高空臺進排氣控制系統軟件設計

錢秋朦，但志宏，張 松，王 信，裴希同

(中國航發四川燃氣渦輪研究院航空發動機高空模擬技術重點實驗室，四川綿陽 621703)

1 引言

進排氣控制系統是航空發動機高空模擬試車臺(簡稱高空臺)的關鍵核心設備，通過調節發動機進氣壓力、溫度以及試驗艙內環境壓力來模擬發動機在不同高度、馬赫數下的飛行條件，其調節品質直接關乎發動機空中條件模擬的保真度，對發動機性能評定有著至關重要的影響[1]。作為進排氣控制系統中樞，系統軟件是連接需求分析、硬件系統并實現系統功能的橋梁，要求其能夠依據發動機試驗需求完成一系列邏輯功能，并驅動執行機構構建與發動機工況相匹配的飛行條件。為此，設計一套功能強大、性能優越的控制軟件，是進排氣控制系統高效運行的關鍵條件保障。

國外航空強國對高空模擬試驗進排氣控制系統進行了大量的研究。美國擁有世界上規模最大、功能最全、數量最多的高空模擬試驗設備，其控制系統軟件同樣功能豐富、結構完備，不僅能夠完成發動機常規工作性能、穩定性、適應性、可靠性等考核試驗，還可完成加速任務、進氣道動力學特性、狀態模擬等領域的試驗任務。德國斯圖加特高空臺控制系統基于CENTAURE V 程序統籌開環控制、閉環控制、功能切換、圖形顯示、數據記錄等一系列功能，形成了一套高效實時的系統軟件，保障了BR700、E3E 等多型發動機的試車工作。隨著我國新型航空動力、新型試驗方法、新型試驗設施及系統智能化的發展需求，現有高空臺控制系統軟件所面臨的挑戰越發嚴峻，需開展多項技術升級和完善研發工作。為此，本文以新建高空臺為依托，詳細介紹了該高空臺控制系統軟件的具體實現。整個系統軟件采用模塊化設計方法，各模塊依據發動機試驗需求獨立開發，且各模塊相互關聯、相互依存，最終依據控制實現邏輯完成模塊間的調用、組建形成系統軟件。該軟件已在多個型號發動機高空模擬試驗中得到有效驗證，系統運行實時、準確，工作穩定、可靠，滿足發動機高空模擬試驗需求。

2 軟件開發需求及特點

2.1 軟件需求

軟件開發包括七個方面的需求，具體為：

(1)針對發動機穩態性能試驗高精度環境模擬要求，設計穩態壓力控制功能的軟件模塊，提升控制器穩態調節精度，有效支撐發動機穩態性能評定。

(2)針對發動機過渡態試驗，設計具備基于調節閥特性主動抗擾控制功能的軟件模塊，提升控制器動態調節品質。

(3)設計變PID 參數控制軟件模塊，提升控制器對非線性對象的適應能力和過渡態環境模擬控制品質。

(4)針對發動機特殊環境模擬試驗，如高原起動、等馬赫數爬升、平飛加速等，設計相應特殊功能軟件模塊，滿足該類試驗需求。

(5)設計基于跟蹤微分器的信號處理軟件模塊，有效提取測量信號的動態信息成分，提升控制器的動態特性。

(6)針對發動機試驗安全，配備相應安全保障功能軟件模塊，如設備狀態監控、冗余備份、緊急操作等功能。

(7)設計人機交互系統軟件。該系統軟件配備了操作界面、穩/瞬態數據采集、流程實時顯示、控制參數設置、工作狀態監視、報警等功能，直接服務于發動機飛行環境自動調節任務。

2.2 軟件特點

進排氣控制系統軟件以其需求及功能為牽引。為確保系統軟件能夠依據發動機試驗要求和內容快速、實時、安全地實現一系列控制功能，其軟件設計需遵循以下特點：

(1)模塊化及高度集成性

整個進排氣系統軟件采用模塊化設計，按功能要求劃分為若干模塊，各模塊之間相互關聯，依據模塊間相應關系及邏輯執行順序一體化高度集成，使得整個系統軟件結構清晰，便于閱讀、理解、測試和修改[2]。

(2)實時性

軟件實時性要求所有數據處理、控制邏輯解算、控制功能執行、控制指令發送等都嚴格按照時序節拍進行控制，即軟件程序盡量精簡、干練，邏輯盡量嚴謹、清晰，且系統掃描周期可調。

(3)可靠性及安全性

系統軟件在發動機試驗中的地位舉足輕重，且自身承載信息龐大、實現功能多樣、適用范圍廣泛，一旦出現誤判、失效等故障，直接影響發動機試驗安全。

(4)通用性及可移植性

軟件通用性及可移植性直接反映了軟件的生命周期，即當前開發軟件具有可復制性和可重復性，能夠直接應用于后續各類型試驗艙的控制系統軟件設計。

3 軟件總體設計方案

整個系統軟件采用高效的模塊化設計方案，各模塊依據自身功能、作用獨立開發和測試[3]，并依據模塊間相互關系及控制邏輯功能完成模塊的調度與集成，形成進排氣控制系統軟件。依據發動機試驗需求，系統軟件分為穩態控制模塊、過渡態控制模塊、變PID 參數控制模塊、特種試驗控制模塊、信號處理模塊、安全保障模塊、人機交互模塊七大部分，如圖1 所示。每個功能塊實現不同功能，且均由多個子模塊組成。

