渦輪動力裝置閉環仿真試驗器的設計與應用

江 群，王道波，李 猛

(南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京 210016)

1 引言

多能源組合渦輪動力裝置是先進飛機上的重要機載設備，可以為飛機提供備份的電源和液壓源，即當飛機主電源和液壓源失效或主動力失效的情況下及時向飛機提供備份電源和液壓源，以保證飛機正常飛行[1，2]。電子控制器用于實現這種渦輪動力裝置的起動、加速、恒速、故障識別和回路切換的控制，是該動力裝置的重要部件。為了保證電子控制器的正常工作，在其投入正常工作之前，需對其進行整機檢測，但渦輪動力裝置臺架試驗的成本費用昂貴且具有一定的危險性。針對這一問題，本文提出了一種采用電子仿真試驗器替代真實渦輪動力裝置來檢測電子控制器的控制邏輯和控制規律的方法，將電子仿真試驗器與電子控制器構成閉環控制回路，從而實現對渦輪動力裝置閉環運行過程的模擬。該裝置能夠向電子控制器提供模擬的傳感器接口和執行機構的負載特性，模擬渦輪動力裝置在各種工作狀態下的特性，接受各種指令信號并給出相應的響應信號，而且具備工作狀態實時顯示和試驗數據采集的功能，能夠對電子控制器工作的準確性及有效性進行檢測。

本文在介紹渦輪動力裝置工作原理的基礎上，提出了電子仿真試驗器的設計原理和實現方法，最后將該試驗器用于某型渦輪動力裝置的閉環控制并對其仿真結果進行分析。

2 渦輪動力裝置

多能源組合渦輪動力裝置是一種采用增壓空氣和化學燃料雙能源的動力裝置，其系統原理如圖1所示，主要由燃料箱、燃料控制閥、空氣控制閥、燃氣發生器、動力渦輪、電子控制器和負載等組成。其中空氣控制閥和燃料控制閥分別控制進入動力渦輪的能量；燃氣發生器是將化學燃料燃燒產生的高溫高壓燃氣與增壓空氣分別進入渦輪動力裝置的渦輪導向器前，帶動渦輪動力裝置轉動，進而通過輸出軸帶動負載工作；電子控制器根據安裝在軸系上的轉速傳感器反饋的信號，調節空氣控制閥和燃料控制閥的開度，從而實現渦輪轉速的閉環控制[3]。

圖1 渦輪動力裝置系統原理圖Fig.1 Turbine power unit system diagram

為提高渦輪動力裝置的可靠性，該動力裝置采用雙余度三回路的控制方案，即在增壓空氣充足情況下優先使用增壓空氣運轉渦輪裝置。當飛機高度增高后增壓空氣不足或主發動機故障時，可混合或單獨使用化學燃料產生燃氣來驅動渦輪運轉，以獲得飛機所需的液壓源和電源。其控制回路結構原理圖如圖2所示，控制系統包括一個空氣控制回路和兩個化學燃料控制回路。每個回路均為單參數反饋控制，電子控制器按照每路被控對象參數相對于給定值的偏差產生相應的控制信號，通過執行機構完成對被控對象的控制，使被控參數不超出給定的誤差范圍。

3 電子仿真原理

電子仿真試驗器是一種基于模擬電路實現動力學特性的實時仿真電子裝置，仿真依據是渦輪動力裝置的小偏差線性數學模型。采用這種線性數學模型具有一定的仿真精度，作為對電子控制器控制邏輯和控制規律的檢測及測試是有效的。

圖2 渦輪動力裝置控制回路結構原理圖Fig.2 Turbine power unit control loop structure diagram

渦輪動力裝置電子仿真試驗器的仿真結構原理圖如圖3所示。根據仿真原理圖，電子仿真試驗器的仿真模型主要包括空氣控制閥、碟閥、燃料控制閥、燃氣發生器、渦輪動力裝置、位置傳感器、轉速傳感器模型等?？諝饪刂崎y是一個氣動伺服閥，主要由直流力矩電機、氣動伺服機構和蝶閥組成，其中力矩電機的靜態特性為具有滯環特性的非線性環節，但在電路實現時此環節可以被蝶閥的位置反饋閉環回路消除，其動態特定可以用一個慣性環節表示。氣動伺服機構和燃氣發生器是一個復雜執行機構，但設計仿真試驗器時采用超前滯后環節表示其特性。兩個燃料控制閥由二位式通斷開關閥組成，由于燃料控制閥閥芯位移的響應時間很小，其數學模型可以用比例環節描述。根據文獻[4]可知，動力渦輪在飛行條件給定和負載功率不變的情況下，可視為一階慣性環節并忽略其容積效應。渦輪動力裝置的仿真數學模型結構如圖4所示。

