微型燃?xì)廨啓C(jī)自動(dòng)啟動(dòng)控制策略設(shè)計(jì)

李浩冬，劉永葆，賀 星，李洪松

(1.海軍工程大學(xué) 艦船動(dòng)力工程軍隊(duì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430033；2.海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430033)

隨著海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，船舶貿(mào)易、海上石油平臺(tái)、島礁建設(shè)也迎來了發(fā)展高潮[1]。與此同時(shí)，這些孤立平臺(tái)對(duì)電力的需求也日益增大。由于海上孤立平臺(tái)遠(yuǎn)離內(nèi)地，電網(wǎng)鋪設(shè)成本高，因此其往往采用自發(fā)電模式實(shí)現(xiàn)自我電力供給。

微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置具有尺寸小、質(zhì)量輕、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，能夠在海上孤立平臺(tái)空間狹小的限制下發(fā)揮巨大作用。同時(shí)，應(yīng)急電源作為正常電力供應(yīng)的補(bǔ)充，能夠保證向重要負(fù)荷設(shè)備持續(xù)供電，大量停電事故的出現(xiàn)更是凸顯了應(yīng)急電源的重要性[2]。在環(huán)境污染嚴(yán)重、傳統(tǒng)能源儲(chǔ)量緊張的雙重壓力下，各種可再生能源得到了大力發(fā)展，而以燃?xì)廨啓C(jī)為核心的分布式供能系統(tǒng)能夠利用多種能源形式，是可再生能源的有效應(yīng)用方式[3]。微型燃?xì)廨啓C(jī)具有燃料使用多元化的特點(diǎn)，燃?xì)廨啓C(jī)通過富氧燃燒，使燃料充分燃燒，可實(shí)現(xiàn)固體顆粒、煙霧的低排放甚至零排放。而且，燃?xì)廨啓C(jī)作為回轉(zhuǎn)式機(jī)械，振動(dòng)低、噪聲小也是其優(yōu)點(diǎn)之一[4]。海上孤立平臺(tái)發(fā)電裝置、應(yīng)急電源要求原動(dòng)機(jī)能夠快速啟動(dòng)，快速實(shí)現(xiàn)電力供給或及時(shí)補(bǔ)充電力缺口，但微型燃?xì)廨啓C(jī)工作轉(zhuǎn)速高，啟動(dòng)速度較慢。馬文通等[5]對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)過程仿真進(jìn)行了闡述，石恒等[6]對(duì)某型三軸燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)過程進(jìn)行了實(shí)物仿真，具有一定仿真精度。然而，上述研究都是針對(duì)成熟機(jī)型啟動(dòng)過程的復(fù)原，未能對(duì)啟動(dòng)過程控制規(guī)律進(jìn)行探索。因此，研究微型燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)控制規(guī)律具有重要意義。

本文在手動(dòng)啟動(dòng)微型燃?xì)廨啓C(jī)的基礎(chǔ)上，通過分析手動(dòng)啟動(dòng)的啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)和噴油量的配合規(guī)律，設(shè)計(jì)制定自動(dòng)啟動(dòng)的轉(zhuǎn)速上升規(guī)律和噴油量控制策略，為微型燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)控制探索規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)備

本文研究對(duì)象為某型單軸微型燃?xì)廨啓C(jī)裝置，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)啟動(dòng)，并配備有數(shù)據(jù)記錄分析軟件，可測(cè)量壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、流量等多種數(shù)據(jù)類型。啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和燃油泵轉(zhuǎn)速采用變頻器調(diào)節(jié)的方式。燃料采用0號(hào)柴油。試驗(yàn)用微型燃?xì)廨啓C(jī)性能參數(shù)如表1至表4所示，試驗(yàn)用微型燃?xì)廨啓C(jī)如圖1所示。

表1 微型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)參數(shù)及描述

表2 發(fā)電機(jī)組熱力性能數(shù)據(jù)

表3 發(fā)電機(jī)組環(huán)境性能數(shù)據(jù)

表4 發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)及說明

圖1 試驗(yàn)用微型燃?xì)廨啓C(jī)

為了便于分析，燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速、啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、燃油泵轉(zhuǎn)速、排氣流量、噴油量等數(shù)據(jù)均采用標(biāo)幺值(pu)，1pu對(duì)應(yīng)的數(shù)值如表5所示。

