基于LabVIEW的航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)流葉片虛擬調(diào)試技術(shù)

李煦陽， 馬 克， 程 波， 楊俊坤

(成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川 成都 610073)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)導(dǎo)流葉片偏轉(zhuǎn)角度的性能調(diào)試是一項(xiàng)特別重要的工作，壓氣機(jī)導(dǎo)流葉片偏轉(zhuǎn)角度直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣空氣流量[1-2]；如果壓氣機(jī)導(dǎo)流葉片偏轉(zhuǎn)角度不能快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地調(diào)節(jié)，將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生葉盆或葉背氣流分離，進(jìn)而引發(fā)喘振[3]，直接影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車安全和飛行安全。

目前，國內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制器較多采用機(jī)械液壓控制器[4]。機(jī)械液壓控制器技術(shù)成熟，可靠性高，特別是引入三維凸輪等計(jì)算裝置[5]，使機(jī)械液壓控制器功能也比較強(qiáng)大，能夠生成復(fù)雜控制指令完成高性能控制任務(wù)。但是機(jī)械液壓控制器結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度比較低；而作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，采用高權(quán)限的數(shù)字化自動(dòng)控制系統(tǒng)，以及基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的高自主度自動(dòng)控制系統(tǒng)[6]，可以提供比機(jī)械液壓控制方式更為精確的控制，且在應(yīng)對發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜工況下的系統(tǒng)工作參數(shù)應(yīng)變調(diào)節(jié)時(shí)，系統(tǒng)自身也具有相較于機(jī)械液壓控制方式更好的魯棒性，但該控制方式仍依賴于機(jī)械作動(dòng)機(jī)構(gòu)、電磁控制閥門等執(zhí)行部件完成控制的最終反饋。

不論是采用何種控制方式，均很有必要對航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)壓氣機(jī)導(dǎo)流葉片偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對導(dǎo)流葉片偏轉(zhuǎn)角度偏離理想指令曲線的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。傳統(tǒng)的調(diào)整方法是基于人工經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)場調(diào)試，即進(jìn)行多次發(fā)動(dòng)機(jī)試車迭代調(diào)試，消耗大量燃油和發(fā)動(dòng)機(jī)額定工作小時(shí)數(shù)，為此，有必要開發(fā)一種能實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)流葉片偏轉(zhuǎn)角度性能特性的方法和工具。

虛擬儀器技術(shù)[7]是近年來發(fā)展迅速的一種直觀高效的測控解決方案，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的不斷發(fā)展，虛擬儀器已經(jīng)具有了非常強(qiáng)大的可開發(fā)性和可擴(kuò)展性，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)測控和實(shí)驗(yàn)室研究中[8]。其中，由NI公司出品的圖形化編程軟件LabVIEW是使用最廣泛的計(jì)算機(jī)虛擬儀器編程語言[9]，它具有直觀、生動(dòng)、界面友好、功能強(qiáng)大、兼容性好等眾多優(yōu)點(diǎn)。在國內(nèi)，南昌航空大學(xué)的陳松林[10]曾利用LabVIEW系統(tǒng)開發(fā)了針對旋翼系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與處理軟件。李文等[11]則在LabVIEW環(huán)境下進(jìn)行了電機(jī)噪聲測試系統(tǒng)研究。

近年來，在不可直接測量的特殊過程及狀態(tài)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)或環(huán)境下的工程實(shí)施中，更多地采用基于LabVIEW的虛擬調(diào)試技術(shù)向?qū)崿F(xiàn)圖形可視化、簡易化、仿真化的方向發(fā)展，如李丁成等[12]利用虛擬儀器測試航空發(fā)動(dòng)機(jī)高速軸承試驗(yàn)機(jī)，通過遠(yuǎn)程測控實(shí)現(xiàn)了對試驗(yàn)人員的安全保障。胡偉等[13]以虛擬調(diào)試技術(shù)完成了機(jī)載產(chǎn)品模擬機(jī)上環(huán)境的各項(xiàng)復(fù)雜條件測試。基于該思路，從航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)導(dǎo)流葉片調(diào)試執(zhí)行難度大的工程實(shí)際出發(fā)，以LabVIEW 2017為軟件開發(fā)平臺(tái)，對飛參數(shù)據(jù)[14]進(jìn)行二次開發(fā)，設(shè)計(jì)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)導(dǎo)流葉片偏轉(zhuǎn)角度顯示、分析、調(diào)試系統(tǒng)，并通過多次試車實(shí)測數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證，與傳統(tǒng)方法相比較，能夠更高效地滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)流葉片偏轉(zhuǎn)角度性能特性的監(jiān)控和調(diào)試需求。

