燃油總管智能試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

侯俊林，周家林，黃德潤，關(guān) 猛，許承慧

(中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川綿陽 621000)

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室燃油總管噴嘴流量分布均勻性是影響燃燒室出口溫度分布和渦輪工作可靠性的一個(gè)主要因素[1]。在各型發(fā)動(dòng)機(jī)的不同研制階段，均需開展大量的燃燒室部件試驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)，而每次試驗(yàn)之前，均需對(duì)燃油總管噴嘴流量分布的均勻性進(jìn)行檢查和調(diào)試，以保證其滿足燃燒室部件及航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的設(shè)計(jì)要求[2]。

燃油總管試驗(yàn)器作為較為高效開展燃燒室燃油總管試驗(yàn)的設(shè)備，近年來隨著我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制步伐的加速實(shí)施，其試驗(yàn)任務(wù)也進(jìn)一步加重[3]。目前，中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院燃油總管試驗(yàn)器仍采用傳統(tǒng)手動(dòng)試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，這與其高強(qiáng)度、長(zhǎng)時(shí)間(每周超過40 h的平均試驗(yàn)時(shí)數(shù))的試驗(yàn)特點(diǎn)的矛盾日益凸顯。考慮到燃油總管試驗(yàn)?zāi)Ｊ骄哂懈叨鹊闹貜?fù)性，若燃油總管試驗(yàn)器能向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，必然能夠大幅減少試驗(yàn)人員投入、提高試驗(yàn)效率、節(jié)約試驗(yàn)成本[4]。

本文采用智能油路匹配技術(shù)、智能閥門控制技術(shù)、試驗(yàn)狀態(tài)模擬技術(shù)以及測(cè)控一體化技術(shù)等，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套燃油總管智能試驗(yàn)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)燃油總管試驗(yàn)的自動(dòng)開展，以進(jìn)一步適應(yīng)現(xiàn)代試驗(yàn)需求、促進(jìn)現(xiàn)代試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展。

2 燃油總管試驗(yàn)流程

2.1 傳統(tǒng)手動(dòng)試驗(yàn)流程

燃油總管試驗(yàn)經(jīng)過近幾十年的改進(jìn)、發(fā)展，其傳統(tǒng)手動(dòng)試驗(yàn)流程較為成熟。當(dāng)進(jìn)行一個(gè)試驗(yàn)狀態(tài)時(shí)，其具體流程為：依據(jù)燃油總管流量，選擇相應(yīng)的進(jìn)油路和供油路(中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院燃油總管試驗(yàn)器設(shè)計(jì)有3條總進(jìn)油路徑、7臺(tái)不同量程流量計(jì)至4條供油路給試驗(yàn)件供油)；控制供油路電動(dòng)閥和回油路電動(dòng)閥(回油路伺服閥)穩(wěn)步調(diào)節(jié)流量至目標(biāo)值，關(guān)閉稱重電磁閥，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)使臺(tái)架出油口對(duì)準(zhǔn)稱重桶，稱重桶開始接油；在稱重桶內(nèi)燃油質(zhì)量達(dá)到一定值(11.5 kg)或接油一定時(shí)間(5 min)后，復(fù)位轉(zhuǎn)臺(tái)使臺(tái)架出油口錯(cuò)開稱重桶、對(duì)準(zhǔn)回油口；在稱重桶質(zhì)量不再增加后測(cè)試系統(tǒng)開始采集各稱重桶內(nèi)燃油質(zhì)量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集完成后打開稱重電磁閥排放稱重桶內(nèi)燃油，待稱重桶質(zhì)量回到初始值后即可進(jìn)行下一個(gè)試驗(yàn)狀態(tài)。依次循環(huán)，直至完成所有試驗(yàn)狀態(tài)。

