渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)液壓機(jī)械主控制系統(tǒng)建模與仿真分析

吳文斐，郭迎清，李 睿，陸 軍

（西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，西安 710072）

1 引言

由于具有技術(shù)成熟、可靠性高、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，隨著設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，液壓機(jī)械控制系統(tǒng)完全能夠完成具有一定復(fù)雜性的控制任務(wù)[1,2]，并且目前為中國(guó)現(xiàn)役航空發(fā)動(dòng)機(jī)所采用。

為了解決目前中國(guó)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)液壓機(jī)械主控制系統(tǒng)大都基于部件級(jí)的建模[3,4]技術(shù)建立模型和實(shí)施仿真的問(wèn)題，本文建立了某新型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)液壓機(jī)械主控制系統(tǒng)的完整仿真模型。這對(duì)指導(dǎo)產(chǎn)品調(diào)試、降低試驗(yàn)成本和指導(dǎo)產(chǎn)品的改進(jìn)改型具有十分重要的經(jīng)濟(jì)意義和應(yīng)用價(jià)值。

2 主控制系統(tǒng)概述

該型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)主控制系統(tǒng)的核心功能包括穩(wěn)態(tài)控制、過(guò)渡態(tài)控制、計(jì)量燃油、幾何型面調(diào)節(jié)等，主要組成部分包括轉(zhuǎn)速控制器、轉(zhuǎn)速傳感器、壓差控制器、壓力傳感器、溫度傳感器、指令形成裝置、高壓導(dǎo)葉控制器、低壓導(dǎo)葉控制器、計(jì)量活門(mén)、加速活門(mén)以及最大壓力限制器、最小供油量限制器、超前機(jī)構(gòu)活塞等。其主要組件模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，轉(zhuǎn)速控制器和溫度傳感器完成穩(wěn)態(tài)控制功能；轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器和加速活門(mén)完成過(guò)渡態(tài)控制功能；計(jì)量活門(mén)和壓差控制器完成計(jì)量燃油功能；指令形成裝置、高壓導(dǎo)葉控制器和低壓導(dǎo)葉控制器完成幾何型面調(diào)節(jié)功能；最大壓力限制器、最小供油量限制器、超前機(jī)構(gòu)活塞等完成極限值限制功能。

3 聯(lián)合仿真模型

AMESim是1款多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真軟件，可以直接面向液壓機(jī)械元部件進(jìn)行圖形化建模，適合對(duì)復(fù)雜液壓機(jī)械控制系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真。主控制系統(tǒng)中有很多杠桿組，杠桿之間的傳動(dòng)關(guān)系以及凸輪型面非常復(fù)雜，鑒于建模對(duì)象中存在一些非常規(guī)部件而無(wú)法用AMESim中的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)實(shí)現(xiàn)，可以利用AMESim和Matlab的接口在Simulink中實(shí)現(xiàn)這些非常規(guī)部件的功能[5]。

主控制系統(tǒng)的液壓機(jī)械部分在AMESim下建模，控制部分在Simulink下建模。通過(guò)在Simulink下連接主控制系統(tǒng)和使用C++建立并打包為Simulink模塊的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)非線性模型，完成主控制系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)的聯(lián)合仿真，這樣可以充分利用2個(gè)軟件在液壓機(jī)械系統(tǒng)建模仿真與數(shù)據(jù)處理能力方面的優(yōu)勢(shì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。同時(shí)，為保證主控制系統(tǒng)模型特性與該型發(fā)動(dòng)機(jī)主控制系統(tǒng)特性吻合，已對(duì)各組件模塊的控制功能進(jìn)行了測(cè)試，并和實(shí)際試車(chē)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，所得數(shù)據(jù)均與試車(chē)數(shù)據(jù)吻合；此外還測(cè)試了杠桿比、彈簧初始預(yù)緊力和彈性系數(shù)等關(guān)鍵零/部件參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響[4，6，7]。

整體仿真模型如圖2～4所示，Simulink控制模塊主要包括油門(mén)桿凸輪、溫度凸輪、轉(zhuǎn)速傳感器反饋凸輪、P2傳感器凸輪、流量反饋凸輪、3維凸輪、高壓導(dǎo)葉反饋凸輪、低壓導(dǎo)葉反饋凸輪。通過(guò)這些控制模塊完成控制算法功能。

4 仿真分析

模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在地面標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，油門(mén)桿從慢車(chē)15°推到大車(chē)65°時(shí)主控制系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況。通過(guò)測(cè)試反映發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的各變量以及主控制系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的變化來(lái)驗(yàn)證該型發(fā)動(dòng)機(jī)主控制系統(tǒng)的核心功能。