表5 標(biāo)幺值說明

2 手動(dòng)啟動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 手動(dòng)啟動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

手動(dòng)啟動(dòng)過程遵循三個(gè)階段：第一階段，單獨(dú)手動(dòng)增加啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的頻率，進(jìn)而提升燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，到達(dá)點(diǎn)火轉(zhuǎn)速之后，在給定噴油量的條件下點(diǎn)火；第二階段，點(diǎn)火成功后，需要手動(dòng)控制啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和燃油泵轉(zhuǎn)速，其增加速率主要參考啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)電流和渦輪后溫度，需要保持啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)電流不超過設(shè)定值，同時(shí)避免渦輪后溫度超限，當(dāng)轉(zhuǎn)速到達(dá)37 000 r/min后只增加燃油泵頻率，當(dāng)電動(dòng)機(jī)電流低于10 A之后，關(guān)閉啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，由渦輪單獨(dú)帶動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子加速；第三階段，手動(dòng)控制燃油泵頻率增加速率，使轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。

在環(huán)境溫度為6 ℃、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的條件下進(jìn)行了手動(dòng)啟動(dòng)試驗(yàn)，記錄了轉(zhuǎn)速、啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、燃油泵轉(zhuǎn)速、噴油量、啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)電流、排氣流量、渦輪后溫度、燃燒室出口溫度等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)如圖2所示。在啟動(dòng)過程中通過調(diào)節(jié)啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速，通過調(diào)節(jié)燃油泵轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)噴油量。從圖2(a)可以看出：在啟動(dòng)過程中啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升斜率近似固定，直至啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)脫離；在轉(zhuǎn)速到達(dá)額定轉(zhuǎn)速之前，燃油泵轉(zhuǎn)速增加速率逐漸增大，到達(dá)額定轉(zhuǎn)速之后燃油泵轉(zhuǎn)速略有下降，這是因?yàn)樵趩?dòng)開始階段燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)體溫度較低，啟動(dòng)過程中吸收了部分熱量，對(duì)應(yīng)的燃油消耗量較大，所以燃油泵轉(zhuǎn)速較高；而當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)到達(dá)額定轉(zhuǎn)速之后，機(jī)體溫度較高，吸收的熱量減少，對(duì)應(yīng)的燃油消耗量減少，燃油泵轉(zhuǎn)速減小。從圖2(b)可以看出：噴油量在燃油截止閥打開瞬間存在突增的峰值，于很短時(shí)間后回落至穩(wěn)定值；在啟動(dòng)階段噴油量逐漸增加，且增加速率逐漸增大，到達(dá)額定轉(zhuǎn)速之后，在燃油泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)下，噴油量適當(dāng)減少。圖2(c)記錄了啟動(dòng)過程中啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)電流變化的過程。啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)電流和輸出功率成線性正比關(guān)系，因?yàn)樵谑謩?dòng)啟動(dòng)過程中，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速頻繁發(fā)生小幅度階躍，帶動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速上升，所以電流存在較多峰值，除去電動(dòng)機(jī)電流的峰值，其電流變化大致呈“M”狀。在啟動(dòng)開始階段，由啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)單獨(dú)帶動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速上升，隨著轉(zhuǎn)速的增加，啟動(dòng)功率需求增加，電動(dòng)機(jī)電流逐漸增加。電動(dòng)機(jī)電流出現(xiàn)波谷，是由于在燃燒室點(diǎn)火的瞬間，燃燒室出口溫度迅速上升，渦輪開始分擔(dān)部分啟動(dòng)需要的功率，導(dǎo)致啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)提供的功率減少。隨著轉(zhuǎn)速的上升，啟動(dòng)功率需求增大，因此空氣流量增加，噴油量增加相對(duì)緩慢，這導(dǎo)致燃燒室出口溫度下降。燃燒室出口溫度變化趨勢(shì)如圖2(d)所示，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)分擔(dān)的啟動(dòng)功率增加，因此電流增加。在啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)渦輪共同帶動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速升高的階段，操作人員逐漸增加噴油量，提高渦輪輸出功率，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)分擔(dān)功率逐漸減小，直至啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)脫離，最后電動(dòng)機(jī)電流降為0。

(a)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速、啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、燃油泵轉(zhuǎn)速變化曲線