2.2 智能試驗(yàn)流程

智能試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，是將傳統(tǒng)手動(dòng)試驗(yàn)?zāi)Ｊ街械拿總€(gè)手動(dòng)試驗(yàn)步驟逐一采用自動(dòng)控制來實(shí)現(xiàn)，其最大特點(diǎn)是在傳統(tǒng)手動(dòng)試驗(yàn)?zāi)Ｊ降幕A(chǔ)上融入人的思維，讓計(jì)算機(jī)代替人的大腦去分析、判斷并進(jìn)行相應(yīng)處理，全程無需人為參與[5]。整個(gè)試驗(yàn)流程中，需解決的關(guān)鍵問題包括：不同供油路(流量計(jì))的智能匹配，不同類型閥門的自動(dòng)選擇和交替控制，各試驗(yàn)狀態(tài)燃油流量目標(biāo)值的穩(wěn)步變化，以及測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并通過與控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互信息實(shí)現(xiàn)各試驗(yàn)狀態(tài)的時(shí)序開展。針對(duì)上述問題，結(jié)合傳統(tǒng)手動(dòng)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，梳理得出燃油總管智能試驗(yàn)流程，如圖1所示。

圖1 燃油總管智能試驗(yàn)流程Fig.1 Intelligent test process of fuel manifold

3 智能試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 智能油路匹配技術(shù)

智能油路匹配技術(shù)設(shè)計(jì)采用專家控制系統(tǒng)[6]來實(shí)現(xiàn)，其最核心部分是專家知識(shí)庫的建立。依據(jù)試驗(yàn)件供油方式，燃油總管試驗(yàn)器分為單路供油和主副油路同時(shí)供油兩種。根據(jù)試驗(yàn)件不同流量大小及傳統(tǒng)人為操作思路，建立智能油路匹配專家知識(shí)庫，分別如表1 和表2 所示。表中，量程相同的流量計(jì)(如FE2202 和FE2301 流量計(jì)的量程均為0～866 g/s)在很多情況下均可選擇使用，但考慮到大通徑管道內(nèi)燃油流速更穩(wěn)定，故設(shè)計(jì)優(yōu)先選擇大通徑管路上的流量計(jì)。如表1 中，在進(jìn)行130～800 g/s 的試驗(yàn)狀態(tài)時(shí)既可選擇FE2202 流量計(jì)，也可選擇FE2301 流量計(jì)，如“√”標(biāo)識(shí)，但程序會(huì)優(yōu)先選擇FE2202 流量計(jì)，如“*”標(biāo)識(shí)。表2中主副油路同時(shí)供油時(shí)的流量計(jì)(油路)選擇策略與表1中單路流量計(jì)(油路)選擇策略類似。

表1 單路供油專家知識(shí)庫Table 1 Expert knowledge base of simplex fuel supply

表2 主副油路同時(shí)供油專家知識(shí)庫Table 2 Expert knowledge base of main and secondary duple fuel supply

3.2 智能閥門控制技術(shù)

智能閥門控制包括對(duì)大流量供、回油路電動(dòng)閥以及電液伺服閥的交替控制，和對(duì)小流量供、回油路電液伺服閥的交替控制。

3.2.1 大流量回油路閥門智能控制

因燃油總管試驗(yàn)器3 條進(jìn)油路中1#、2#進(jìn)油路的流量較大，電液伺服閥無法滿足其使用需求，故在回油路上均配置一臺(tái)電動(dòng)閥和一臺(tái)電液伺服閥并聯(lián)運(yùn)行。采用電動(dòng)閥粗調(diào)(快速調(diào)節(jié)至目標(biāo)值的95%后停止動(dòng)作)和電液伺服閥精調(diào)(精準(zhǔn)完成目標(biāo)值的后5%調(diào)節(jié))的控制策略進(jìn)行流量調(diào)節(jié)。調(diào)控過程如圖2所示:目標(biāo)值改變后電動(dòng)閥立即投入調(diào)控，調(diào)控過程較快；反饋值接近目標(biāo)值時(shí)，電動(dòng)閥停止調(diào)控，與此同時(shí)電液伺服閥開始調(diào)控。此時(shí)反饋值穩(wěn)步趨近目標(biāo)值，無震蕩調(diào)節(jié)或超調(diào)現(xiàn)象發(fā)生。此外，電動(dòng)閥調(diào)節(jié)流量變化范圍大而閥位變化小，電液伺服閥則與之相反，驗(yàn)證了大流量回油路電動(dòng)閥和電液伺服閥快速與精準(zhǔn)調(diào)節(jié)的智能控制策略。

