燃油計量組件試驗液壓控制系統研究

盛世偉，李軍偉，朱漢銀，楊佳麗

（中國航發北京航科發動機控制系統科技有限公司，北京102200）

0 引言

現代航空發動機要求對燃油流量精確控制，以期在充分發揮發動機性能潛力的同時，保障其安全[1]。燃油控制系統被喻為航空發動機的心臟[2]，其功能是根據飛機的飛行條件和飛行狀態按需求提供相應壓力和流量的燃油，從而保證發動機正常工作[3]。燃油計量組件是燃油控制系統的重要功能部件，經計量組件計量后的燃油被輸送到發動機燃燒室參與燃燒[4]。

燃油計量組件作為航空發動機中燃油計量裝置的重要功能部件，其性能好壞直接影響到航空發動機乃至整個飛機的控制特性。計量組件的性能試驗具有控制精度高、各被控參數相互耦合的特點。為提高燃油控制系統整機性能調試的效率和可靠性，在燃油控制系統裝配調試前需對燃油計量組件進行性能測試[5]。然而，國內外學者的研究重點多在整個燃油計量裝置特性上[6-10]，而對燃油計量組件性能試驗的研究鮮有報道。余玲等[11]研究了溫度對航空發動機整個燃油計量裝置特性的影響規律；曹啟威等[12]基于AMESim對步進電機和燃油計量裝置機械液壓組件進行仿真，驗證了仿真模型的準確性，但未涉及試驗相關內容；劉鐵庚[13]介紹了1種新穎且適于中小型航空發動機數控系統的燃油計量裝置設計方案，并在科研實踐中得到應用，但未涉及燃油計量組件性能試驗方面的內容。為了準確測試航空發動機燃油計量組件的性能狀態，以某航空發動機為例，對其燃油計量組件性能試驗的控制系統進行研究。該發動機的燃油泵和計量裝置是在引進法國某型發動機燃油控制系統液壓執行機構生產專利基礎上進行國產化研制的，其計量組件是該燃油泵和計量裝置的重要功能部件。

本文對燃油計量組件試驗液壓控制系統和控制方法進行設計，以實現計量組件出口壓力和進出口壓差的精確控制，采用高精度位移伺服控制系統實現計量組件閥芯位移的精確控制，可為國防領域內類似產品的高精度性能試驗提供參考。

1 燃油計量組件試驗條件

該航空發動機燃油計量裝置主要由計量組件、步進電機、位移傳感器、壓差活門以及增壓活門等元部件組成，如圖1所示。步進電機、角位移傳感器與航空發動機控制器共同構成計量組件閥芯位移的閉環控制；增壓活門保證計量組件的出口壓力保持恒定；壓差活門調定計量組件前后壓差。

為了準確模擬航空發動機在運行過程中燃油計量組件的性能狀態，其性能試驗需滿足以下條件：

（1）燃油計量組件前后壓差實現精確控制，穩態誤差為±0.003 MPa。

（2）燃油計量組件后的壓力實現精確控制，穩態誤差為±0.005 MPa。

（3）燃油計量組件閥芯位移實現精確控制，穩態誤差為±0.005 mm。

圖1 燃油計量裝置

2 試驗液壓原理與控制策略

2.1 試驗液壓原理

為模擬計量組件出口壓力，在計量組件出口設置1個背壓閥，將計量組件和背壓閥等效為可調節流閥，閥芯位移分別用xv和xo表示，如圖2所示。

圖2 試驗液壓原理

根據節流口的流量方程，通過計量組件的流量為

式中：Cd為流量系數，無量綱；Wv為閥口的面積梯度；駐p=pi-po，為計量前、后的壓力差；ρ為燃油密度。

從式（1）中可見，qo與駐p及xv相關。在溫度和xv不變的情況下，qo與成正比。

假設背壓閥后的壓力為0，則通過背壓閥的流量

式中：Wo為背壓閥閥口的面積梯度。

由式（1）、（2）得

式中：C為常數。

從式（3）中可見，在計量組件位移一定的情況下，即xv不變時，調節xo時，同時影響駐p和po的值，即調節xo時，pi和po同時變化。從式（2）可知，若保持po不變，在Wo一定的情況下，qo與xo成正比。

為滿足試驗條件，需對po與△p進行協調控制。為保證壓力控制系統的穩定性，通過自動閉環控制po始終保持某一定值，通過調節xo實現流量qo的調節，進而改變計量油針活門壓差△p。

通常，液壓系統的壓力調節可利用溢流閥、減壓閥等壓力調節閥實現，也可以通過節流、調速等流量控制手段實現。而目前的壓力調節閥受限于頻響、滯環等因素，其壓力控制精度很難達到試驗所需的高精度控制要求。由于變頻電機具有極高的轉速控制精度，采用變頻電機參與壓力的閉環控制可以滿足所需的高精度要求。考慮到變頻電機低速穩定性不高，且定量泵在低速運轉時存在較大的壓力脈動，因此為增大壓力的控制范圍，采用變頻電機與旁路比例流量閥協調配合的方式對po進行閉環控制。綜上所述，本文的液壓控制系統原理如圖3所示。

圖3 液壓控制系統原理

該液壓控制系統由定量泵、變頻電機、比例節流閥、計量組件、節流閥以及流量傳感器等組成，其中定量泵+變頻電機與比例節流閥協調控制po，通過節流閥控制qo，從而控制△p，流量傳感器實時監測系統的流量。