圖3 電子仿真試驗器原理圖Fig.3 Schematic diagram of electronic simulation tester

圖4 仿真數學模型圖Fig.4 Simulation mathematical model diagram

電子控制器輸出控制電流IBC，經力矩馬達的模擬環節后變換成電壓信號VDP，用于控制空氣閥轉角，VDP信號經模擬的位置傳感器測量后反饋給控制器，從而構成小閉環位置控制回路。在化學燃料控制回路中，兩個化學燃料控制閥的控制信號VPH和VSH分別經過仿真器模擬的一級、二級燃料控制閥進入燃氣發生器的模擬環節，輸出化學燃料流量信號，該信號在此與空氣流量信號疊加并送到動力渦輪的模擬環節。動力渦輪所輸出轉速信號VN經轉速傳感器的模擬電路變換后作為反饋信號送回至電子控制器，構成整個速度閉環控制回路。仿真回路中還可以對空氣壓力調節、一級燃料控制閥和一級轉速傳感器故障進行模擬。

4 電子仿真試驗器實現

電子仿真試驗器是將以上數學模型以電子電路的方式實現出來，設計的仿真器具有如下功能：①根據不同的啟動指令使渦輪動力裝置進入相應的工作狀態，對電子控制器在不同模式下的控制規律和控制邏輯進行檢測；②模擬飛機座艙控制面板到電子控制器間的接口，檢測座艙指令和顯示信號的正確性；③對渦輪動力裝置控制品質進行檢測；④對故障信號進行檢測；⑤仿真過程的曲線與數據顯示。

根據圖4中的仿真數學模型圖，采用模擬運算放大器作為仿真運算器件，通過信號電子變換技術將表示執行機構和渦輪動力裝置的模擬電壓變換成控制器的接口信號[5，6]。電子仿真試驗器的模擬電路主要包括空氣控制閥模塊、化學燃料控制閥模塊、燃氣發生器模塊、渦輪動力裝置模塊和轉速傳感器及位置傳感器模塊等。

仿真試驗器的電路原理簡化圖如圖5所示：其中試驗器的I/V模塊由運放U1、二極管D1、D2及相關阻容元件構成；空氣閥模塊由運放U2及其外圍電路構成一個超前滯后環節來模擬其特性；蝶閥模塊由運放U3構成的跟隨器及電位器WB模擬其特性，通過手動調節WB可以模擬蝶閥開度的大??；燃料控制閥模塊由圖中的三極管BG1、IC1B及其周圍的電阻表示，其中兩個閥門通過與門IC1A實現串聯效應；動力渦輪由運放U10及外圍元件構成的一階慣性環節表示；轉速傳感器的模塊是一個電壓-頻率轉換電路，由圖中的U15、U16、U17A等實現；位置傳感器的數學模型是一個比例環節，但為了保證其輸出信號的質量，在設計電路時加上濾波環節對其高頻干擾進行濾波，即由圖上的U4、U5及外圍元件表示。其中電路圖上的開關SF、PVF分別用來模擬一級轉速傳感器故障和一級燃料控制閥故障。

圖5 電子仿真試驗器電路原理簡圖Fig.5 Circuit diagram of electronic simulation tester

5 測試與試驗結果

為保證電子仿真試驗器對電子控制器進行整機檢測的有效性，本試驗采用一個標準的電子控制器與試驗器構成閉環仿真回路進行試驗，分別對渦輪動力裝置的空氣模式、燃料模式和空氣燃料混合模式進行仿真。

空氣模式的仿真結果如圖6所示。從圖上可見，空氣模式起動時蝶閥位置先開到最大值，使空氣流量立即加到最大以保證系統在3 s內完成起動過程，使渦輪轉速到達100%的額定值，圖中的19～21 s為起動過程。仿真試驗中還模擬了負載變化的過程，當負載功率增大時，空氣流量逐漸增大以維持渦輪轉速。

圖6 空氣模式仿真曲線Fig.6 Simulation curves of the air mode

圖7為燃料模式的仿真結果。燃料模式起動時，一級燃料控制閥完全打開使燃油流量達到最大，使得系統盡快達到額定轉速。圖中的7.3～10 s為起動過程。從10 s以后由一級燃料控制閥控制一級燃料回路工作，在22 s手動模擬一級轉速傳感器故障，這時一級燃料回路無法正常工作，于是控制器自動將停止一級燃料控制閥工作，切換到二級燃料回路，由二級燃料控制閥開始進行“Bang-Bang”控制，從而保證渦輪轉速不變。

圖7 燃料模式仿真曲線Fig.7 Simulation curves of the fuel mode

圖8曲線表示仿真系統在自動方式起動下的一段工作過程，完成起動后系統先后經歷了空氣充足、空氣不足以及完全無空氣三個階段。圖中的C段為混合模式工作，在24.5 s時刻空氣流量開始減少，一級燃料控制閥的開關頻率便增大從而維持渦輪轉速恒定。從上述三種仿真試驗結果可見，閉環仿真試驗器能很好地模擬渦輪動力裝置的起動過程和控制邏輯過程。

圖8 混合模式仿真曲線Fig.8 Simulation curve of mixed-mode

6 結論

本文設計了一種渦輪動力裝置的電子閉環仿真試驗器，該仿真試驗器可用于電子控制器的調節與測試。仿真結果表明，利用該電子閉環仿真試驗器能較好地模擬渦輪動力裝置系統的實際工況，其曲線走向趨勢與實際臺架試車的情況基本一致，在功能和置信度上都滿足了渦輪動力裝置電子控制器整機檢測的需要；為渦輪動力裝置電子控制器的調試和檢測提供了一種簡便、有效的途徑，且能顯著降低試驗成本和危險性。

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