渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)燃油信號(hào)故障對(duì)策

趙 飛 ，藍(lán) 天 ，開文杰

（1.中國(guó)航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇無(wú)錫 214063；2.陸軍裝備部駐上海地區(qū)航空軍事代表室，上海 200235）

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的可靠性和安全性直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)安全，數(shù)控系統(tǒng)故障診斷及處理對(duì)策是提高發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性及安全性的重要方法之一。故障診斷指系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)異常情況的檢測(cè)與分析，處理對(duì)策則是系統(tǒng)對(duì)于異常情況采取的相應(yīng)彌補(bǔ)措施，從而提高系統(tǒng)容錯(cuò)能力，以保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，最終確保發(fā)動(dòng)機(jī)安全[1-3]。通過(guò)實(shí)施數(shù)控系統(tǒng)的故障對(duì)策避免發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車，實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定控制，能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的可靠性和安全性。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)故障診斷進(jìn)行了深入研究[4-6]。李本威等[7]通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的性能參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀態(tài)的監(jiān)視，從而實(shí)現(xiàn)故障診斷；姜潔等[8-9]基于極端學(xué)習(xí)機(jī)算法建立離線/在線優(yōu)勢(shì)相結(jié)合的發(fā)動(dòng)機(jī)逆模型，能夠準(zhǔn)確診斷出傳感器/執(zhí)行機(jī)構(gòu)的故障，且有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性與適應(yīng)能力；何保成等[10]建立傳感器仿真模型，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的故障分析中提供故障定位措施，同時(shí)可用于分析傳感器的一般故障機(jī)理；朱子杰[11]基于卡爾曼濾波器、魯棒濾波器以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開展全飛行包線內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)部件故障預(yù)測(cè)與診斷，實(shí)現(xiàn)傳感器故障的在線檢測(cè)、隔離及重構(gòu)；張高錢[12]采用改進(jìn)的支持向量機(jī)建立傳感器故障診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)故障診斷與預(yù)測(cè)，且具有通用性，可用于不同類型的發(fā)動(dòng)機(jī)；蔣平國(guó)等[13]基于執(zhí)行機(jī)構(gòu)回路模型，實(shí)現(xiàn)快速且準(zhǔn)確的執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置傳感器故障診斷，并在某型發(fā)動(dòng)機(jī)全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)中進(jìn)行了工程應(yīng)用。在故障處理對(duì)策上，也有學(xué)者開展了相關(guān)研究。針對(duì)存在故障的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)建立T-S 模糊系統(tǒng)，設(shè)計(jì)反饋容錯(cuò)控制器，能在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)抑制故障輸入的影響[11]，但缺乏工程應(yīng)用實(shí)踐；設(shè)計(jì)被動(dòng)/主動(dòng)容錯(cuò)控制系統(tǒng)，改進(jìn)故障后系統(tǒng)切換時(shí)的過(guò)渡方式，減少了切換時(shí)系統(tǒng)的波動(dòng)量[12]；在故障發(fā)生后改變控制算法，采用不完全微分補(bǔ)償?shù)姆绞綄?duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置傳感器故障進(jìn)行容錯(cuò)控制，并通過(guò)了半物理模擬試驗(yàn)驗(yàn)證[13]，但可能會(huì)引起系統(tǒng)振蕩。

本文針對(duì)某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在燃油計(jì)量活門位置信號(hào)失效后采取的主動(dòng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)停車的保守策略，提出一種對(duì)燃油計(jì)量活門控制回路優(yōu)化的方法，在仿真模型、半物理試驗(yàn)器、發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并對(duì)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制回路組成及原理

目前，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)大部分采用小閉環(huán)控制回路（相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等大閉環(huán)控制回路而言），以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)[13]。某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)燃油流量小閉環(huán)控制回路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 燃油計(jì)量活門控制結(jié)構(gòu)

