航空發(fā)動機電液伺服系統(tǒng)機載模型監(jiān)控設(shè)計

李 瑜，郝圣橋，王法全，孫 賓

（中國航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇無錫214063）

0 引言

電液伺服系統(tǒng)由于技術(shù)成熟、功率密度大、環(huán)境耐受性較好，被廣泛應用于航空發(fā)動機燃油計量、風扇或壓氣機導葉角度、噴口面積、矢量噴管角度的控制[1]。航空發(fā)動機控制中的電液伺服系統(tǒng)主要由電子控制器伺服控制模塊和液壓機械裝置組成。當系統(tǒng)中相關(guān)元部件出現(xiàn)異常時，電液伺服系統(tǒng)可能無法準確跟蹤控制指令，從而引起控制功能降級、航空發(fā)動機工作異常，甚至造成飛機無法派遣[2]、飛行器失控[3]等后果。如何監(jiān)控電液伺服系統(tǒng)的故障一直是航空發(fā)動機安全性設(shè)計的重要內(nèi)容。

在航空航天等重要裝備應用領(lǐng)域，國外已從BIT（機內(nèi)自檢測）技術(shù)發(fā)展到機載模型監(jiān)控技術(shù)來提高系統(tǒng)的安全性。Goupil P[4]介紹了空客A380飛機使用的機載模型監(jiān)控技術(shù)；Cox N[5]介紹了機載模型監(jiān)控在火星車著陸系統(tǒng)的應用；Lavigne L 等[6-8]、Goupil[9]重點描述機載模型監(jiān)控技術(shù)在電傳飛控電液伺服系統(tǒng)的舵機早期故障診斷中的應用。中國學者也開展了相關(guān)研究，江澄等[10]提出在發(fā)動機電子控制器中采用BIT 電路來對電液轉(zhuǎn)換元件、位置傳感器等元部件斷線、短路故障進行檢測；蔣平國等[11]較早探索了伺服回路的機載模型故障診斷方法；何佳倩等[12]、梁紅等[13]采用卡爾曼濾波方法來估計執(zhí)行機構(gòu)或傳感器的故障；朱紀洪等[14]提出一種基于舵機特征模型的故障診斷技術(shù)；賈盼盼等[15]提出采用1 階慣性環(huán)節(jié)作為伺服回路的模型，并通過比較方式來實現(xiàn)伺服回路部分故障的快速診斷。

BIT 技術(shù)成熟可靠，但難以檢測液壓機械裝置中相關(guān)元部件性能衰減、卡滯、零偏漂移等問題，容易引發(fā)電液伺服系統(tǒng)功能失效。而機載模型監(jiān)控是一種靈活性好、成本低、故障覆蓋率高的方法，可以彌補航空發(fā)動機BIT 技術(shù)的不足。不過，雖然國內(nèi)外在機載模型監(jiān)控有諸多文獻報道，但是工程上實用、易被參考借鑒的機載模型監(jiān)控技術(shù)應具備如下特點：（1）實時性：算法簡潔、模型代碼運行效率高；（2）健壯性：能適應對象參數(shù)的分散及性能退化；（3）準確性：模型誤差應足夠小，以保證故障覆蓋率或檢測的靈敏度；（4）容錯性：監(jiān)控到異常或故障后應具備一定的容錯能力，通過改變控制策略避免系統(tǒng)過快降級或功能失效。

本文圍繞上述特點，以航空發(fā)動機最重要的控制回路——燃油計量伺服系統(tǒng)為例，提出一種模型特征參數(shù)可自動辨識的模型監(jiān)控方法。

1 機載模型監(jiān)控

某航空發(fā)動機用于燃油計量控制的電液伺服系統(tǒng)如圖1 所示。從圖中可見，其液壓機械裝置主要由主控/備份電液伺服閥、用于主控/備份模式切換的電磁閥、轉(zhuǎn)換活門、計量活門、位置傳感器（Linear Vari?able Differential Transformer，LVDT）及相應的油路組成，并與發(fā)動機電子控制器一起構(gòu)成電液伺服系統(tǒng)。

圖1 某發(fā)動機燃油計量電液伺服系統(tǒng)

其工作過程為：電液伺服閥在發(fā)動機電子控制器控制電流的作用下，輸出對應的控制油，并通過轉(zhuǎn)換活門后控制計量活門的開度進而控制輸出至燃燒室的燃油流量。計量活門的開度通過LVDT 輸出位置反饋信號至發(fā)動機電子控制器，由電子控制器根據(jù)供油指令的要求實施閉環(huán)伺服控制。