4 關鍵功能模塊的軟件實現

根據進排氣控制系統軟件結構分類，對每個功能塊獨立設計，各功能塊間相互獨立、相互關聯、相互調用。下面詳細介紹穩態控制模塊、過渡態控制模塊、變PID 參數控制模塊和人機交互模塊等幾個關鍵功能實現模塊，其他模塊設計方法類似。

4.1 穩態控制模塊

圖1 進排氣控制系統軟件結構框圖Fig.1 Software structure diagram of intake and exhaust control system

穩態控制模塊用于實現發動機工作環境壓力的高精度調節，為主、副控制器的雙閉環控制結構。其中，副控制器以調節閥閥位為被控量，實現閥位的快速粗調和準確定位；主控制器以壓力為被控量，在快速消除擾動的同時實現壓力的高精度細調。設計的穩態控制軟件功能塊如圖2 虛線矩形框中所示，由數字PID 控制模塊、位置隨動控制模塊、工程轉換模塊等子模塊組成。

圖2 壓力高精度穩態控制軟件結構Fig.2 Software structure diagram of steady-state pressure control block

(1)數字PID 控制模塊

數字控制器內核采用位置式PID[4]，實現簡單、方便。軟件設計時，將數字PID 函數表達式進行模塊化封裝，模塊輸入為壓力設定值和壓力實時測量值，輸出為調節閥位置給定值。同時，該模塊配備了抗積分飽和、控制器手/自動無擾切換、死區設置等功能。該數字PID 僅為控制器基礎內核，可在其基礎上開發模糊PID 等一系列先進控制算法。

(2)位置隨動控制模塊

位置隨動控制模塊由P 控制器模塊和伺服閥非線性補償模塊組成，其軟件結構如圖3 所示。該軟件結構使得閥位控制指令與實際閥位信號呈良好的線性特性，從而實現調節閥對位置指令信號的快速跟隨和精確定位。

圖3 位置隨動控制模塊軟件結構Fig.3 Software structure diagram of position control block

其中，伺服閥非線性補償模塊是為克服電液伺服閥閥芯在零位具有嚴重非線性死區，使得伺服閥輸出流量不能與控制電流保持理想線性關系的問題。設計此模塊時，通過系統辨識方法獲取伺服閥控制電流與輸出流量的非線性補償曲線(式(1))，并將該補償曲線進行封裝形成非線性補償模塊。

式中：Q為電液伺服閥輸出流量，I為電液伺服閥控制電流，xv為伺服閥閥芯位移，vp為調節閥閥位。

(3)工程轉換模塊

工程轉換模塊為一通用數值轉換模塊，其作用是將實時采集的壓力、溫度、閥位等工程信號線性轉換為PLC 處理器可識別的整形數，如式(2)所示，以提升控制器的分辨率。

式中：f為轉換整形數，x為傳感器測量實際值，low為傳感器測量下限，up為傳感器測量上限。

4.2 過渡態控制模塊

過渡態控制模塊旨在提升發動機過渡態試驗中控制器的動態調節品質，其工作機理為：控制PLC 完成發動機及控制系統相應狀態信號的采集處理，實時解算壓力變化梯度以作為進入開環/閉環控制邏輯的判斷依據。其中，開環控制邏輯依據調節閥特性及位置隨動控制方法使調節閥按照指定速率運行到指定位置以實現壓力的粗略調節；閉環控制邏輯依據高精度的穩態壓力控制功能實現壓力的閉環自動精細調節。根據其工作原理，設計的過渡態控制軟件結構如圖4 所示，包含工作模式切換模塊、調節閥流量特性模塊、調用的位置隨動控制模塊和壓力穩態控制模塊。

圖4 基于調節閥特性的過渡態控制軟件結構圖Fig.4 Software structure diagram of transitional state control block based on valve characteristic

(1)工作模式切換模塊

工作模式切換模塊設計時，以發動機及控制系統實時狀態信息為輸入量，采用跟蹤微分器[5]計算出壓力變化梯度及發動機油門桿和轉速變化率，并以其作為控制器進入開環/閉環控制模式的判斷依據，最終輸出邏輯判斷信號。

(2)調節閥流量特性模塊

調節閥流量特性模塊用于開環控制邏輯下閥門位置控制設定指令的實時解算。該模塊依據調節閥所處的溫度、壓力及流經調節閥的流量(發動機流量)，結合流量特性插值表，實時計算出調節閥的預設開度，包含調節閥流量特性插值表及流量特性解算模塊，如圖5 所示。