2.2 控制策略

為實現計量組件出口壓力和進、出口壓差的精確控制，提出“泵閥復合控制+進、出口壓力協調控制”的控制策略，如圖4所示。

圖4 控制策略

2.3 仿真分析

基于AMESim搭建燃油計量組件試驗液壓控制系統的仿真模型[14-15]并進行仿真。計量組件后壓力控制特性、比例節流閥及變頻器的響應特性如圖5所示。

圖5 仿真曲線

從圖中可見，在計量組件出口壓力小于0.8 MPa時，即在第0.6 s前，僅由比例節流閥參與壓力控制，變頻器頻率保持在初始值25 Hz；當壓力大于0.8 MPa時，即在第0.6 s后，僅由變頻器參與壓力控制，而比例節流閥開口度保持不變。壓力穩態控制誤差為0.001 MPa。

經過仿真分析，驗證了控制策略的有效性，為后續試驗臺的搭建與試驗提供了理論支撐。

3 試驗臺概述與試驗

3.1 試驗臺概述

試驗臺主要由液壓系統、計量組件位移伺服控制系統、測控系統等組成，如圖6所示。

圖6 試驗臺

其中，計量組件位移伺服控制系統由伺服控制器、伺服電機、絲杠、光柵尺以及頂針工裝組成，其控制框圖如圖7所示。

圖7 計量組件位移伺服控制系統

在計量組件位移伺服控制系統中，計量組件的線位移由伺服電機的旋轉角位移通過絲杠及頂針工裝轉化而來，計量組件位移反饋信號由光柵尺檢測并給定，通過調節伺服控制器的PID參數實現計量組件位移的準確控制。

3.2 試驗結果與分析

給定不同計量組件閥芯位移，得到位移響應曲線如圖8所示。

從圖中可見，給定計量組件閥芯位移為1、3、5、7 mm，位移響應的穩態控制誤差均為±0.001 mm，滿足計量組件閥芯位移控制精度試驗要求，保證了后續試驗結果的準確性。

當今社會大家對用餐份量可謂是各有所需，比如在日本的中華菜館非常常見的“小皿料理”(こざらりょうり),指的就是小份量，一般是原菜品的1/2～1/3左右。

在計量組件閥芯位移一定的前提下，設定不同出口壓力，同時調節計量組件前后壓差為0.2 MPa，相關響應曲線如圖9所示。

圖8 不同計量組件閥芯位移響應

圖9 不同出口壓力、相同位移和壓差下的響應

從圖中可見，給定相同計量組件閥芯位移，控制不同的出口壓力和相同的進、出口壓差，均能實現穩定控制，且其穩態控制誤差均可達到±0.002 MPa，滿足燃油計量組件性能試驗的高精度控制要求，變頻器頻率和比例閥電壓的變化趨勢與仿真結果一致，進一步驗證了控制策略的有效性。

保持計量組件閥芯位移不變，設定計量組件出口壓力為 1.0 MPa，分別調節壓差為 0.1、0.2、0.3、0.4 MPa，各參數的響應曲線如圖10所示。

從圖中可見，隨著壓差的變化，計量組件的出口壓力穩定狀態被打破，在調節壓差的同時，控制系統自動回調出口壓力，最終出口壓力和壓差同時到達控制目標并穩定；在整個調節過程中，由于出口壓力偏差值始終未達到比例閥的動作條件，因此僅變頻器參與自動調節；壓力穩態控制誤差均達到±0.002 MPa，滿足燃油計量組件性能試驗的高精度控制要求。

圖10 相同出口壓力和位移、不同壓差的控制特性

設定計量組件出口壓力為1.0 MPa，控制計量組件的閥芯位移分別為-2、-1、0、1 mm，并同時調節計量組件進、出口壓差始終保持0.2 MPa，試驗得到的響應曲線如圖11所示。

圖11 相同出口壓力和壓差、不同位移的控制特性

從圖中可見，不同計量組件閥芯位移出口壓力和進、出口壓差均能實現穩定控制，且其穩態控制誤差均可達到±0.002 MPa。

綜上所述，所研究的燃油計量組件控制系統以及“泵閥復合控制+進、出口壓力協調控制”的控制策略，在不同計量組件閥芯位移、不同出口壓力和進、出口壓差的控制要求下均能實現計量組件出口壓力和進、出口壓差的精確控制，具有較好的魯棒性，從而保證了燃油計量組件性能試驗結果的可靠性。

4 結論

為了準確測試航空發動機燃油計量組件的性能狀態，對其性能試驗的控制系統進行研究，得到如下結論：

（1）基于燃油計量組件的結構、工作原理以及試驗要求，設計了液壓控制系統，從理論上分析了該系統的可實施性；

（2）提出“泵閥復合控制+進、出口壓力協調控制”的控制策略，實現了計量組件出口壓力和進、出口壓差的精確控制，控制精度均可達到±0.002 Pa，滿足了燃油計量組件性能試驗的功能要求以及高精度要求；

（3）采用由伺服電機、絲杠和光柵傳感器組成的位移伺服控制系統，實現了計量組件閥芯位移的精確控制，計量組件閥芯位移控制精度可達到±0.001 mm，保證了燃油計量組件性能試驗結果的可靠性。

本研究方法和結論可為國防領域內類似產品的高精度性能試驗提供參考。