根據(jù)該項目實際架構(gòu)，本文提出的機載模型監(jiān)控的概念方案如圖2所示。

圖2 機載模型監(jiān)控的概念方案

其方法是：根據(jù)液壓機械裝置的相關(guān)特性，建立對象的線性模型，并根據(jù)控制帶寬，忽略遠在控制帶寬之外的高階環(huán)節(jié)，確定對應簡化的實時模型，驗證模型的誤差。實時模型的相關(guān)參數(shù)預設(shè)公稱值，并在發(fā)動機控制系統(tǒng)自檢時進行辨識與更新，以便適應對象特性的分散性及性能衰減。實時模型、控制算法、監(jiān)控算法經(jīng)程序編碼后，均在線運行于發(fā)動機電子控制器上。監(jiān)控算法實時地比較模型輸出和真實對象的輸出，當真實對象出現(xiàn)異?；蚬收蠒r，其輸出參量將與模型輸出參量出現(xiàn)差異，監(jiān)控算法識別這些異?；蚬收?，視情上報，并根據(jù)相關(guān)處置策略對控制算法進行修正或變更甚至補償，以最大限度地防止功能失效或降級，達到容錯運行的目的，從而提高控制系統(tǒng)的安全性和可靠性。

2 機載模型設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 機載模型概述

航空發(fā)動機電液伺服系統(tǒng)的狀態(tài)有正常、異常和故障3 種。當前電液伺服系統(tǒng)最常見的問題是由于污染、磨損等引起電液轉(zhuǎn)換元件零偏漂移以及位置傳感器反饋異常、管道泄漏等現(xiàn)象引起的被控對象位置跟蹤異常。這些異常和故障不能很好地被檢測、隔離或修正，因此易導致控制品質(zhì)的降低、系統(tǒng)快速降級甚至失效等。

根據(jù)航空發(fā)動機電液伺服系統(tǒng)主要存在的異常和故障，本文研究的模型監(jiān)控可監(jiān)測如下異常或故障：（1）最大、最小位置范圍；（2）速度增益；（3）跟蹤誤差；（4）電液轉(zhuǎn)換元件零偏漂移。

同時，在設(shè)定的范圍里，監(jiān)控算法通過增加補償電流或占空比來彌補電液轉(zhuǎn)換元件零偏的漂移，通過調(diào)整伺服控制算法的增益來減小跟蹤誤差，從而提高電液伺服系統(tǒng)的容錯能力。

2.2 機載模型設(shè)計

2.2.1 液壓機械裝置建模與仿真

根據(jù)某燃油計量裝置（Fuel Metering Unit，F(xiàn)MU）相關(guān)元部件和結(jié)構(gòu)參數(shù)，在AMESim 中建立全功能的模型，如圖3 所示。并根據(jù)實物測試數(shù)據(jù)對該液壓機械裝置的模型進行校準。

圖3 某FMU液壓機械裝置模型

2.2.2 從AMESim模型到實時模型

為使模型能夠運行于電子控制器中，需要對AMESim 模型進行實時化，并根據(jù)控制帶寬要求進行相應簡化。由于電液伺服閥、LVDT、伺服閥驅(qū)動電路等元部件的帶寬遠超過電液伺服回路的控制帶寬，可以用比例環(huán)節(jié)或小慣性環(huán)節(jié)來代替以簡化模型。這樣，以控制電流為輸入，以計量活門位置為輸出，模型中的主體部分用傳遞函數(shù)表示為

由于燃油計量裝置在定壓油下工作，且在實際工作時，伺服閥工作在零位的線性區(qū)域附近，因而該比例-積分-慣性組合的線性模型可適用對象的各種工況。模型中相關(guān)參數(shù)可根據(jù)AMESim 模型或?qū)嶋H測試結(jié)果確定。該傳遞函數(shù)在編程時通過差分方程予以實現(xiàn)，能夠?qū)崟r地運行于電子控制器中。燃油計量裝置的伺服控制接口及以傳遞函數(shù)表征的實時模型建模設(shè)計如圖4所示。

圖4 FMU伺服控制接口及實時模型建模

對如圖3、4 所示的模型進行編譯和仿真運行，在斜坡和階躍響應測試下，位置指令、傳感器反饋位置和模型計算位置的曲線對比驗證如圖5 所示，傳感器反饋位置與模型計算位置的差值如圖6所示。