1 控制系統(tǒng)介紹

典型的航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)流葉片偏轉(zhuǎn)控制規(guī)律特性[5]如圖1所示。

圖1 導(dǎo)流葉片偏轉(zhuǎn)角度控制特性

典型的航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)流葉片偏轉(zhuǎn)機(jī)械液壓控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 導(dǎo)流葉片偏轉(zhuǎn)角度控制系統(tǒng)

由圖2可知，控制系統(tǒng)分為指令生成部分和閉環(huán)負(fù)反饋控制部分。排除采集系統(tǒng)誤差情況，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，壓氣機(jī)導(dǎo)流葉片實(shí)際偏轉(zhuǎn)角度偏離理論線，原因可能來自于穩(wěn)態(tài)時(shí)控制指令本身偏離理論線，變化狀態(tài)即動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程超調(diào)量過大或控制系統(tǒng)輸出端受擾動(dòng)所致。有必要對發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)壓氣機(jī)導(dǎo)流葉片實(shí)際偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行監(jiān)控，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。這里選取某典型航空發(fā)動(dòng)機(jī)，其壓氣機(jī)導(dǎo)流葉片偏轉(zhuǎn)角度遵循上述機(jī)械液壓控制系統(tǒng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械液壓控制器上設(shè)置有特性調(diào)整螺釘，命名為D1、D2，可以在發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)條件允許的調(diào)整范圍轉(zhuǎn)動(dòng)一定圈數(shù)，分別按設(shè)計(jì)規(guī)律調(diào)整穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)指令，需要特別指出的是，動(dòng)態(tài)工作過程隨著時(shí)間推移會(huì)逐漸收斂到穩(wěn)態(tài)工作過程，所以穩(wěn)態(tài)指令是基礎(chǔ)，調(diào)整時(shí)應(yīng)首先調(diào)整穩(wěn)態(tài)過程再調(diào)整動(dòng)態(tài)過程。

2 調(diào)試方法

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)重要參數(shù)如油門桿位置和轉(zhuǎn)速來定義穩(wěn)態(tài)工作過程和過渡態(tài)(動(dòng)態(tài))工作過程，將發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)壓氣機(jī)導(dǎo)流葉片實(shí)際偏轉(zhuǎn)角度飛參數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，以確定需要調(diào)整的工作狀態(tài)是穩(wěn)態(tài)過程或動(dòng)態(tài)過程。

其次，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的實(shí)測值與理論線之間的歸一化廣義距離計(jì)算調(diào)整量實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)試或通過直接手動(dòng)調(diào)試給出調(diào)整量。

定義發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)過程為dg/dt≤c1且dn/dt≤c2,g、n、c1、c2、t分別為油門桿位置、壓氣機(jī)物理轉(zhuǎn)速、門限值常數(shù)和工作時(shí)間定義值。對于常規(guī)結(jié)構(gòu)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，其各穩(wěn)態(tài)下油門桿角度均限定在特定的角度范圍內(nèi)，而對應(yīng)于不同穩(wěn)態(tài)時(shí)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作均保持恒定，表征其主要工作性能的壓氣機(jī)物理轉(zhuǎn)速即在其控制系統(tǒng)給定的上、下限值范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)變化。如某航空發(fā)動(dòng)機(jī)，其在慢車狀態(tài)下的高壓壓氣機(jī)物理轉(zhuǎn)速就由其控制系統(tǒng)限定在(70±2)%，超出該狀態(tài)要求的油門桿角度值或壓氣機(jī)物理轉(zhuǎn)速值均會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)脫離當(dāng)前穩(wěn)定工作狀態(tài)[15]。

定義壓氣機(jī)導(dǎo)流葉片偏轉(zhuǎn)角度函數(shù)關(guān)系：動(dòng)態(tài)允許左邊界、右邊界分別為αdl=f(nhs)、αdr=f(nhs);穩(wěn)態(tài)允許左邊界、右邊界分別為αwl=f(nhs)、αwr=f(nhs);理論線為α=f(nhs)。

定義m是每次試車采樣點(diǎn)數(shù)，則壓氣機(jī)導(dǎo)流葉片實(shí)際偏轉(zhuǎn)角度實(shí)測值為(nhsi,ααi),i=1,2,…,m，ααi為nhsi對應(yīng)的理論線值。