圖2 大流量閥門智能控制過程Fig.2 Intelligent control process of large mass flow valve

3.2.2 小流量供、回油路電液伺服閥智能控制

因燃油總管試驗(yàn)器3條進(jìn)油路中3#進(jìn)油路的流量較小，故供、回油路均采用電液伺服閥聯(lián)合調(diào)控的方式。因調(diào)控過程中會(huì)出現(xiàn)供油路或回油路電液伺服閥動(dòng)作均可滿足調(diào)節(jié)要求的情況，所以此時(shí)必須智能決策選用哪個(gè)閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)。針對(duì)調(diào)控過程中可能出現(xiàn)的情況，制定以下3種智能控制策略：①當(dāng)回油電液伺服閥開度大于99%且供油電液伺服閥開度小于99%時(shí)，控制供油電液伺服閥開關(guān)；②當(dāng)回油電液伺服閥開度大于99%且反饋值比目標(biāo)值大時(shí)，控制供油電液伺服閥開關(guān)；③當(dāng)回油電液伺服閥開度大于1%且供油電液伺服閥開度大于99%時(shí)，控制回油電液伺服閥開關(guān)。

小流量供、回油電液伺服閥的交替調(diào)控過程如圖3 所示?？梢钥闯觯瑒傞_始時(shí)供油電液伺服閥全開，控制回油電液伺服閥開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)流量的調(diào)節(jié)。當(dāng)回油電液伺服閥全開后，供油電液伺服閥立即投入運(yùn)行，且在其調(diào)節(jié)范圍內(nèi)只由供油電液伺服閥進(jìn)行流量調(diào)節(jié)。當(dāng)出現(xiàn)供油電液伺服閥全開、回油電液伺服閥需反向調(diào)節(jié)時(shí)，回油電液伺服閥將慢慢關(guān)閉，流量反饋值慢慢上升。

圖3 小流量閥門智能控制過程Fig.3 Intelligent control process of small mass flow valve

3.3 開關(guān)量電動(dòng)閥門脈沖控制

如3.2.1節(jié)所述，為適應(yīng)大尺寸燃油總管噴嘴的流量要求，采用電動(dòng)閥進(jìn)行大流量狀態(tài)調(diào)節(jié)。由于其控制方式為開關(guān)量控制，故無法滿足自動(dòng)控制中電動(dòng)閥的超短時(shí)控制(0.3 s 動(dòng)作)、連續(xù)調(diào)節(jié)且不能超調(diào)的要求，為此采用脈沖寬度調(diào)制器[7]來實(shí)現(xiàn)開關(guān)量電動(dòng)閥的脈沖控制。其控制算法見式(1)，控制原理如圖4所示。

圖4 脈沖寬度調(diào)制器控制原理圖Fig.4 Control schematic of pulse width modulator

式中：ton代表開關(guān)量電動(dòng)閥動(dòng)作時(shí)間，tperiod代表開關(guān)量電動(dòng)閥動(dòng)作循環(huán)周期，maxvalue代表最大比例值，minvalue代表最小比例值，x代表設(shè)定比例值。

因燃油總管試驗(yàn)器1#、2#進(jìn)油路的流量范圍較大，開關(guān)量回油電動(dòng)閥輕微動(dòng)作便會(huì)引起流量的較大變化。為此，通過靜態(tài)調(diào)試并進(jìn)行真實(shí)試驗(yàn)狀態(tài)驗(yàn)證，得到開關(guān)量回油電動(dòng)閥的合理控制方式。即在一個(gè)2.8 s 的控制周期內(nèi)動(dòng)作0.3 s、停2.5 s，且在控制模塊激活的狀態(tài)下周期性地連續(xù)控制閥門動(dòng)作直至達(dá)到目標(biāo)值；同時(shí)，調(diào)節(jié)過程中不出現(xiàn)震蕩調(diào)節(jié)或超調(diào)現(xiàn)象。

