魚雷渦輪發動機轉速閉環控制仿真

馬 良, 楊赪石, 張孝毅, 路 駿,3, 陳 剛, 韓勇軍

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魚雷渦輪發動機轉速閉環控制仿真

馬 良1,2, 楊赪石1,2, 張孝毅1, 路 駿1,3, 陳 剛1, 韓勇軍1

(1. 中國船舶重工集團公司第705研究所, 陜西西安, 710077; 2. 水下信息與控制重點實驗室, 陜西西安, 710077; 3. 西北工業大學航海學院, 陜西西安, 710072)

為實現魚雷的大范圍變速能力, 針對熱動力魚雷某型號渦輪發動機系統的非線性和大范圍換速和變深中參數變化大的問題, 通過對變燃料泵、燃燒室和發動機建模, 仿真獲得了系統的非線性特性和動態特性以及不同工況下的系統參數, 制定了轉速閉環控制策略, 采用變參數PID控制算法, 完成了渦輪發動機轉速的閉環控制仿真。仿真結果表明, 渦輪發動機的轉速閉環控制性能良好。

熱動力魚雷; 渦輪發動機; 轉速; 閉環控制; 變參數PID

0 引言

伴隨科技發展, 熱動力魚雷發動機轉速控制研究經歷了由單速制、雙速制向多速制和無級變速發展的過程, 其控制方式也由開環控制發展為閉環控制。活塞發動機由于最大輸出功率較小, 限制了魚雷的航速, 已不能滿足魚雷高航速的要求。而渦輪發動機具有功率大、耗氣量低、焓降大等優點[1], 輸出功率變化范圍大, 能大幅提高魚雷的航速, 可以實現魚雷大范圍的換速或變深[2]。但渦輪發動機是一個非線性的對象, 對工況變動特別是海水背壓的變化很敏感, 深度特性差, 控制調節比較復雜。為實現魚雷的大范圍變速能力, 需對渦輪發動機轉速的閉環控制進行研究。

在渦輪發動機轉速的調節控制方面, 主要針對基于電控變量燃料泵的轉速閉環控制開展了大量研究工作, 提出了熱動力無級變速的實現方式, 并對其特性進行了仿真分析[3-5]。目前國內也完成了相關試驗, 對渦輪發動機系統的調節功能和工作特性進行了初步驗證和考核, 但針對的均為功率較低、變化范圍較小的動力系統。

文中通過對熱動力魚雷某大功率渦輪發動機系統建模與分析, 制定了相應的控制策略和控制算法, 建立了控制系統仿真模型, 旨在通過控制參數的自動整定, 實現渦輪發動機全工況下的自動控制, 從而實現無級調速能力, 并通過仿真分析, 驗證了渦輪發動機轉速閉環控制的可行性, 為下一步的試驗研究提供理論支撐。

1 熱動力系統組成

魚雷熱動力系統的主要組成分為燃料艙、比例控制器、啟動切換閥、變量燃料泵、燃燒室、發動機、推進器、轉速控制器及其他輔機等部分[6]。對于文中研究而言, 動力系統主要組成可以簡化如圖1所示。

變量燃料泵: 實現對燃料的增壓和流量調節。

燃燒室: 將燃料充分燃燒, 產生推動渦輪發動機工作的燃氣。

發動機: 發動機為單級沖動式渦輪機, 實現燃氣熱能到動能的轉變, 燃氣動能到渦輪機軸機械能的轉換。

推進器或負載: 采用泵噴射推進器, 提供魚雷運動所需的推力。

轉速控制器: 實現對變量燃料泵的有效、可靠控制, 保證動力系統在各工況下轉速基本保持恒定。

文中主要研究變量燃料泵輸出流量對渦輪發動機轉速的影響, 通過控制流量來控制發動機轉速。

2 熱動力系統建模

2.1 變量燃料泵模型

變量燃料泵為一種斜盤旋轉式軸向柱塞泵, 通過電機驅動調節機構, 改變配流角來控制泵的排量。變量燃料泵在改變排量時, 調節機構將電機的轉速轉化成配流角的轉速, 改變配流角的大小。

變量燃料泵的流量為

變量燃料泵的配流角由電機控制, 電機轉速與配流角轉速存在比例關系, 故配流角大小通過電機轉速積分得到; 電機可以看作1階慣性環節[5], 慣性很小, 分析時可以作比例環節處理。因此, 泵配流角對執行電機驅動電壓的傳遞函數表示為

2.2 燃燒室和發動機模型

燃燒室壓力

渦輪機的燃氣消耗量

渦輪機最大可用等熵焓降

渦輪機輸出的有效功率

其中

渦輪機主軸系動力學方程

根據建立的變量燃料泵模型、燃燒室和渦輪發動機仿真模型, 建立發動機轉速對控制信號的仿真模型, 如圖2所示。

2.3 模型驗證

2.3.1 變量泵模型驗證

由于泵出口壓力的變化及其結構參數的影響, 泵實際排量與配流角的關系與理論關系存在一定的差異, 需要對排量與配流角的關系進行驗證。圖3是試驗和仿真得到的泵排量與配流角大小的關系。

