現代航空發動機液壓機械控制器的仿真研究

秦宇峰

（東方航空公司技術有限公司山西分公司航線車間，山西 太原 030092）

在現代液壓系統的設計環節中，運用液壓仿真技術進行性能強化與改進，已經日益發揮著巨大的作用，被世界各國的相關領域所重視和使用。通過現代航空發動機液壓機械控制器，可以有效完成許多比較繁瑣的控制任務，為人們深入進行航空設計提供更多的參考資料

1 航空發動機液壓機械控制器仿真技術的相關概況

近年來，我國的現代制造行業搭上了世界第4次工業革命的快車，制造的創新與變化讓全世界為之震驚。作為高新技術產業的重要組成部分，航空發動機產業是現代航空產業中的核心產業，對中國航空技術的改革與發展起著舉足輕重的作用。當前，航空技術與智能化、仿真化的融合，是當前航空產業發展的關鍵所在，如何運用好智能化和仿真化技術，使航空發動機制造在信息化時代下取得跨越式發展，是促進航空發動機研究和開發制造的重中之重。其中的虛擬仿真技術通過提供一個強大的數字建模和仿真環境，借助計算機系統進行產品規劃、設計、制造、裝配、檢驗、保養、維修等各項模擬操作，不僅使相關的設計更加優化和便捷，還能夠幫助企業在設計階段就能夠充分全面地了解產品的生產制造全過程，從而預測產品的基本性能及可能存在的缺陷，使產品設計與制造更加精準高效，減少產品試生產中所造成的資源浪費。例如，波音777飛機就是通過虛擬制造技術，從飛機的整體設計一直到不同環境下的模擬試飛，使開發周期大大縮短，設計方案的修改更加靈活、快捷，有效降低了飛機的設計成本。

機械液壓式控制器，是航空推進系統的傳統設備，其隨著航空推進系統的發展而不斷更新換代，特別是隨著航空技術對控制功能需求的日益加大，機械液壓式控制器的設計和制造技術也在飛速演進。截至目前，機械液壓式控制器已經演變成為一臺高控制精度的計算裝置，能夠進行相對較為繁瑣復雜的發動機控制規律運算和推演，從而有效地進行航空設備控制。與飛機的整機制造相比，航空發動機的性能和結構更加復雜、繁瑣，同時也具有更高的精度要求，因此具有更大的設計和控制難度。通過虛擬仿真技術，不僅可以顯示產品的外形和內部構造，還可以模擬產品的使用過程和裝配、維修的情況，從而在動態中不斷發現發動機液壓機械控制器的工作實效，通過反復的評測來修改設計中的不當之處。借助于物理和化學理論，虛擬仿真技術還可以試驗不同條件下控制器的使用情況及承載能力，比如在高溫、低溫、高壓等相對惡劣的環境下，控制器能夠正常工作。如何在現實中進行這樣的試驗，勢必會造成大量生產原料的消耗，而且未必能夠準確掌握全部的數據資料。而借助虛擬仿真技術，可以進行全方位、反復的模擬試驗，從而最大限度地發揮材料的潛在能力，對產品進行最合理的設計。

2 航空發動機液壓機械控制器的仿真研究

2.1 液壓仿真平臺的建模

仿真系統，就是將客觀實際的系統，通過物理模型或者數學模型的形式進行建構，對模型進行試驗和研究，進而將獲取的研究試驗結果應用于實際系統中。仿真研究的基礎前提，首先就是必須找到最合適的仿真平臺，從而為接下來的建模奠定良好的基礎。目前市場上最為常用的液壓建模平臺主要有Matlab、ADAMS等，這類建模平臺相對較為簡單，主要是提供一個可以創建特定液壓仿真框架，具有大眾化的效果，但專業性不夠強。而HYPNEU以及EASY5等專業的液壓仿真平臺，則可以提供直接進行液壓仿真的專用仿真包，更加具有專業性、實用性。然而，由于后者的仿真包比較復雜，而且考慮到市場需求，主要適用于大型地行機械的液壓仿真使用，并不符合航空發動機液壓機械控制器這類的高精尖設備。因此，進行基礎的對照和比較后，Matlab可以進行機、電、液壓等不同子模塊的創建和編輯，同時還與其他仿真平臺有兼容的接口，具有十分強大的適應性，最為適合航空發動機液壓機械控制器的仿真建模。利用Matlab創建液壓仿真庫后，我們能夠借助平臺的窗口界面，進行可視化的系統仿真操作，比如運用Scope等圖形模塊，在對液壓機械控制器進行仿真虛擬的同時，就可以同步觀察到仿真的效果，然后再運用Matlab的存儲和編輯指令，對仿真結果進行儲存以及操作處理。