圖5 斜坡及階躍仿真時實時模型與AMESim模型對比

圖6 實時模型與AEMSim模型計算位置的差值

從圖6 中可見，實時模型計算的位置具備較好的精度，與AMESim 全功能模型相比，其動態(tài)（階躍響應過程中）最大誤差不超過0.14 mm（對應13 mm量程），約為1.1%FS.（Full Scale）；穩(wěn)態(tài)誤差最大不超過0.07 mm，約為0.06%FS.。監(jiān)控算法閾值設(shè)置時，需包容模型自身的誤差，一般不小于3 倍，并應根據(jù)實際情況來設(shè)置，避免虛警和漏檢。

2.3 編程實現(xiàn)

實時化后，模型與監(jiān)控算法均使用C 語言實現(xiàn)。根據(jù)條件，模型監(jiān)控代碼可以單獨編制并分區(qū)存放；也可以與發(fā)動機控制中燃油計量控制程序一起編制。模型監(jiān)控算法中主要用到的變量見表1，模型監(jiān)控中異常/故障的狀態(tài)碼見表2。

模型監(jiān)控程序分為2 部分，前者在發(fā)動機點火前運行1 次，主要實施電液伺服系統(tǒng)自檢和模型監(jiān)控相關(guān)參數(shù)的更新，其程序功能見表3；后者則在發(fā)動機點火后周期性運行，主要實施監(jiān)控和補償，其程序功能見表4。

表1 模型監(jiān)控數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體中主要變量

表2 模型監(jiān)控的狀態(tài)碼

表3 發(fā)動機點火前主要程序功能

3 測試驗證

3.1 機載模型驗證

模型有2 個主要參量：模型計算的位置值和伺服閥電流值。燃油計量裝置在階躍響應（與仿真位置指令值相同）下，位置指令、傳感器反饋位置、模型計算的位置響應曲線如圖7 所示，其誤差見表5。從圖中可見，與圖5、6的仿真結(jié)果相差較小。

表4 發(fā)動機點火后主要程序功能

圖7 階躍控制時，模型計算位置與傳感器反饋位置響應

表5 模型計算位置與傳感器反饋位置的誤差極值

3.2 監(jiān)控算法的驗證

在模型監(jiān)控中，監(jiān)控算法及對控制算法的修正和補償試驗結(jié)果見表6。

對伺服閥另一個線圈注入15 mA 電流（注：電流比例0～100%對應-40～+40 mA），模擬零偏電流漂移的異常狀態(tài)，模型監(jiān)控算法的異常監(jiān)測和自動補償?shù)倪^程如圖8 所示。從圖中可見，當伺服閥零位出現(xiàn)較大的漂移時，位置控制靜差將逐漸加大，模型計算的電流值也與實際控制電流值出現(xiàn)差異，滿足算法設(shè)置條件后，監(jiān)控算法確認零偏電流異常，并立刻進行了自動補償，從而消除了位置控制的靜差，實現(xiàn)了容錯運行。

圖8 零偏電流異常監(jiān)測和補償過程

表6 監(jiān)控算法的驗證

4 結(jié)束語

本文介紹了一種實用的航空發(fā)動機電液伺服系統(tǒng)機載模型監(jiān)控的設(shè)計方法和正向開發(fā)過程，并介紹試驗臺的驗證結(jié)果。過程和結(jié)果表明機載模型監(jiān)控算法具有如下特點：

（1）較高的準確性：機載模型計算的位置在動態(tài)、穩(wěn)態(tài)過程中與傳感器反饋位置相比吻合較好，最大相對誤差不超過1.4%FS.；

（2）較好的健壯性：模型在自檢時通過計量活門的打開、關(guān)閉測試時，更新模型參數(shù)使得其能適應對象的分散和性能衰減；

（3）較好的故障診斷和容錯能力：模型監(jiān)控算法能夠診斷較多的異常和故障，還能對電液伺服閥常見的零偏漂移等問題進行自動補償和容錯運行。

本文提到的模型監(jiān)控設(shè)計方法及其完整的正向設(shè)計過程可為航空發(fā)動機及其他要求高安全性和可靠性的類似領(lǐng)域電液伺服系統(tǒng)機載模型監(jiān)控的設(shè)計提供參考。