3.4 試驗(yàn)狀態(tài)模擬技術(shù)

與傳統(tǒng)手動(dòng)試驗(yàn)流程不同，智能試驗(yàn)流程下，系統(tǒng)需自動(dòng)讀取當(dāng)前狀態(tài)的目標(biāo)值是多少、反饋值是否達(dá)到目標(biāo)值、當(dāng)前試驗(yàn)狀態(tài)是否完成以及本次試驗(yàn)是否結(jié)束等。為此，需要利用控制程序?qū)崿F(xiàn)各個(gè)試驗(yàn)狀態(tài)的模擬、各個(gè)狀態(tài)目標(biāo)值的切換并判斷本次試驗(yàn)是否結(jié)束。

智能試驗(yàn)系統(tǒng)擬采用PID控制器實(shí)現(xiàn)狀態(tài)目標(biāo)值的調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)原理是依據(jù)反饋值與目標(biāo)值的差值改變控制輸出值[8]。但在這種調(diào)節(jié)方式下，如果狀態(tài)目標(biāo)值有較大突變，將會(huì)引起PID 控制輸出值很大，使得調(diào)節(jié)作用加快，極易導(dǎo)致超調(diào)或者震蕩調(diào)節(jié)現(xiàn)象發(fā)生。這在燃燒室點(diǎn)火、性能試驗(yàn)中是不允許的。為此，需采用PID 控制技術(shù)與控制目標(biāo)動(dòng)態(tài)分配技術(shù)相結(jié)合的方式，逐步改變目標(biāo)值的大小并快速調(diào)節(jié)反饋值以趨近目標(biāo)值。例如，當(dāng)前試驗(yàn)狀態(tài)燃油流量目標(biāo)值為200 g/s，結(jié)束后進(jìn)入燃油流量目標(biāo)值為130 g/s的下個(gè)試驗(yàn)狀態(tài)，-70 g/s的目標(biāo)值增量不應(yīng)一步加到當(dāng)前試驗(yàn)狀態(tài)上，而應(yīng)將增量平均分配給10 s 進(jìn)行目標(biāo)值周期循環(huán)累加，即可實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的動(dòng)態(tài)分配；接著PID 控制器依據(jù)目標(biāo)值的逐步變化穩(wěn)步調(diào)節(jié)，最終完成調(diào)節(jié)過程[9]。每個(gè)試驗(yàn)狀態(tài)結(jié)束后，該試驗(yàn)狀態(tài)后面的指示燈由暗綠色變?yōu)榱辆G色并判斷下個(gè)狀態(tài)值是否為0。否，則繼續(xù)進(jìn)行下個(gè)狀態(tài)值的調(diào)節(jié)；是，則表示本次試驗(yàn)結(jié)束，狀態(tài)欄上方的指示燈由暗綠色變?yōu)榱翜\藍(lán)色并閃爍顯示指示燈和“狀態(tài)完成”字樣，如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)狀態(tài)完成圖Fig.5 Chart of completed state

3.5 基于OPC技術(shù)的測(cè)控一體化試驗(yàn)技術(shù)

傳統(tǒng)手動(dòng)試驗(yàn)流程中，測(cè)試系統(tǒng)與控制系統(tǒng)相互獨(dú)立，無數(shù)據(jù)交互，無信息共享。這就導(dǎo)致測(cè)試系統(tǒng)無法記錄控制系統(tǒng)關(guān)鍵信號(hào)，控制系統(tǒng)也無法有效利用測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)，更無法實(shí)現(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)間信息的實(shí)時(shí)交互。因此，必須采用測(cè)控一體化試驗(yàn)技術(shù)以適應(yīng)智能試驗(yàn)流程需求。

