025 s；某型高速電磁閥備份伺服回路取Kp=0.1，Ti=0.005 s，Td=0.025 s。對于壓氣機(jī)分油活門內(nèi)環(huán)控制，主控和備份伺服回路取Kp=8，Ti=0.005 s，Td=0 s。

為了避免伺服回路誤差較大時(shí)控制量長時(shí)間停留在飽和區(qū)，采用抗積分飽和處理，即當(dāng)控制輸出進(jìn)入飽和區(qū)以后，不再進(jìn)行積分項(xiàng)的累加，而只執(zhí)行削弱積分的運(yùn)算。

2.6 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立及仿真分析

使用Matlab軟件建立上述導(dǎo)葉伺服控制系統(tǒng)仿真模型。采用電液伺服閥控制回路和采用高速電磁閥控制回路5°階躍響應(yīng)仿真曲線分別見圖3和圖4。分析結(jié)果可知，采用設(shè)計(jì)的伺服PID控制器，伺服控制的超調(diào)量、上升時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間等性能指標(biāo)均可滿足對應(yīng)的伺服回路指標(biāo)要求。

圖3 主伺服控制回路5°階躍響應(yīng)仿真

3 導(dǎo)葉主備切換仿真與驗(yàn)證

壓氣機(jī)導(dǎo)葉主控伺服回路故障后，切換至備份伺服回路控制，轉(zhuǎn)換活門移動(dòng)到位前，壓氣機(jī)導(dǎo)葉在電液

圖4 備份伺服控制回路5°階躍響應(yīng)仿真

伺服閥零偏的作用下向“全關(guān)”(-34°)位置偏轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)換活門移動(dòng)到位后，壓氣機(jī)導(dǎo)葉會(huì)在備份伺服控制下打開至導(dǎo)葉控制計(jì)劃給定位置。這一過程中，由于主備控制回路的切換，會(huì)造成壓氣機(jī)導(dǎo)葉的較大擾動(dòng)，因此需要在單伺服控制回路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對主備控制的切換進(jìn)行計(jì)算仿真與驗(yàn)證。

主備伺服回路切換過程中設(shè)計(jì)到的關(guān)鍵影響因素有轉(zhuǎn)換活門的切換時(shí)間、電液伺服閥零偏作用下分油活門移動(dòng)速度，以及備份高速電磁閥接管控制的速度。

3.1 不同轉(zhuǎn)換活門切換時(shí)間下切換仿真

某項(xiàng)目中的切換機(jī)構(gòu)，在高壓油5 MPa、低壓油0.2 MPa條件下，從給轉(zhuǎn)換電磁閥斷電到轉(zhuǎn)換活門切換的時(shí)間≤0.2 s。參考目前國內(nèi)其他項(xiàng)目實(shí)測值預(yù)估該時(shí)間在0.05～0.15 s。

轉(zhuǎn)換活門實(shí)現(xiàn)主備伺服回路的控制油路切換，仿真模型中通過轉(zhuǎn)換電磁閥通電/斷電狀態(tài)實(shí)現(xiàn)主備伺服回路控制的選擇。仿真模型通過設(shè)置轉(zhuǎn)換電磁閥的延遲時(shí)間，實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)換活門切換時(shí)間的模擬。轉(zhuǎn)換活門切換時(shí)間為0.05 s、0.1 s和0.15 s時(shí)，穩(wěn)態(tài)下主備切換仿真結(jié)果見圖5。分析結(jié)果可知，隨著轉(zhuǎn)換活門切換時(shí)間的增加，主備伺服回路切換過程中，壓氣機(jī)導(dǎo)葉的擾動(dòng)量急劇增大。

圖5 不同轉(zhuǎn)換活門切換時(shí)間仿真

轉(zhuǎn)換活門切換時(shí)間主要由轉(zhuǎn)換電磁閥流量、轉(zhuǎn)換活門彈簧力、轉(zhuǎn)換活門行程、層板流量等指標(biāo)決定,可通過不同指標(biāo)間的匹配，設(shè)計(jì)合適的轉(zhuǎn)換活門切換時(shí)間。

3.2 不同伺服閥零偏下切換仿真

電液伺服閥的額定流量和額定電流確定后，分油活門在零偏下的移動(dòng)時(shí)間取決于零偏的大小，零偏的大小不影響電液伺服閥的流量增益和自然頻率。目前國內(nèi)工程使用的電液伺服閥零偏主要有±4 mA、±6 mA、±10 mA。

仿真模型中通過設(shè)置伺服PID控制器中平衡電流值，實(shí)現(xiàn)不同伺服閥零偏的模擬。電液伺服閥零偏為4 mA、6 mA和10 mA時(shí)，穩(wěn)態(tài)下主備切換仿真結(jié)果見圖6。分析結(jié)果可知，隨著伺服閥零偏的增加，主備伺服回路切換過程中，壓氣機(jī)導(dǎo)葉的擾動(dòng)量急劇增大。

