某型高速水力測功器模型辨識方法研究

文/李峰 趙俊

水力測功器是一種功率消耗裝置，廣泛用于動力輸出負載裝置，本文所研究的水力測工器主要用于高速發動機動力軸吸功裝置，其工作原理如圖1所示。

水力測功器機械本體靜子通過軸承固定在安裝座上，轉子通過軸承支撐在靜子上，在靜子和轉子之間充水，發動機動力渦輪軸帶動轉子旋轉，水在靜子和轉子之間產生摩擦力吸收發動機的機械功，根據作用力與反作用的原理，測扭盤測量出靜子產生的扭矩即是轉子施加給靜子的扭矩，也就是發動機的輸出扭矩，再通過安裝在轉子上的測速音輪測量轉子轉速，即可計算出發動機的輸出功率。通過調節進、出水閥門的開度，改變通過測功器本體的水流量，從而控制測功器的驅動扭矩。

1 水力測功器控制原理

水力測功器在工作過程中，與發動機動力輸出軸保持功率平衡，此外，根據發動機控制需求，水力測功器具有四種控制模式：閥門位置控制模式（開環控制模式），恒轉速控制模式，恒扭矩控制模式，恒功率控制模式，其控制原理如圖2所示。

表1：進水閥和出水閥與負載對應關系

如圖2所示，水力測功器通過外部輸入選擇控制模式，根據控制模式，控制器根據相應的控制算法，輸出進水閥和出水閥控制信號給閥門機構控制盒，控制盒自動閉環控制出水閥和進水閥開度，從而實現水力測功器的工作狀態控制。

在水力測工器測控系統設計過程中，通常情況下，水力測工器進水閥和出水閥的特性設計與水力測工器的特性變化基本一致，即進水閥開度變化與出水閥關度變化引起的水力測工器狀態變化基本一致，因此，在調節過程中，為對進水閥和出水閥實現解耦控制和降低調節過程復雜度，通常設置進水閥調節開度為50%～100%，出水閥關度調節范圍為0～100%，且調節過程中，進水閥調節量值與出水閥調節量值為等量調節。

2 水力測功器模型分析

根據水力測工器控制原理可知，水力測工器工作過程中，水力測工器吸收的功率始終與發動機輸出功率保持平衡，在恒轉速、恒扭矩、恒功率控制模式下，水力測工器的轉速、扭矩、功率在控制模式選定后為給定量，因此，水力測工器的模型可確定為閥門開度與功率的關系，而對于位置控制模式，水力測工器的模型為閥門開度與扭矩關系。

圖1：水力測功系統工作原理圖

根據工程經驗，在水力測工器控制器參數診斷和驗證過程中，一般控制對象的模型逼真度不應該低于85%，才能保證診斷的控制參數能夠滿足水力測工器控制要求。

根據發動機的調節規律，高速發動機用水力測工器在工作過程中，通常采用恒轉速控制模式，因此，水力測工器模型宜采用恒轉速控制模式下的初步調試數據進行系統辨識，所辨識的模型為閥門開度與功率對應的關系，根據上述分析可知，該模型可用于恒轉速、恒扭矩和恒功率控制模式下的模型，而針對位置控制模式，可根據水力測工器設計準則進行評估。

圖2：水力測功器控制原理

圖3：恒轉速控制模式1

圖6：模型辨識結果

圖7：模型校驗數據選取

圖8：模型校核數據

3 水力測功器試驗數據分析

高速水力測工器恒轉速控制模式試驗，具體如下：

如圖3和圖4所示，在此控制模式下，水力測功器與發動機輸出功率平衡，水力測功器轉速跟隨發動機輸出軸轉速，當發動機輸出軸轉速達到100%時，水力測功器通過調節閥門開度，改變負載，使水力測功器扭矩跟隨發動機輸出扭矩。同時，在調節水力測功器閥門的過程中，首先對進水閥和出水閥設置初始值（進水閥開度105%，出水閥關度10%），然后在動態調節過程中，同步同比例等量調節進水閥開度和出水閥開度，從而調節水力測功器負載。

4 水力測功器模型辨識

4.1 水力測功器功率模型辨識

根據上述分析，水力測功器模型可描述為功率與閥門開度的關系，即：

其中，y(s)為功率輸出，u(s)為閥門位置變化。其中，閥門位置變化為進水閥位置變化與出水閥位置變化之和。

在系統辨識中，選取典型試驗數據進行辨識，然后通過其它過程驗證模型的有效性。根據試驗數據的質量，選取恒轉速控制模式2 中加速到地面慢車的數據進行辨識，如圖5所示，并通過MATLAB 模型辨識工具，辨識結果如圖6所示。

圖9：水力測功器校驗模型

其辨識模型為：

從辨識結果可知，模型逼真度為85.02%。

模型校驗：

在此，選取發動機減速過程過程進行校驗，選取數據段如圖7、圖8所示。

校驗結果如下：

如圖9，在模型校驗中，需要充分考慮原模型對試驗數據振蕩過程中的殘差對逼真度評判的影響，根據辨識的結果和不同功率階段校核的結果，該模型能反應水力測功器的工作狀態，校核逼真度為87.94%，因此，該模型為有效模型。

同樣，選取其他數據段進行驗證，亦可以得到較高的逼真度，從而充分驗證模型的有效性。

4.2 水力測功器負載模型

當水力測功器選擇位置控制模式時，水力測功器的負載與進水閥和出水閥之間的關系根據水力測功器的參數進行近似，當水力測功器進水閥全開（開度為100%）和出水閥接近全關（關度為50%）時，對應的扭矩為1000N.m（222%），假設負載與水門開度為線性關系，則負載模型對應的關系近似如表1所示。

即水力測功器的負載模型為：

其中，a 為水力測功器進水閥開度，單位為%；b為水力測功器出水閥的關度，單位為%；Tq 為水力測功器的負載扭矩，單位為%。

采用位置控制模式時，通常只需要驗證水力測工器部分工作點，以滿足發動機控制要求，因此，此模型為近似模型，可以根據實際試驗情況進行調整。

5 結論

本文根據某高速發動機用水力測工器工作原理和控制原理，分析了水力測工器模型建立方法，針對水力測工器初始試驗數據，通過系統辨識的方法建立水力測工器模型，并進行了驗證，驗證結果表明，所建立的模型滿足逼真度能夠滿足工程要求。