數(shù)字電子控制器根據(jù)給定條件按一定的控制律和控制算法計(jì)算出燃油流量后，先根據(jù)燃油供油裝置的供油特性得到燃油計(jì)量活門的位置給定值，與燃油計(jì)量活門位置反饋信號(hào)比較后通過(guò)校正算法產(chǎn)生輸出信號(hào)，由電液伺服閥來(lái)控制燃油計(jì)量活門的位置，最終使燃油計(jì)量活門達(dá)到給定位置，從而保證經(jīng)燃油計(jì)量活門計(jì)量后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的燃油流量等于控制需要的燃油流量。

系統(tǒng)通過(guò)設(shè)計(jì)合格的參數(shù)來(lái)保證燃油小閉環(huán)控制回路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)足夠快，在正常情況下，燃油計(jì)量活門位置反饋值可迅速跟隨燃油計(jì)量活門位置給定值。若用于測(cè)量燃油計(jì)量活門位置的線位移傳感器（Linear Variable Differential Transformer，LVDT）失效，使得實(shí)際的燃油計(jì)量活門位置不可知，無(wú)法形成閉環(huán)回路，不能有效地控制燃油供給，會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性和發(fā)動(dòng)機(jī)安全。因此，在燃油計(jì)量活門位置信號(hào)故障后，設(shè)計(jì)合理的處理對(duì)策來(lái)保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行安全就十分重要[14-16]。

2 現(xiàn)有故障對(duì)策分析

目前，某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)燃油計(jì)量活門位置信號(hào)失效的故障模式與處理對(duì)策見表1。表中序號(hào)1為位置信號(hào)單通道故障，單通道故障不影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作；序號(hào)2 為雙線圈雙通道故障，其處理對(duì)策為控制發(fā)動(dòng)機(jī)停車。

表1 燃油計(jì)量活門失效故障模式與處理對(duì)策

從表中可見，在燃油計(jì)量活門位置信號(hào)雙線圈失效時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)直接控制發(fā)動(dòng)機(jī)停車。這種處理對(duì)策雖然可保證發(fā)動(dòng)機(jī)安全停車，但引起的后果對(duì)直升機(jī)是十分嚴(yán)重甚至是致命的。

實(shí)際上，當(dāng)燃油計(jì)量活門位置信號(hào)雙線圈失效后，燃油執(zhí)行機(jī)構(gòu)并未發(fā)生故障，從發(fā)動(dòng)機(jī)控制角度出發(fā)，只需要設(shè)計(jì)出一種合適的控制方法以及選取1套恰當(dāng)?shù)目刂茀?shù)，計(jì)算出合適的控制電流來(lái)控制燃油執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即可控制發(fā)動(dòng)機(jī)處于某一穩(wěn)定的狀態(tài)，確保發(fā)動(dòng)機(jī)安全。

3 燃油伺服回路校正改進(jìn)

3.1 伺服回路校正設(shè)計(jì)

在燃油計(jì)量活門位置信號(hào)故障導(dǎo)致小閉環(huán)回路不可用后，從圖1中可見，電液伺服閥前端缺少1個(gè)能抵消執(zhí)行機(jī)構(gòu)特性的控制算法。根據(jù)伺服回路校正的原理可在“LDem→L”的前向通路中串聯(lián)校正，通過(guò)串聯(lián)1 個(gè)能抵消執(zhí)行結(jié)構(gòu)特性的校正器，使得校正后的“LDem→L”前向通路增益為“1”，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定控制。由經(jīng)典控制理論[17]可知，燃油執(zhí)行機(jī)構(gòu)可等效為1階積分環(huán)節(jié)改進(jìn)具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 伺服回路校正原理

從圖中可見，校正器Gc(s)應(yīng)滿足

則校正器的設(shè)計(jì)為

式中：K為增益系數(shù)。

由上述可知，除需引入1 個(gè)微分環(huán)節(jié)以抵消積分環(huán)節(jié)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)積分特性外，還需設(shè)計(jì)1 個(gè)比例環(huán)節(jié)以抵消執(zhí)行機(jī)構(gòu)的增益，使得“LDem→L”回路增益整定為“1”。同時(shí)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的平衡電流存在漂移，會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)一定的靜差，為此，需要引入弱積分環(huán)節(jié)此時(shí)燃油計(jì)量活門位置信號(hào)失效后的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示，其中虛線內(nèi)為伺服回路校正結(jié)構(gòu)。