燃油總管試驗(yàn)器的控制系統(tǒng)上位機(jī)采用自帶OPC 服務(wù)器和客戶端配置的Power Vision 組態(tài)軟件。OPC技術(shù)即用于過程控制的對(duì)象鏈接與嵌入技術(shù)，是一套組件對(duì)象模型標(biāo)準(zhǔn)接口[10]。OPC 規(guī)范中定義了兩種標(biāo)準(zhǔn)接口，用C/C++等高級(jí)語言編寫的客戶端程序可以任意訪問這兩種接口。燃油總管試驗(yàn)器測(cè)試系統(tǒng)采用的正是基于VC++編寫的采集程序，能夠順利完成主采集程序與通訊程序的無縫銜接。因此，采用在控制系統(tǒng)中配置OPC 服務(wù)器、在測(cè)試系統(tǒng)中開發(fā)OPC 客戶端程序的方式實(shí)現(xiàn)基于OPC 技術(shù)的測(cè)控一體化，最終能實(shí)現(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)間信息的實(shí)時(shí)共享并促進(jìn)試驗(yàn)狀態(tài)的時(shí)序開展。

4 智能試驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用

依據(jù)燃油總管試驗(yàn)器油路原理，采用專家系統(tǒng)控制技術(shù)等進(jìn)行智能試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完成了智能試驗(yàn)系統(tǒng)各個(gè)功能的設(shè)計(jì)、靜態(tài)調(diào)試并順利應(yīng)用于科研試驗(yàn)當(dāng)中。系統(tǒng)上位機(jī)組態(tài)界面如圖6 所示，其中2#進(jìn)油路和3#進(jìn)油路的數(shù)據(jù)回放界面分別如圖7、圖8所示。可以看出，試驗(yàn)過程共有8個(gè)狀態(tài)，且主、副油路同時(shí)供油。試驗(yàn)過程中狀態(tài)目標(biāo)值逐一變化，反饋值平穩(wěn)跟隨，2#進(jìn)油路的電動(dòng)閥、電液伺服閥兩臺(tái)回油閥按照先95%后5%的邏輯交替控制，能夠快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行大流量狀態(tài)的調(diào)節(jié)；3#進(jìn)油路的供、回油電液伺服閥同樣是按照其相應(yīng)邏輯交替控制，但因3#進(jìn)油路的供、回油路閥門均為電液伺服閥，故其調(diào)節(jié)效果更優(yōu)，很好地滿足了小流量狀態(tài)的調(diào)節(jié)。最終，8 個(gè)試驗(yàn)狀態(tài)有序、順利完成，每個(gè)試驗(yàn)狀態(tài)后的指示燈逐一變亮；狀態(tài)完成指示燈由暗綠色變?yōu)榱翜\藍(lán)色并閃爍顯示指示燈和“狀態(tài)完成”字樣。

圖6 上位機(jī)組態(tài)界面Fig.6 Upper computer interface

圖7 2#路數(shù)據(jù)回放界面Fig.7 Data playback interface of 2#fuel road

圖8 3#路數(shù)據(jù)回放界面Fig.8 Data playback interface of 3#fuel road

5 結(jié)束語

燃油總管智能試驗(yàn)系統(tǒng)已成功應(yīng)用于幾種型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油總管試驗(yàn)中，累計(jì)試驗(yàn)時(shí)數(shù)超過300 h。使用表明，該系統(tǒng)功能完善，運(yùn)行狀況良好，實(shí)現(xiàn)了智能控制技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室試驗(yàn)中的應(yīng)用，邁出了燃燒室試驗(yàn)器開展智能試驗(yàn)的第一步；大大提高了試驗(yàn)效率，縮短了試驗(yàn)周期，減少了人為參與度，提高了試驗(yàn)安全性，具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益；其設(shè)計(jì)思路和方法可應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域以及地面燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域內(nèi)的其他發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)和部件試驗(yàn)中，為推動(dòng)智能試驗(yàn)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的快速發(fā)展提供重要參考。