4.1 燃油流量變化

燃油流量從慢車(chē)到最大狀態(tài)加速過(guò)程的變化情況如圖5所示。從慢車(chē)時(shí)的550 kg/h上升到最大狀態(tài)的5510 kg/h，上述指標(biāo)符合該型發(fā)動(dòng)機(jī)在相應(yīng)狀態(tài)下的性能指標(biāo)。

4.2 主泵轉(zhuǎn)速變化

主泵轉(zhuǎn)速變化情況如圖6所示。從圖中可以看出慢車(chē)到最大狀態(tài)的加速時(shí)間約為3 s，與該型發(fā)動(dòng)機(jī)的加速性能參數(shù)一致。在從慢車(chē)到最大狀態(tài)加速過(guò)程中，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升，并迅速穩(wěn)定在最大狀態(tài)。

4.3 加速活門(mén)開(kāi)度變化

主控制系統(tǒng)內(nèi)部加速活門(mén)開(kāi)度的變化情況如圖7所示。從圖中可以清晰看出從慢車(chē)到最大狀態(tài)加速過(guò)程，以及轉(zhuǎn)速控制器和自動(dòng)加速器的切換過(guò)程。在將油門(mén)桿由慢車(chē)推到最大狀態(tài)后，加速活門(mén)迅速左移，打開(kāi)回油口。此時(shí)，自動(dòng)加速器通過(guò)限制轉(zhuǎn)速控制器所調(diào)節(jié)的供油量來(lái)調(diào)節(jié)加速供油量，使發(fā)動(dòng)機(jī)在加速過(guò)程中不喘振、不超溫，且調(diào)節(jié)時(shí)間短。隨著轉(zhuǎn)速的上升，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)快要達(dá)到最大狀態(tài)時(shí)，加速活門(mén)右移，在第2秒遮蔽回油口，自動(dòng)加速器退出工作，轉(zhuǎn)速控制器接替完成控制功能，使發(fā)動(dòng)機(jī)平緩上升到最大狀態(tài)。加速活門(mén)開(kāi)度變化翔實(shí)數(shù)據(jù)在試驗(yàn)中難以直接測(cè)量，聯(lián)合仿真為獲取控制系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)的實(shí)時(shí)變化提供了非常有效的手段。

4.4 幾何通道調(diào)節(jié)系統(tǒng)導(dǎo)葉角度變化

發(fā)動(dòng)機(jī)幾何通道調(diào)節(jié)系統(tǒng)導(dǎo)葉角度的變化情況如圖8、9所示。從圖可見(jiàn)，從慢車(chē)到最大狀態(tài)加速過(guò)程，隨著高壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速的增大，高、低壓壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)流葉片負(fù)角度增大，使發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量相應(yīng)增大，保證進(jìn)口導(dǎo)流葉片角度與發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)相適應(yīng)。

4.5 發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)變化

從慢車(chē)到最大狀態(tài)加速過(guò)程和發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)部分參數(shù)的變化情況如圖10所示。聯(lián)合仿真模型不僅可以直觀地獲取控制系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)的實(shí)時(shí)變化情況，而且可以很直觀地得到發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)各參數(shù)的實(shí)時(shí)變化情況。

5 結(jié)論

在深入分析國(guó)產(chǎn)某新型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)主控制系統(tǒng)工作原理及物理結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，使用AMESim建立主控制系統(tǒng)液壓機(jī)械部分?jǐn)?shù)學(xué)模型，使用Simulink建立控制部分?jǐn)?shù)學(xué)模型，通過(guò)在Simulink下連接主控制系統(tǒng)和使用C++建立并打包為Simulink模塊的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)非線性模型，完成主控制系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)的聯(lián)合仿真。仿真結(jié)果表明，該主控制系統(tǒng)模型特性與該型發(fā)動(dòng)機(jī)主控制系統(tǒng)特性吻合，且可以完成該型發(fā)動(dòng)機(jī)主控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制、過(guò)渡態(tài)控制、計(jì)量燃油、幾何型面調(diào)節(jié)等核心功能的全狀態(tài)、全過(guò)程仿真。利用該模型一方面可以指導(dǎo)產(chǎn)品調(diào)試，降低實(shí)際試車(chē)的成本和風(fēng)險(xiǎn)；另一方面可以指導(dǎo)產(chǎn)品的改進(jìn)改型，最大限度地發(fā)揮該型發(fā)動(dòng)機(jī)的性能效益。

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