圖3 伺服回路校正控制結(jié)構(gòu)

3.2 伺服回路校正參數(shù)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)伺服回路校正參數(shù)時(shí)，需預(yù)先獲得燃油執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，本文采用掃頻試驗(yàn)方法獲取燃油執(zhí)行機(jī)構(gòu)的頻域特性。目前應(yīng)用普遍的掃頻方法是快速傅里葉分析，但該技術(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用中存在精度問(wèn)題（噪聲影響嚴(yán)重），基于頻域響應(yīng)的物理意義和傅里葉分析的基本定義出發(fā)，開發(fā)了基于單點(diǎn)積分的掃頻技術(shù)。并從燃油執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能驗(yàn)收（階躍響應(yīng)、斜坡響應(yīng)等）方面進(jìn)行了技術(shù)驗(yàn)證。結(jié)果表明，掃頻獲取的頻域特性數(shù)學(xué)模型逼近實(shí)際特性的程度較好，具有較高的精度，能夠滿足先進(jìn)控制算法設(shè)計(jì)對(duì)精度的要求。

采用上述掃頻法，根據(jù)半物理試驗(yàn)對(duì)燃油執(zhí)行機(jī)構(gòu)的辨識(shí)結(jié)果，可得出燃油計(jì)量活門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型G(s)為

式中：B為等效慣性值。

由此可知校正的比例系數(shù)為

表2 伺服回路校正控制參數(shù)

4 驗(yàn)證情況

4.1 數(shù)字仿真驗(yàn)證

使用某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，分別在地面慢車狀態(tài)和空中慢車狀態(tài)下進(jìn)行仿真試驗(yàn)，通過(guò)設(shè)置開關(guān)斷開燃油計(jì)量活門采集信號(hào)的方式注入故障，仿真結(jié)果如圖4、5 所示。燃油計(jì)量活門故障仿真情況見表3。

表3 燃油計(jì)量活門故障仿真 %

圖4 地面慢車狀態(tài)故障仿真（Np響應(yīng)）

圖5 空中慢車狀態(tài)故障仿真（Np響應(yīng)）

從圖中可見，在地面慢車和空中慢車狀態(tài)下分別注入燃油計(jì)量活門位置信號(hào)故障，系統(tǒng)仿真結(jié)果Np轉(zhuǎn)速波動(dòng)較小，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 半物理驗(yàn)證

在半物理試驗(yàn)器上，分別在地面慢車、空中慢車、Ng轉(zhuǎn)速96%、緩慢移動(dòng)總距桿、加速及減速狀態(tài)下，開展燃油計(jì)量活門位置信號(hào)雙通道雙線圈失效故障模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)借助信號(hào)斷連裝置，對(duì)真實(shí)的燃油計(jì)量活門傳感器采集信號(hào)進(jìn)行斷線的方式注入故障。具體情況見表4，并如圖6～9所示。

表4 半物理試驗(yàn)器注入故障后轉(zhuǎn)速波動(dòng) %

圖6 改進(jìn)后油針位置失效穩(wěn)態(tài)過(guò)程

圖7 改進(jìn)后油針位置失效推桿、拉桿過(guò)程

圖8 改進(jìn)后油針位置失效加速過(guò)程

圖9 改進(jìn)后油針位置失效減速過(guò)程

試驗(yàn)結(jié)果表明，在地面慢車、空中慢車、Ng轉(zhuǎn)速96%以及緩慢推拉桿狀態(tài)下注入故障，系統(tǒng)會(huì)存在一定程度的波動(dòng)。從表4 中可見，在3 個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速波動(dòng)量較小，滿足設(shè)計(jì)要求；在加減速狀態(tài)下注入故障時(shí)，加速過(guò)程系統(tǒng)Np轉(zhuǎn)速超調(diào)5.58%，減速過(guò)程系統(tǒng)Np轉(zhuǎn)速超調(diào)7.07%，加減速狀態(tài)波動(dòng)略超出5%的設(shè)計(jì)要求。在燃油計(jì)量活門位置信號(hào)失效的情況下，該伺服回路校正控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以在一定程度上保證發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作。