圖5 調節閥流量特性模塊軟件結構Fig.5 Software structure diagram of valve mass flow characteristic block

①流量特性插值表

調節閥流量特性插值表直接反映調節閥的流通能力[5-6]。軟件設計時，采用理論建模和系統辨識手段獲得滿足工程應用的高置信度調節閥流量特性，該流量特性同閥后與閥前壓力比、閥門節流面積與管道面積比直接相關。軟件實現時，將流量系數制作成一張關于閥后與閥前壓力比、閥門節流面積與管道面積比的二維插值表，如式(3)所示，并封裝于模塊中。

式中：p1為閥前壓力，p2為閥后壓力；m1為管道面積，m2為閥門實際節流面積。

②流量特性解算模塊

流量特性解算模塊可根據當前調節閥所處的工作壓力、溫度、流量系數計算得出閥門的實時預設開度，其軟件實現的數學表達式如式(4)所示。

式中：vpset為調節閥預設開度，Wa為流經閥門流量，T為閥門所處溫度。

4.3 變PID 參數控制模塊

變PID 參數控制模塊用于提升控制器對非線性受控對象的適應能力，并縮短試驗狀態建立的調整時間，由跟蹤微分器[7-8]模塊和變PID 控制率模塊組成，如圖6 所示。

圖6 變PID 參數控制模塊軟件結構Fig.6 Software structure diagram of changed PID control block

(1)跟蹤微分器模塊

跟蹤微分器模塊實現以下功能：對設定值信號、反饋測量值信號進行有效濾波，安排出連續且光滑、非跳變的過渡過程；對設定值信號、反饋測量值信號提取出合理的滿足工程應用的微分信號，從而獲取信號的有效動態信息成分。跟蹤微分器的函數表達式如式(5)所示，軟件設計時采用歐拉離散形式實現[7]。

式中：r(k)為輸入信號；r1(k)和r2(k)為輸出信號，其中r1(k)為跟蹤r(k)的光滑且無超調的過渡過程值，r2(k)為去噪后滿足工程使用的微分信號；h為控制器掃描周期；delta為速度因子，決定跟蹤速度；h0為濾波因子，決定對噪聲的濾波效果；fst為非線性函數。

(2)變PID 控制率模塊

變PID 控制率模塊能夠實現比例、積分、微分參數的在線調整[9]，包含非線性特性函數模塊和調用的數字PID 模塊，如圖7 所示。其中，非線性特征函數模塊依據式(6)的函數形式設計，其輸入為原始比例、積分、微分系數，輸出為變化后的比例、積分、微分系數。該非線性特征函數使PID 控制器的控制參數能實現動態調整，從而實現如小誤差大增益、大誤差小增益等實際工程應用中的智能化控制[10]，一定程度上提升了控制器的非線性適應能力。

圖7 變參數控制率模塊軟件結構Fig.7 Software structure diagram of variable parameter control rate block

4.4 人機交互模塊

人機交互模塊(圖8)是系統與用戶之間進行交互和信息交換的媒介，負責系統工作狀況的實時監測和工作參數設置，可直接控制系統試驗過程自動化和參數獲取自動化服務，允許快速方便修改相應控制參數，安全有效地進行執行機構控制和飛行環境模擬調節[11-12]。通過該模塊可完成控制系統的過程控制、數據采集處理、狀態監視、報警和實時曲線顯示等功能。

圖8 人機交互模塊軟件結構Fig.8 Software structure diagram of human-compute interaction block

5 系統軟件實施效果

將所設計的進排氣控制系統軟件應用于發動機高空模擬試驗中，整個系統軟件的實施效果以最為直觀的圖形界面形式展示，如圖9 所示。該界面也是系統軟件的人機交互界面，通過該界面實現了試驗流程顯示、控制功能選擇、參數設置修改、模擬參數曲線顯示等一系列功能。

圖9 系統軟件實施效果圖Fig.9 Implementation diagram of software system

目前，所設計的系統軟件在多型發動機試驗中得到有效驗證，整個系統軟件運行穩定可靠，能準確模擬發動機真實試車過程。以某大流量發動機過渡態試驗為例，其控制效果如圖10 所示。結果顯示依據控制算法所設計的控制軟件合理、可靠，達到了預期設計目標和要求。

圖10 發動機過渡態試驗實施效果圖Fig.10 Implementation diagram of engine transitional state tests

6 結束語

高空模擬試車臺進排氣控制系統是實現發動機飛行環境模擬的核心系統，本文根據發動機試驗需求及控制系統設備特點設計了進排氣控制系統軟件。整個系統軟件采用模塊化設計，每個功能塊獨立開發并實現相應功能，最終依據控制要求將所有功能模塊一體化集成形成系統軟件。該系統軟件已在多型發動機高空模擬試驗中得到有效驗證，系統運行穩定可靠，滿足航空發動機高空模擬試驗需求。同時，該系統軟件可直接應用于后續多型發動機高空模擬試驗，并可直接指導或應用于后續各類試驗艙控制系統的軟件設計。