(b)噴油量、排氣流量變化曲線

(c)啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)電流波動(dòng)曲線

(d)燃燒室出口溫度變化曲線

2.2 排氣流量和轉(zhuǎn)速關(guān)系

燃?xì)廨啓C(jī)的排氣流量除了受環(huán)境溫度和壓力影響之外，主要受燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速影響。噴油量造成的流量變化可以忽略不計(jì)。排氣流量隨轉(zhuǎn)速變化關(guān)系如圖3所示。從圖3可以看出，排氣流量隨轉(zhuǎn)速的變化并不是線性關(guān)系，通過擬合發(fā)現(xiàn)排氣流量隨轉(zhuǎn)速近似為2次方關(guān)系：

G=0.650 8N2+0.325 3N+0.034 26

式中：G為排氣流量標(biāo)幺值；N為燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速標(biāo)幺值。

圖3 排氣流量隨轉(zhuǎn)速變化關(guān)系

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)速標(biāo)幺值為0.08，即燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速在4 000 r/min附近時(shí)，壓氣機(jī)流量降為0。轉(zhuǎn)速上升后，排氣流量緩慢上升，說明燃?xì)廨啓C(jī)在轉(zhuǎn)速為4 000 r/min附近時(shí)產(chǎn)生喘振，造成堵塞。啟動(dòng)過程應(yīng)快速通過，避免在該轉(zhuǎn)速下停留。

2.3 噴油量與燃油泵給定頻率關(guān)系

噴油量由噴油嘴構(gòu)型、燃油壓力等多因素決定。在噴油嘴和燃油泵確定的情況下，噴油量由燃油泵轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，啟動(dòng)過程中通過調(diào)節(jié)燃油泵轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)噴油量，因此有必要研究噴油量與燃油泵轉(zhuǎn)速的關(guān)系。噴油量與燃油泵給定頻率的關(guān)系如圖4所示，可以近似為2次方關(guān)系，關(guān)系表達(dá)式為：

Gf=-4.703 4Nf2+4.177 1Nf+0.006 2

式中：Gf為噴油量標(biāo)幺值；Nf為燃油泵轉(zhuǎn)速標(biāo)幺值。

圖4 噴油量與燃油泵給定頻率關(guān)系

2.4 燃油泵頻率增加速度和啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)頻率增加速度變化規(guī)律

在整個(gè)啟動(dòng)過程中，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)和渦輪共同加速的第2階段是最復(fù)雜的、最難操控的階段，因?yàn)樵诘?階段要同時(shí)調(diào)節(jié)啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)頻率和燃油泵頻率兩個(gè)變量，以達(dá)到電動(dòng)機(jī)電流不超限、渦輪后溫度不超溫的要求。第2階段燃油泵頻率和啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)頻率的增加規(guī)律對(duì)啟動(dòng)性能影響最大，二者需要相互配合。共同加速階段各參數(shù)變化趨勢(shì)如圖5所示。

(a)啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、燃油泵轉(zhuǎn)速變化曲線

(b)啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)電流、燃燒室出口溫度變化曲線

手動(dòng)啟動(dòng)過程中，在第250 s開始供油。手動(dòng)啟動(dòng)控制邏輯可以分為3段，如圖5(a)所示。

A-B段為剛剛點(diǎn)火成功的階段。根據(jù)燃燒室所設(shè)計(jì)的燃空比確定點(diǎn)火初始噴油量，進(jìn)而確定燃油泵初始轉(zhuǎn)速為0.055 pu，噴油量剛開始存在較大峰值，并且空氣流量較小。從圖5(b)可知，渦輪后溫度迅速上升，渦輪開始做功，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)做功減少，電動(dòng)機(jī)電流迅速下降，手動(dòng)控制下快速增加啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)頻率，升高轉(zhuǎn)速，進(jìn)而增大進(jìn)氣量，防止渦輪后溫度超限。同時(shí)，剛點(diǎn)火成功時(shí)燃燒室富油燃燒，排煙較大，如果快速增加進(jìn)氣量，就能夠改善油氣比，減小排煙污染。