定義pwl、pwr、pdl、pdr分別是穩(wěn)態(tài)工作過程實(shí)測值左、右偏離理論線和動(dòng)態(tài)工作過程實(shí)測值左、右偏離理論線的程度。

發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，實(shí)測值(nhsi,ααi)向左右偏離理論線的程度由式(1)、式(2)給出。

(1)

(2)

發(fā)動(dòng)機(jī)處于動(dòng)態(tài)工作過程，實(shí)測值(nhsi,ααi)向左右偏離理論線的程度由式(3)、式(4)給出。

(3)

(4)

定義pw1=(pwl+pwr)和pw2=|pwl-pwr|,分別表示穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)的分散程度和偏離理論線程度。同理定義動(dòng)態(tài)參數(shù)pd1=(pdl+pdr)和pd2=|pdl-pdr|，分別表示動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)的分散程度和偏離理論線程度。

在該調(diào)試方法中，D1、D2調(diào)整螺釘分別代表了通過發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)對發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)時(shí)壓氣機(jī)導(dǎo)流葉片偏轉(zhuǎn)角度特性的人工修正干預(yù)深度，調(diào)整D1螺釘?shù)哪康氖鞘故?1)、式(2)取得最小值，即表征實(shí)際穩(wěn)態(tài)壓氣機(jī)導(dǎo)流葉片偏轉(zhuǎn)角度值的總集偏離葉片偏轉(zhuǎn)性能理論線的最小歐氏幾何距離；同理，調(diào)整D2螺釘?shù)哪康氖鞘故?3)、式(4)取得最小值，即達(dá)到動(dòng)態(tài)下該項(xiàng)偏離的最小距離值?；诖朔椒?，虛擬儀器的構(gòu)建算法可通過數(shù)次迭代運(yùn)算檢索，獲取D1、D2調(diào)整螺釘旋轉(zhuǎn)角度變化時(shí)，達(dá)成發(fā)動(dòng)機(jī)一次全狀態(tài)全周期工作過程內(nèi)的壓氣機(jī)導(dǎo)流葉片偏轉(zhuǎn)角度值的總集與理論線間最小歐氏幾何距離所需的最低旋轉(zhuǎn)角度變化值。

基于上述思路，建立了虛擬調(diào)試方法，其實(shí)現(xiàn)步驟為：根據(jù)工程實(shí)際情況，以每次調(diào)試c3圈為步長，c3可視為某一指定類型的航空發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行壓氣機(jī)偏轉(zhuǎn)角度調(diào)試時(shí)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)允許實(shí)際調(diào)整的最小控制精度，當(dāng)在該允許范圍內(nèi)調(diào)試時(shí)，首先虛擬調(diào)試D1，并搜尋調(diào)試過程min(pwl+pwr)對應(yīng)的D1位置作為最終調(diào)整位置。D2調(diào)試方法與D1類似，只是虛擬調(diào)試的步長不一樣。

其后，執(zhí)行調(diào)試效果驗(yàn)證,根據(jù)虛擬調(diào)試后的D1最終位置指導(dǎo)實(shí)際調(diào)整、試車，并計(jì)算式(1)～式(4)，且用虛擬儀器直觀顯示虛擬調(diào)試結(jié)果與實(shí)際調(diào)試結(jié)果的重合程度以及與理論線的重合程度。

3 虛擬調(diào)試實(shí)現(xiàn)

以發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工作過程為例，應(yīng)用LabVIEW語言編寫虛擬儀器，讀取發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行后錄取的飛參數(shù)據(jù)集中壓氣機(jī)導(dǎo)流葉片實(shí)際偏轉(zhuǎn)角度，對其進(jìn)行監(jiān)控，并在虛擬儀器上進(jìn)行虛擬調(diào)試，模擬實(shí)際調(diào)試過程，并通過試車驗(yàn)證虛擬調(diào)試效果。實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，壓氣機(jī)導(dǎo)流葉片偏轉(zhuǎn)角度實(shí)測值可能偏離設(shè)計(jì)理論線較嚴(yán)重，如圖3所示。

