沖壓發動機控制系統的半實物仿真試驗研究

徐中節，尤裕榮，逯婉若，吳寶元

（西安航天動力研究所，陜西西安710100）

0 引言

沖壓發動機工作性能的好壞，在很大程度上取決于它的控制系統的品質[1,2]。沖壓發動機數字式控制系統的研制必須經過性能優良的半實物仿真試驗臺的驗證考核。另外，對于數字式控制系統中批量生產的調節器和控制器，由于機械加工及元器件性能不可避免的存在散差，每臺產品的性能均有差別，調節器和控制器的聯合調試也需用半實物仿真平臺來檢驗。

半實物仿真又稱硬件在回路仿真，它是將系統的部分實物接入控制回路的試驗[3～6]。其主要作用有：

（1）研究控制系統中各組合件接口特性和工作匹配性；

（2）研究燃油調節器的動、靜態特性；

（3）研究發動機控制規律和控制算法，實現控制器的快速原型設計；

（4）檢測產品控制器的硬件、控制時序及軟件性能等；

因此，控制系統半實物仿真聯合試驗是極其重要的一個環節。

1 半實物仿真系統平臺設計

1.1 半實物仿真系統組成

沖壓發動機控制系統半實物仿真系統由發動機電子控制器、燃油調節器、沖壓發動機和彈體數字仿真計算機、轉換裝置A／D板和D/A板以及其他電氣接口設備等組成，如圖1所示。

仿真計算機通過A/D卡接收角位移傳感器RVDT的油量信號，運行彈體和發動機數學模型，得出發動機入口狀態參數，通過D/A給控制系統輸出控制指令。控制器接收發動機入口狀態參數，按預定的控制規律計算得到理論燃油流量，與反饋的RVDT信號進行比較，通過設定的控制算法和脈寬調制電路變為脈寬調制信號，該信號經功率放大后驅動PWM電磁閥。另外，控制器接受仿真計算機的啟動、關機和其它指令信號等，實現對試驗過程的控制。

1.2 數字仿真器的設計

1.2.1 彈體數學模型

由于沖壓發動機推力作用是改變導彈的飛行條件，而飛行條件的改變反過來對沖壓發動機的狀態參數產生影響。因此，需要建立彈體的數學模型，再將沖壓發動機的數學模型與彈體數學模型一體化運行。假設導彈運動時其縱向對稱平面始終與地面坐標系的鉛垂面相重合，且導彈的質心在縱向對稱平面內運動，得到彈體的運動方程

式中，m為導彈質量；v為飛行速度；F為發動機推力；α為攻角；CX為阻力系數；Cy為升力系數；A為彈體橫截面積；θ為航跡傾角。

1.2.2 沖壓發動機數學模型

沖壓發動機數學模型是建立在給定飛行馬赫數和飛行高度下，按各部件特性計算得到的發動機推力、比沖、加熱比等性能參數。為了研究發動機控制規律和滿足半實物仿真試驗要求，需要建立簡化的沖壓發動機數學模型。

在建立沖壓發動機數學模型時作如下假設：

(1)認為氣流為無粘性、一元定常流，進氣道、噴管中為絕熱過程。

(2)氣體狀態采用理想氣體狀態方程描述，并按定比熱計算，空氣比熱比k=1.4，燃氣比熱比kb=1.33。

(3)發動機內外通道無熱交換，即燃燒前的氣流總溫等于來流總溫，燃燒后到噴管出口總溫相同。

根據以上所作簡化與假設，通過對主要特征截面參數計算，從而得到沖壓發動機數學模型。

1.2.3 模型仿真計算機

模型仿真計算機為運行沖壓發動機和彈體數學模型的微型計算機，仿真計算機主要完成以下任務：

(1)負責沖壓發動機和彈體數學模型的實時運行，并控制整個半實物仿真試驗的進行,負責仿真試驗的開始和停止。

(2)模擬發動機入口狀態參數,通過D／A輸出卡將來流氣體溫度、壓力信號等輸出給綜合控制器用于發動機控制規律的計算。

(3)通過A/D采集卡采集電子控制器發出的油門位置信號。

(4)通過I/O口發出系統的啟動和停止信號。

一般實時仿真計算機包括并行仿真計算機和通用計算機實時仿真等。并行仿真計算機適用于高要求系統的仿真。通用計算機配上相應的仿真軟件環境和I/O接口系統也具有較好的性能。本文的仿真系統采用通用計算機仿真，配置了一臺內存為1G×2、CPU主頻為3.2GHz×2芯片的HP工作站作為仿真計算機。仿真計算機PCI插槽中的A/D卡、D/A卡采用NI公司高可靠性E系列采集卡PCI-6024E和PCI-6713。