B-C段放緩了轉(zhuǎn)速增加速率，同時(shí)緩慢增加供油量。隨著轉(zhuǎn)速的增大，燃?xì)廨啓C(jī)的啟動(dòng)功率增大，同時(shí)噴油量基本不變，渦輪做功保持不變，進(jìn)而啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)分擔(dān)的功率增加，電動(dòng)機(jī)電流增大。為了不讓電動(dòng)機(jī)電流超限，采取降低啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升速率的措施。同時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的增大，排氣流量也增大，這導(dǎo)致燃燒室出口溫度下降。為了避免燃燒室出口溫度過快下降，造成渦輪做功減少，采取適當(dāng)增加供油量的措施，將燃燒室出口溫度維持在合理溫度，進(jìn)而增加渦輪做功，減輕啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率負(fù)擔(dān)。

C-D段啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)頻率按照一定速率均勻上升，其增加速率小于A-B段速率。同時(shí)，噴油量按照先慢后快的規(guī)律逐漸增加。隨著轉(zhuǎn)速的均勻上升，排氣流量按2次方關(guān)系隨燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速的增加而迅速增大。為了維持渦輪出口溫度，需要快速增加噴油量。在轉(zhuǎn)速到達(dá)0.7 pu之后可以由渦輪單獨(dú)帶動(dòng)壓氣機(jī)加速，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)可以脫離。

上述控制規(guī)律實(shí)現(xiàn)了啟動(dòng)過程中電動(dòng)機(jī)電流不超限的目標(biāo)，最后使得啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)電流逐漸減小，直至為0，從而使啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)安全脫離。

3 自動(dòng)啟動(dòng)策略設(shè)計(jì)

根據(jù)手動(dòng)啟動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將啟動(dòng)過程主要分3段。第1階段啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)單獨(dú)帶動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子加速；第2階段為燃燒室點(diǎn)火之后，由渦輪和啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)共同帶動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)；第3階段為啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)脫離之后，由渦輪單獨(dú)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子加速到額定轉(zhuǎn)速。啟動(dòng)過程如圖6所示。

圖6 燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)過程

3.1 冷加速階段

冷加速階段細(xì)分為以下三階段：

1)A-B冷加速。由啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)從轉(zhuǎn)速0加速至冷盤轉(zhuǎn)速3 000 r/min，即約0.06 pu轉(zhuǎn)速，升速率為80 r/s2。

2)B-C冷盤。燃?xì)廨啓C(jī)在啟動(dòng)之前應(yīng)該進(jìn)行一定時(shí)間的冷盤，冷盤時(shí)保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定30 s。

3)C-D冷加速。由啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)速至點(diǎn)火轉(zhuǎn)速11 800 r/min，升速率為80 r/s2。

3.2 共同加速階段

共同加速階段細(xì)分為以下兩個(gè)階段：

1)D-E點(diǎn)火。燃?xì)廨啓C(jī)加速至點(diǎn)火轉(zhuǎn)速后，維持轉(zhuǎn)速5 s，將燃油泵初始轉(zhuǎn)速設(shè)定為0.055 pu，燃油泵建立壓力，噴入設(shè)定噴油量，啟動(dòng)點(diǎn)火器。

2)E-F共同加速。點(diǎn)火成功之后，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速按照100 r/s2的升速率開始增加，燃油泵轉(zhuǎn)速采用比例積分(Proportional Integral，PI)控制，噴油量逐漸增加，在啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)和渦輪的共同帶動(dòng)下，轉(zhuǎn)速開始上升至自持轉(zhuǎn)速0.76 pu。

3.3 自加速階段

自加速階段細(xì)分為以下兩個(gè)階段：

1)F-G啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)脫離。機(jī)組到達(dá)自持轉(zhuǎn)速之后，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不再增加，燃油泵轉(zhuǎn)速按照0.003 pu/s的升速率提升轉(zhuǎn)速，供油量繼續(xù)增加，直至啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)電流低于5 A。關(guān)閉啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，由渦輪單獨(dú)帶動(dòng)壓氣機(jī)。

2)G-H自加速。啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)脫離后，燃油泵轉(zhuǎn)速按照0.003 pu/s的升速率提升轉(zhuǎn)速，供油量繼續(xù)增加，渦輪做功增加，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升。機(jī)組加速至額定轉(zhuǎn)速后進(jìn)入轉(zhuǎn)速比例積分微分(Proportional Integral Differentiation, PID)控制階段，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速。