2.2 構建液壓元件模型庫

液壓元件模型庫，是建立發動機控制器模型的基礎素材庫，只有先建立并完善好齊全的元件模型庫，才能快速有效地進行控制器仿真模型的建設。特別是隨著現代科技產品的組成結構日趨復雜，功能日益多樣化，元件之間的耦合關系變得愈發緊密，建模對于產品仿真來說十分重要。以航空機電系統為例，在能量、控制、功能等多個層面上，綜合系統的燃油、液壓、電氣等系統之間的關系較實際相比更加密切，各系統協調合作，從而保障能源的優質高效利用。如圖1所示，通過供配用電綜合網絡，飛機架構上機電系統的聯系更加緊密。因此，液壓機械控制器的仿真建模，必須要首先建立好一套完整的元件模型庫，并保證各元件模型之間能夠進行高質量的數據交互，從而形成多模型聯合仿真的效果。

圖1 飛機綜合機電系統

根據控制器的不同部件功能，元件模型庫可包括給定元件、比較元件、液壓放大元件、測量元件、反饋元件等裝置。如果根據具體元件類型進行區分，元件模型庫則主要由機械元件和液壓元件兩個部分共同組成。其中，機械元件的核心在于質量模塊，是一個反映機械運動動態特性的二階模型，有位置限制、摩擦系數、質量等屬性，而杠桿、齒輪、凸輪、彈簧等只有傳遞的作用，并沒有太多的重要價值，但這些元件將影響到各模塊的參數及其對應情況，因此，機械元件仍然需要對初始值進行設置和調整。液壓元件則是根據進出的液體流量及壓縮腔體積計算壓力的變體積壓縮腔為重點，是一個反映液體壓縮特性的一階模型。

2.3 建立發動機控制器模型

航空發動機液壓機械控制器的仿真，離不開發動機控制器模型的建立。通常情況下，液壓機械控制器包括敏感元件、放大元件、執行元件幾種基本的功能模塊，在此基礎上又可以細分為定壓油源、層流板節流器等數十種構件。在Matlab中，可以分別對這些構件進行模型建立，然后再按照液壓機械控制器的整體構造進行裝配，使其完成仿真設置。此外，控制器根據功能還可以劃分為轉速調節器、加力燃油等獨立模塊。這些獨立的模塊，又可以進一步的細分，例如加速控制器可以細分為溫度放大器、轉速測量元件、壓力測量元件、隨動活塞執行機構、連桿機構等，這些元件多半都帶有負反饋的液壓伺服機構，以此作為基本的元件，可以有效保證功能的獨立性。發動機控制器模型，就是建立上述不同類型的構件，并建立各構件之間的接口模型，使之成為一個整體，然后再建立模塊化的數學模型，搭建出控制器的虛擬仿真模型。

2.4 發動機液壓控制器的仿真

通過上述的元件庫構建和模型建立，液壓控制器的仿真已經基本完成基礎的構建工作，余下的部分主要是模型的仿真操作，即調試和驗證。這段仿真操作，是建模中最困難的工作，同時也是最重要的環節。虛擬仿真操作，其目的主要是為了模仿實際操作的情形，因而必須要完全參照實際控制器的調試和實驗方式，進行虛擬仿真的穩態及動態調試。所謂穩態調試，就是要將控制器的穩態點調整到調試大綱所明確的數據范圍以內，對控制器仿真模式的實際穩態進行實驗調試。在調試過程中，還需要建立模型的調整接口，并配置好可以隨時用來更換的元件，使調試完全對應實際試驗的情景。穩態調試結束后，再對控制器進行動態仿真調試，特別是控制器與發動機之間的磨合情況，對調試的結果進行分析，并將其與實際數據進行比對，確保控制器在實際運行過程中能夠符合標準的性能指標，從而驗證好模型的正確。

3 結語

通過建立現代航空發動機液壓機械器仿真模型庫，構建與實際控制器完全一致的虛擬仿真模型，可以有效對控制器進行高效精準建模，然后再結合仿真模型進行數據調試，確保仿真數據與實際數據基本符合。在調試過程中，工作人員結合仿真模型進一步了解控制器的內部工作規律，發現控制器在常規情況下和運行過程中的特性，以及可能在實際操作中出現的問題和不足，在此基礎上進行航空發動機液壓機械控制器的實際設計，對于控制器的設計、制造與維修等各項工作有著重要意義，有助于控制器的設計、生產和改進，為現代航空技術發展作出更多的貢獻。