在半物理試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)注入故障時(shí)控制規(guī)律發(fā)生切換時(shí)，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大幅波動(dòng)。經(jīng)過(guò)分析，在故障發(fā)生前輸入到電液伺服閥的控制電流由“比例+積分”環(huán)節(jié)計(jì)算，在故障發(fā)生后采取原積分項(xiàng)電流不變，再加上伺服回路校正環(huán)節(jié)的計(jì)算電流，可保證故障發(fā)生時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)在可接受的范圍內(nèi)。

4.3 整機(jī)試驗(yàn)

采用改進(jìn)后的方法在某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)臺(tái)架地面慢車狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)行了燃油計(jì)量活門位置雙通道雙線圈失效故障模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)借助信號(hào)斷連裝置，對(duì)真實(shí)的燃油計(jì)量活門傳感器采集信號(hào)進(jìn)行斷線的方式注入故障。具體情況見表5，并如圖10所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，在地面慢車狀態(tài)點(diǎn)注入故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)存在一定程度的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，但波動(dòng)量滿足設(shè)計(jì)要求。

表5 整機(jī)地面慢車故障注入后轉(zhuǎn)速波動(dòng) %

圖10 改進(jìn)后油針位置失效整機(jī)試驗(yàn)過(guò)程

4.4 仿真結(jié)果與整機(jī)試驗(yàn)結(jié)果分析

將數(shù)字仿真結(jié)果與整機(jī)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，見表6，并如圖11所示。

表6 數(shù)字仿真、整機(jī)試驗(yàn)注入故障時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng) %

圖11 數(shù)字仿真、整機(jī)試驗(yàn)注入故障試驗(yàn)對(duì)比

對(duì)比結(jié)果表明，在地面慢車狀態(tài)下注入燃油計(jì)量活門位置信號(hào)故障時(shí)，系統(tǒng)的Np轉(zhuǎn)速存在一定幅度的波動(dòng)，但相差不大，證明了改進(jìn)后故障對(duì)策有效，可繼續(xù)控制發(fā)動(dòng)機(jī)并穩(wěn)定在當(dāng)前狀態(tài)。從圖11 中可見，在注入故障后，Np的波形變化呈相反的趨勢(shì)，這是由于控制對(duì)象的負(fù)載不同造成的：在數(shù)字仿真時(shí)，負(fù)載模型是基于直升機(jī)旋翼負(fù)載特性數(shù)據(jù)建立的，但在整機(jī)試驗(yàn)時(shí)負(fù)載是由水力測(cè)功機(jī)（利用水對(duì)旋轉(zhuǎn)的葉輪形成摩擦力矩吸收）模擬的。

5 結(jié)束語(yǔ)

燃油計(jì)量活門位置信號(hào)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)控制甚至安全影響至關(guān)重要。本文對(duì)某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)燃油計(jì)量活門位置信號(hào)失效的故障模式進(jìn)行了分析，提出了串聯(lián)伺服回路校正的設(shè)計(jì)思路，針對(duì)該架構(gòu)設(shè)計(jì)了控制參數(shù)，并進(jìn)行了系統(tǒng)半物理試驗(yàn)及整機(jī)驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明：新設(shè)計(jì)的串聯(lián)伺服回路校正方法在燃油計(jì)量活門位置信號(hào)失效后，可以繼續(xù)控制發(fā)動(dòng)機(jī)并穩(wěn)定在一定狀態(tài)。但整機(jī)臺(tái)架驗(yàn)證不充分，仍需進(jìn)行多狀態(tài)的試驗(yàn)驗(yàn)證以進(jìn)一步優(yōu)化控制參數(shù)。