電液伺服閥零偏的選取主要取決于在零偏作用下壓氣機(jī)導(dǎo)葉角度移動(dòng)到“全關(guān)”的安全位置的時(shí)間。在滿足移動(dòng)時(shí)間的基礎(chǔ)上應(yīng)盡量選取較小的零偏，以減小切換過程導(dǎo)葉的擾動(dòng)量。

圖6 不同伺服閥零偏下切換仿真

3.3 不同備份工作模式下切換仿真

高速電磁閥流量一定的情況下，備份伺服回路接管控制的速度主要取決于備份工作模式。

對于雙余度伺服系統(tǒng)控制，主備雙通道的工作方式有冷備、溫備、熱備以及雙工4種[13-15]。

① 冷備份方式。主控通道工作時(shí)，備份通道不通電不工作；主控通道故障時(shí)，備份通道啟動(dòng)并自動(dòng)接替工作。

② 溫備份方式。主控通道和備份通道共同加電，主控通道工作時(shí)，備份通道等待；一旦主控通道故障時(shí)，備份通道結(jié)束待機(jī)狀態(tài)開始工作。

③ 熱備份方式。主控通道和備份通道同時(shí)加電，且均處于工作狀態(tài)，只是熱備份通道的處理結(jié)果不輸出。一旦主控通道故障，備份通道接替任務(wù)，進(jìn)行結(jié)果切換。

④ 雙工方式。主控通道和備份通道同時(shí)加電和工作，處理結(jié)果進(jìn)行比較一致后輸出。

不同的備份工作模式不影響高速電磁閥的調(diào)制周期、啟動(dòng)延遲時(shí)間、閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)間常數(shù)和流量增益。仿真模型中通過設(shè)置主伺服控制下備份占空比輸出值，實(shí)現(xiàn)不同備份工作模式的模擬。高速電磁閥冷備份和熱備份，穩(wěn)態(tài)下主備切換仿真結(jié)果見圖7。分析結(jié)果可知，采用高速電磁閥熱備份，即電液伺服閥主控時(shí)高速電磁閥輸出一定的占空比，可以提前建立高速電磁閥出口壓力，加快分油活門響應(yīng)，進(jìn)而減小主備切換過程壓氣機(jī)導(dǎo)葉的擾動(dòng)。

圖7 不同備份工作模式下切換仿真

3.4 半物理模擬試驗(yàn)驗(yàn)證

高壓油5 MPa下，實(shí)測電液伺服閥平衡電流為4.1 mA，分油活門全程移動(dòng)時(shí)間為0.115 s，作動(dòng)筒全程動(dòng)作時(shí)間為0.34 s；高速電磁閥平衡占空比為51%，分油活門全程移動(dòng)時(shí)間為0.31 s，作動(dòng)筒全程動(dòng)作時(shí)間為0.515 s，性能指標(biāo)滿足技術(shù)要求。

半物理模擬試驗(yàn)，穩(wěn)態(tài)下通過對電液伺服閥雙線圈斷線，控制軟件判出故障后關(guān)閉轉(zhuǎn)換電磁閥輸出，進(jìn)行壓氣機(jī)導(dǎo)葉主備切換試驗(yàn)。

通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換活門通低壓油層板流量，控制轉(zhuǎn)換活門切換時(shí)間為0.1 s和0.15 s；通過修改控制軟件中高速電磁閥輸出，控制備份工作模式為冷備份和熱備份。不同條件下試驗(yàn)結(jié)果見圖8。分析結(jié)果可知，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，通過減小轉(zhuǎn)換活門切換時(shí)間和采用高速電磁閥熱備份，可以有效減小主備切換過程壓氣機(jī)導(dǎo)葉的擾動(dòng)。

4 結(jié)束語

本文利用Matlab軟件建立了某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)導(dǎo)葉伺服控制系統(tǒng)的仿真模型，分別對不同轉(zhuǎn)換活門移動(dòng)時(shí)間、不同伺服閥零偏下分油活門移動(dòng)時(shí)間和高速電磁閥冷熱備份工作模式等情況下主備伺服回路切換進(jìn)行了仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，采取縮短轉(zhuǎn)換活門移動(dòng)時(shí)間，減小伺服閥零偏和高速電磁閥熱備份等措施，可以有效減小切換過程中壓氣機(jī)導(dǎo)葉的擾動(dòng)，進(jìn)而提高切換的平穩(wěn)、安全性。

圖8 半物理模擬試驗(yàn)驗(yàn)證