由圖3可知, 模型與試驗得到的排量與配流角關系相差較大。理論模型中未考慮出口壓力、配流角等因素對容積效率的影響, 且配流盤機械結構決定了排量與配流角并非呈嚴格的函數關系。通過對試驗數據進行擬合, 重新獲得泵排量與配流角的關系, 對變量燃料泵模型中泵排量與配流角的關系進行修正。

2.3.2 燃燒室和發動機模型驗證

燃燒室與發動機模型相對較復雜, 涉及燃燒、熱功轉換等多個環節, 是動力系統最關鍵的組件, 其模型準確與否直接影響到整個系統模型的準確度, 因此必須對其模型進行驗證。文中所研究的渦輪發動機系統的功率試驗工作仍在進行中, 沒有相關試驗數據。此處選用另一渦輪發動機系統進行輔助驗證。

采用功率試驗變速過程的數據曲線與模型仿真結果進行對比。將試驗的泵體積流量數據轉換為質量流量數據作為模型的輸入, 得到燃燒室壓力和渦輪發動機轉速仿真結果, 對比結果如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可知, 仿真結果與試驗數據基本一致, 驗證了仿真模型的準確性。其中, 燃燒室壓力試驗曲線表示的是燃燒室的頭壓, 仿真曲線表示的是燃燒室的壓力, 兩者差表示燃燒室噴嘴的壓降, 與實際情況接近。

2.4 模型分析

燃燒室: 根據式(3)和式(4), 得到燃燒室壓力的傳遞函數

發動機: 渦輪發動機的數學模型相對較為復雜, 不容易直接對其進行分析。文中采用系統辨識技術對發動機進行特性分析[8], 在不同工況條件下, 選擇慣性環節模型方法進行參數辨識, 擬合度達到了95%以上。結果表明, 渦輪發動機轉速對燃燒室壓力的響應為慣性環節[9], 慣性環節參數通過系統辨識獲得, 時間參數為。

以上分析可知, 渦輪發動機轉速對燃燒室壓力的響應可以看作慣性環節;>>, 燃燒室壓力對泵供流量的響應速度快, 遠高于渦輪發動機轉速對燃燒室壓力的響應速度, 可近似看作比例環節。故渦輪發動機轉速對泵供流量的響應可以認為是慣性環節, 其傳遞函數

式中,k為慣性環節增益。

魚雷在換速或變深等變工況下工作時, 渦輪發動機主要工作參數會發生大范圍變化, 進而引起慣性環節參數的變化。為獲得慣性環節的參數, 對燃燒室與渦輪發動機的仿真模型進行不同工況下的仿真, 再采用系統辨識技術對參數進行辨識, 得到了不同工況下慣性環節的參數。仿真結果表明, 時間參數變化較小, 可以取定值且增益參數變化較大。

3 轉速閉環控制策略

3.1 控制策略討論

渦輪發動機轉速的控制是通過控制伺服電機, 改變燃料泵配流角, 從而改變泵的排量, 進而改變燃料泵的輸出流量以控制渦輪發動機的轉速。控制量的選取具有以下幾種方案。

1) 燃料泵輸出流量作為控制量

泵輸出流量除以檢測得到的發動機轉速后, 轉換成配流角信號, 對配流角進行閉環控制, 其工作流程如圖6所示。該方法存在的主要問題: 發動機轉速對泵供流量具有慣性, 給系統帶來一定的影響。對模型進行仿真分析可知, 發動機轉速對泵供流量不再是慣性環節, 該方法加大了系統的復雜性, 加大了控制的難度。

2) 泵配流角作為控制量

對配流角進行閉環控制, 其工作流程如圖7所示。該方法存在的主要問題: 配流角閉環控制環節可以表示為慣性環節, 且要求其慣性常數較小, 以滿足變速時配流角的快速響應, 而配流角執行電機轉速的飽和特性對配流角閉環控制環節存在一定影響, 加大了該環節的非線性, 影響了整個控制系統局部的動態特性。

3) 電機的控制電壓作為控制量

泵執行電機的驅動電壓直接作為控制量, 配流角由電壓積分獲得, 其工作流程如圖8所示。電機轉速的飽和特性對控制系統雖然會產生影響, 但其不會影響控制系統局部的動態特性, 從而在整個控制系統中產生的影響較小。