3.4 電流比例積分控制

在共同加速階段，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速按照固定斜率上升，燃油泵轉(zhuǎn)速由電流比例積分控制，每次增加ΔNf。電流PI控制的是燃油泵給定轉(zhuǎn)速增加ΔNf的時(shí)間間隔。當(dāng)電動(dòng)機(jī)電流大于設(shè)定值時(shí)，減小燃油泵轉(zhuǎn)速加速的時(shí)間間隔，即更快地增加燃油泵頻率，更快地增加噴油量，從而使渦輪做功增大，使得啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)分擔(dān)的啟動(dòng)功率減小，進(jìn)而減小啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電流。當(dāng)電動(dòng)機(jī)電流小于設(shè)定值時(shí)，渦輪做功較大，此時(shí)需要增大燃油泵轉(zhuǎn)速增加的時(shí)間間隔，從而減小噴油量的增加速率，使得啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)分擔(dān)的啟動(dòng)功率增大，進(jìn)而使啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電流增大。E-F段ΔNf取值0.005 pu，即燃油泵轉(zhuǎn)速每次增加15 r/min，每次加速的時(shí)間間隔由PI控制，如圖7所示，以將啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電流維持在35 A附近。按照這樣的控制方法，能夠?qū)崿F(xiàn)噴油量只增加不減少，避免了由于PI控制造成的噴油量波動(dòng)，導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定的情況。

圖7 電流比例積分控制

燃?xì)廨啓C(jī)保護(hù)措施是控制邏輯中必不可少的一環(huán)。在燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)過程中容易發(fā)生啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)超扭矩、渦輪后溫度超溫等事故。針對(duì)上述兩種情況，本文擬設(shè)置保護(hù)措施。啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)為：堵轉(zhuǎn)電流70 A，額定電流51 A,最大峰值電流144 A。這意味著啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)長期穩(wěn)定工作的電流應(yīng)小于70 A。為防止出現(xiàn)啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)超扭矩的情況，設(shè)定啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)保護(hù)程序，將其最大持續(xù)輸出電流設(shè)定為65 A。這雖然會(huì)減緩燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)速度，增加啟動(dòng)時(shí)長，但是可以確保啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)設(shè)備的安全運(yùn)行。同時(shí)，本文增加了燃油增速的低選環(huán)節(jié)，當(dāng)渦輪后溫度超過650 ℃時(shí)，設(shè)定燃油增速的最低值，防止燃油量的過快增加造成渦輪后溫度的進(jìn)一步增加。

4 自動(dòng)啟動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本文按照自動(dòng)啟動(dòng)策略編寫控制程序，并在試驗(yàn)室的燃?xì)廨啓C(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)同樣記錄了燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速、啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、燃油泵轉(zhuǎn)速、排氣流量、噴油量、啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)電流、燃燒室出口溫度、渦輪后溫度等數(shù)據(jù)。自動(dòng)啟動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖8所示，其變化趨勢(shì)與手動(dòng)啟動(dòng)模式類似。試驗(yàn)證明自動(dòng)啟動(dòng)控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)的順利啟動(dòng)，燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速按照設(shè)定好的程序進(jìn)行加速，電動(dòng)機(jī)電流沒有超過70 A的限定值，燃燒室出口溫度沒有超限，總啟動(dòng)時(shí)間約為460 s。然而，自動(dòng)控制下的電動(dòng)機(jī)電流波動(dòng)較大，在到達(dá)自持轉(zhuǎn)速附近才穩(wěn)定在35 A。共同加速階段自動(dòng)啟動(dòng)頻率給定規(guī)律如圖9所示。

(a) 燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速、啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、燃油泵轉(zhuǎn)速變化曲線

(b) 噴油量、排氣流量變化曲線

(c) 啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)電流波動(dòng)曲線

(d) 燃燒室出口溫度變化曲線

(a) 啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、燃油泵轉(zhuǎn)速變化曲線

(b) 啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)電流、燃燒室出口溫度變化曲線

從圖2(c)手動(dòng)啟動(dòng)數(shù)據(jù)可以看出手動(dòng)啟動(dòng)下電動(dòng)機(jī)電流存在較多峰值，但整體電流平穩(wěn)，點(diǎn)火成功后不存在震蕩，燃燒室出口溫度更加均勻，波動(dòng)小，而電流的峰值是由于手動(dòng)控制的間斷性造成的。從圖8(c)自動(dòng)啟動(dòng)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)中可以看出，雖然電動(dòng)機(jī)電流階躍型峰值較少，但存在較大震蕩，超過了報(bào)警限值，且燃燒室出口波動(dòng)較大。

啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)電流超過56 A便會(huì)報(bào)警，持續(xù)超過65 A便會(huì)觸發(fā)超扭保護(hù)。從自動(dòng)啟動(dòng)記錄來看，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)電流最大值超過了56 A，達(dá)到了報(bào)警限值，但是并未觸發(fā)保護(hù)。該電流控制效果受多種因素影響，除了PI參數(shù)外，還受壓氣機(jī)進(jìn)口溫度和壓力，以及燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)體溫度的影響。在自動(dòng)啟動(dòng)方式下，電動(dòng)機(jī)電流經(jīng)常產(chǎn)生大幅震蕩，甚至因此而觸發(fā)保護(hù)，造成啟動(dòng)緩慢。

從圖9(b)可以看出，電動(dòng)機(jī)電流與渦輪后溫度呈相反的變化趨勢(shì)，渦輪后溫度對(duì)電動(dòng)機(jī)電流影響最大。在轉(zhuǎn)速較低的階段，渦輪后溫度變化對(duì)電動(dòng)機(jī)電流影響更大，前者稍有波動(dòng)便會(huì)造成后者大幅震蕩。

5 結(jié)論與展望

本文總結(jié)了手動(dòng)啟動(dòng)微型燃?xì)廨啓C(jī)控制規(guī)律的方法，分析了微型燃?xì)廨啓C(jī)在不同啟動(dòng)階段的參數(shù)變化規(guī)律，著重分析了供油量和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間的配合規(guī)律，進(jìn)而設(shè)計(jì)出自動(dòng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速上升曲線和啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)電流PI控制策略，最終通過試驗(yàn)，驗(yàn)證了自動(dòng)啟動(dòng)控制規(guī)律的可行性和有效性。

本文的研究對(duì)象為單軸微型燃?xì)廨啓C(jī)，對(duì)于同類型燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)控制策略的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值，也可為其他類型燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)控制策略的設(shè)計(jì)提供參考。但是，試驗(yàn)需要在修改冷盤轉(zhuǎn)速、點(diǎn)火轉(zhuǎn)速、初始噴油量、轉(zhuǎn)速上升速率，以及啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)脫離轉(zhuǎn)速等參數(shù)后，才能進(jìn)行。自動(dòng)啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)電流波動(dòng)大的問題會(huì)影響微型燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)的可靠性。自動(dòng)啟動(dòng)存在啟動(dòng)時(shí)間短、不需要人為調(diào)控、啟動(dòng)過程更加流暢的特點(diǎn)，但同時(shí)也存在啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)電流震蕩嚴(yán)重的問題。通過分析手動(dòng)啟動(dòng)和自動(dòng)啟動(dòng)的數(shù)據(jù)，本文對(duì)改進(jìn)自動(dòng)啟動(dòng)策略提出以下建議：

1)將自動(dòng)啟動(dòng)共同加速階段的啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速斜率設(shè)置為3個(gè)不同的值：在點(diǎn)火初期，轉(zhuǎn)速快速上升，此時(shí)增加進(jìn)氣量，防止渦輪后溫度超限；點(diǎn)火成功一段時(shí)間(大約1 min)后降低轉(zhuǎn)速上升速率，進(jìn)而降低進(jìn)氣量增加速度，防止由于進(jìn)氣量的增加造成燃燒室出口溫度過快降低；最后設(shè)定合適的上升斜率，帶動(dòng)轉(zhuǎn)速上升至自持轉(zhuǎn)速。

2)手動(dòng)啟動(dòng)是基于經(jīng)驗(yàn)的啟動(dòng)模式，而模糊控制是將經(jīng)驗(yàn)程序化的控制策略，可以用模糊控制取代PI控制。

3)電流PI控制僅參考電動(dòng)機(jī)電流這一個(gè)變量，而在手動(dòng)啟動(dòng)過程中，供油量增加速率還會(huì)參考渦輪后溫度變化趨勢(shì)來進(jìn)行控制?？梢詫u輪后溫度變化量作為調(diào)節(jié)量之一，制定控制策略。