1.3 控制系統的組成

1.3.1 電子控制器

電子控制器主要完成發動機控制規律和控制算法的運算任務，保證導彈按預定的彈道飛行。控制器硬件電路結構框圖如圖2所示，主要有控制模塊電路，電源模塊電路，輸出驅動模塊電路，輸入傳感器信號調理模塊電路，輸入開關量信號調理模塊電路，通訊接口模塊電路。

1.3.2 燃油調節器

燃油調節器根據綜合控制器指令信號來計量和分配燃油，主要由等壓差機構、脈寬調制快速電磁閥、計量活門、加速電磁閥、角位移傳感器、噴嘴環轉換電磁閥等組成。在半實物仿真中調節器采用實物。

1.4 模型仿真與控制軟件的設計與實現

1.4.1 模型仿真的實現

在Matlab/Simulink中建立了導彈和發動機的數學模型，把數學方程表達的輸入、輸出信號用實際的A/D、D/A及I/O板替換，然后對硬件目標進行描述，生成實時代碼，將實時代碼下載到本地仿真平臺上，最后運行模型，進行仿真數據監視并可以在線修改仿真模型的數學部分。

1.4.2 控制軟件設計與實現

軟件系統是發動機控制系統的重要內容，軟件實現總體要求的發動機起動和控制計劃設定的控制規律，同時對發動機在動態過程中實施防喘控制和其他邊界條件限制控制。本系統為一個實時快速調節系統，系統對軟件在信號采集、數據傳輸、PID調節、數據處理上均要求快速、實時，具有較高的抗干擾能力。

（1）控制規律和控制算法設計

控制系統按給定的余氣系數控制供油，控制規律表達式如下：

式中，Pt2是進氣道出口截面總壓；Tt2為出口截面總溫；Ma2為進氣道出口馬赫數；A2為出口面積；m2=0.04由氣體熱力學計算獲得；α為余氣系數；L為當量混合比。

控制系統以PID控制算法實現上述控制規律，PID算法如下：

式中，e(k)為理論燃油流量r(k)與實際值y(k)構成的控制誤差；Kp為比例系數；T為采樣周期；Ti為積分時間；Td為微分時間；為積分系數；Kd=Kp×Td/T為微分系數；u(k)為控制量。

（2）嵌入式軟件的編程實現

在CCS環境下開發了實時運行的嵌入式C代碼，具有良好的可讀性和可維護性。

2 仿真試驗結果

在基于半實物仿真技術搭建的試驗平臺上，對控制系統的軟硬件特性、系統的匹配性、靜動態特性以及連續彈道的半實物仿真試驗等進行了研究。

對系統進行了升降臺階的階躍試驗，由圖3可看出控制系統快速響應性較好，在0.6s之內系統上升到額定值的90%左右（0.7V/s）。此外，系統的輸入和輸出吻合較好，穩態精度較高，重復性也較好。

由圖4看出，在連續彈道的半實物仿真試驗中，實際輸出供油量與理論輸入供油量能很好地吻合，控制效果比較理想，滿足彈道的實時控制要求。發動機在給定的馬赫數處接力，而后逐漸進入巡航狀態，使巡航馬赫數穩定在要求值，滿足預定的半實物仿真試驗要求。控制系統的半實物仿真試驗說明，本文設計的沖壓發動機數字式控制系統滿足設計要求。

3 結論

通過控制系統多輪的半實物仿真試驗后，得到以下結論：

（1）基于半實物仿真技術搭建的試驗平臺是沖壓發動機控制系統的研制過程中重要的一環，可穩定地提供各種控制指令，能滿足控測要求。

（2）電子控制器和燃油調節器匹配性良好，設計的控制規律和控制算法表現出了良好的魯棒性與動態性能。

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