圖3 實(shí)測值偏離理論線虛擬調(diào)試示意圖

如圖3所示，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)壓氣機(jī)導(dǎo)流葉片實(shí)際偏轉(zhuǎn)角度實(shí)測值已明顯偏離理論線，且大轉(zhuǎn)速狀態(tài)已有工作點(diǎn)超出穩(wěn)態(tài)右邊界允許范圍，所以必須對其進(jìn)行調(diào)整?？梢酝ㄟ^圖中虛擬儀器進(jìn)行虛擬調(diào)試，然后指導(dǎo)實(shí)際調(diào)整?；趫D3中給出的偏離程度與偏離方向，將穩(wěn)態(tài)虛擬調(diào)整螺釘D1以手動(dòng)方式旋轉(zhuǎn)(沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng))12圈，即可得到比較滿意的導(dǎo)流葉片偏轉(zhuǎn)角度目標(biāo)值分布，據(jù)此可將發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)流葉片偏轉(zhuǎn)角度控制系統(tǒng)D1調(diào)整釘順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)12圈，試車驗(yàn)證如圖4所示。

圖4 手動(dòng)調(diào)試目標(biāo)值與調(diào)整后試車實(shí)測值對比

由圖4可以看出，根據(jù)虛擬調(diào)試指導(dǎo)，進(jìn)行實(shí)際調(diào)試，實(shí)測值與虛擬調(diào)試值分布高度重合，在各個(gè)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速段都均勻分布在理論工作線周圍，能保證發(fā)動(dòng)機(jī)安全高效工作。

需要指出的是，圖3、圖4只展示了虛擬儀器實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)試的功能，還可以進(jìn)一步計(jì)算優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)試，圖5為自動(dòng)調(diào)試結(jié)果。

圖5 自動(dòng)調(diào)試目標(biāo)值與調(diào)整后試車實(shí)測值對比

由圖5可知，自動(dòng)調(diào)試根據(jù)式(1)～式(4)，且以步長c3=0.1，最終計(jì)算出12.2圈虛擬調(diào)試圈數(shù)，與手動(dòng)調(diào)試結(jié)果相近。根據(jù)自動(dòng)調(diào)試計(jì)算出的值調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)，試車后實(shí)測值與虛擬調(diào)試值均與理論線高度重合，能保證發(fā)動(dòng)機(jī)安全高效工作。

需要注意的是，對于工程實(shí)際中的發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)試，由于各種型號發(fā)動(dòng)機(jī)在控制方式、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上的差異，自動(dòng)調(diào)試得出的調(diào)節(jié)程度并不能真實(shí)反映實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)上的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作情況；反之，各種型號發(fā)動(dòng)機(jī)上調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)精度也不盡相同，虛擬儀器所提供的手動(dòng)與自動(dòng)調(diào)節(jié)結(jié)果給工程實(shí)際中如何實(shí)施具體的調(diào)節(jié)介入提供了有效參考，可滿足更復(fù)雜條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際調(diào)節(jié)需求。

此外，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)流葉片偏轉(zhuǎn)角度輸出端有干擾時(shí)，例如隨著工作時(shí)間增加，在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)鉸鏈等出現(xiàn)隨機(jī)卡滯時(shí)，虛擬儀器監(jiān)控的導(dǎo)流葉片偏轉(zhuǎn)角度會(huì)比較分散，需要做維護(hù)工作，圖6、圖7顯示了發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)流葉片偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)清洗潤滑前后的工作性能特性。

圖6 清洗潤滑鉸鏈機(jī)構(gòu)前

圖7 清洗潤滑鉸鏈機(jī)構(gòu)后

由圖6、圖7中與理論值中位線的分布情況，結(jié)合式(1)～式(4)確定的方法也可以有效發(fā)現(xiàn)，清洗潤滑前后式(1)和式(2)之和pw1分別為0.54、0.11，可見所開發(fā)的虛擬儀器能有效監(jiān)控導(dǎo)流葉片偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)性能。

基于現(xiàn)有的虛擬儀器應(yīng)用思路，該模擬調(diào)試功能亦可進(jìn)一步擴(kuò)展，除了應(yīng)用在系統(tǒng)故障模擬、故障仿真[16]方面外，還可在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真調(diào)試中進(jìn)行借鑒運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)對航空發(fā)動(dòng)機(jī)重要運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而對其性能態(tài)勢進(jìn)行研判，最終實(shí)現(xiàn)重要故障的預(yù)警提示。

4 結(jié)束語

根據(jù)本文提出的方法，應(yīng)用虛擬儀器編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)流葉片偏轉(zhuǎn)角度控制系統(tǒng)的虛擬調(diào)試方案，此方法能實(shí)時(shí)對航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的性能參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和實(shí)施虛擬調(diào)試，能有效節(jié)省燃油、延長發(fā)動(dòng)機(jī)壽命，保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)安全運(yùn)行，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用價(jià)值，進(jìn)一步可以推廣到發(fā)動(dòng)機(jī)其余系統(tǒng)的監(jiān)控和調(diào)整。