綜上所述, 文中采用第3種方案, 即電機的控制電壓作為控制量。

通過模型的建立、分析和控制策略的選取, 最終得到發動機轉速閉環控制的控制模型, 如圖9所示。

圖9中，in和out分別表示輸入和輸出渦輪機轉速;表示轉速偏差;表示泵執行電機的驅動電壓; theta表示泵配流角;表示泵輸出流量;表示泵供流量與配流角的比值, 其隨系統工況變化而變化, 且與發動機轉速成正比, 通過系統仿真可以獲得在不同工況下的取值。

3.2 控制策略分析

如圖7所示, 系統閉環傳遞函數為

期望閉環傳遞函數為1階慣性環節, 即

(12)

此時泵供流量的閉環傳遞函數為

(14)

故而, 初步得到控制律傳遞函數

下面對該傳遞函數的參數和存在的問題進行分析。

圖10為不同深度下, 發動機轉速及其對應的泵配流角的關系曲線, 其比值為與的乘積。

由圖10可知, 相同轉速下, 配流角隨著深度增大而增大; 相同深度下(除外), 配流角基本隨著轉速增大而增大;深度下, 相對轉速在60%左右時配流角最小, 且隨著轉速增大或減小, 配流角均增大。

2) 微分項系數的修正

在發動機轉速的閉環控制模型中, 將泵供流量與配流角的關系用靜態的比值表示, 而實際泵供流量與發動機轉速關系密切, 發動機轉速響應的快慢很大程度上影響了泵供流量對配流角這個過程的慣性, 實際配流角到發動機轉速的響應時間可以通過系統辨識技術得到, 響應時間>。

根據以上分析, 調整控制律傳遞函數中的相關參數, 以期獲得控制性能更好的傳遞函數。

(17)

閉環傳遞函數為

閉環控制系統為2階系統, 系統穩定。

極點為

零點為

(20)

系統輸入為轉速信號, 可以看作階躍輸入。

此時配流角閉環傳遞函數為

同理, 配流角相對系統輸入穩定。故而, 最終得到控制律傳遞函數

(22)

3.3 控制算法設計

由控制律傳遞函數的形式可知, 該傳遞函數可以由PID調節實現。由于系統參數隨著工況發生變化, 控制律傳遞函數的參數也將發生變化,故文中采用變參數PID控制算法來實現控制律傳遞函數[10]。

至此, 整個控制系統的仿真模型搭建完畢, 如圖11所示。

圖11 控制系統的仿真模型

4 仿真結果與分析

對搭建的控制系統模型進行仿真, 圖12和圖13分別是某深度下換速和某航速下變深的仿真結果曲線。

由圖12可知, 當魚雷進行換速時, 發動機換速平穩, 且轉速不存在超調, 換速時間滿足預設要求; 燃燒室壓力、配流角和泵供流量變化平穩, 不存在超調; 控制信號良好。

由圖13可知, 當魚雷進行變深時, 發動機轉速發生變化, 轉速偏差不大于2%, 轉速調節時間短, 調節速度快; 燃燒室壓力、配流角和泵供流量變化平穩, 不存在超調; 控制信號良好。

由換速和變深仿真結果可知, 選擇電機控制電壓作為控制量的策略, 采用PID控制算法, 可以實現魚雷熱動力渦輪發動機的轉速閉環控制。

5 結束語

文中通過對熱動力魚雷渦輪發動機系統進行建模與仿真分析, 獲得了熱動力系統的非線性特性和動態特性, 討論了不同控制策略的影響, 制定了以變量燃料泵配流角執行電機的控制電壓作為控制量的控制策略, 采用變參數PID控制算法, 進行了控制系統仿真。仿真結果表明, 在魚雷換速或變深條件下, 閉環控制算法可以實現對渦輪發動機轉速的控制, 且控制性能良好, 為下一步的試驗研究提供了參考。

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(責任編輯: 許 妍)

Simulation on Closed-loop Control of Torpedo Turbine Rotary Velocity

MA Liang,YANG Cheng-shi,ZHANG Xiao-yi, LU Jun,CHEN Gang, HAN Yong-jun

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710077, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi′an 710077, China; 3. School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

To realize speed variation of a torpedo in a wide range, the nonlinearity and the remarkable variation of parameters due to the speed and depth variations in wide range are considered for a certain type of turbine engine system of thermal propulsion torpedo. The models of fuel-variable pump, combustion chamber and engine are established to obtain the nonlinear and dynamic characteristics of the system as well as the system parameters in different conditions. Further, a closed-loop control strategy of rotary velocity is drawn up, and the proportion-integral-derivative(PID) control algorithm with variable parameters is adopted to implement rotary velocity control simulation of the turbine engine. Simulation results indicate good performance of the closed-loop control of turbine engine rotary velocity.

thermal propulsion torpedo; turbine engine; rotary velocity; closed-loop control; proportion-integral-derivative(PID) control with variable parameter

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.06.007

TJ630.32；TP271.7

A

1673-1948(2016)06-0431-07

2016-09-23;

2016-10-19.

馬 良(1992-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為能源動力推進技術.