飛機(jī)發(fā)動機(jī)逼喘實(shí)驗(yàn)器液壓控制系統(tǒng)研究

王野牧，張 陽，李 奇

(沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

0 引言

飛機(jī)發(fā)動機(jī)逼喘實(shí)驗(yàn)的目的是為了獲得發(fā)動機(jī)的喘振工作點(diǎn)，進(jìn)而確定穩(wěn)定的工作邊界，避免由喘振引起的飛行風(fēng)險(xiǎn)以及事故的發(fā)生。逼喘實(shí)驗(yàn)是將逼喘實(shí)驗(yàn)器供油口與發(fā)動機(jī)燃油總管相連，使進(jìn)入燃燒室的燃油瞬時(shí)急增，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)恒定轉(zhuǎn)速下的逼喘，進(jìn)而獲得發(fā)動機(jī)的喘振工作線。在該實(shí)驗(yàn)器正式應(yīng)用之前，國內(nèi)沒有類似實(shí)驗(yàn)器，由于保密原因國外資料可以參考的寥寥無幾。故需完全重新研制一臺逼喘實(shí)驗(yàn)器，為發(fā)動機(jī)整機(jī)逼喘實(shí)驗(yàn)提供數(shù)據(jù)保障，也為后續(xù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)提供參考資料。

根據(jù)實(shí)際工況需要，實(shí)驗(yàn)器所需要實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)如下：①向內(nèi)部壓力最高為10 MPa的燃油總管注射最大量為125 mL的燃油；②需在0.2 s內(nèi)注射完成；③燃油注射精度0.1%且不允許有超調(diào)。

1 逼喘實(shí)驗(yàn)器的組成及工作原理

逼喘實(shí)驗(yàn)器主要由液壓泵站和燃油注射系統(tǒng)兩部分組成。圖1為逼喘實(shí)驗(yàn)器液壓原理圖。燃油注射系統(tǒng)由燃油注射器和伺服油缸組成，燃油注射器將燃油注射到燃油總管中并與發(fā)動機(jī)燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)的供油匯合，一同注射到燃燒室中,因此控制燃油注射量即控制伺服油缸的位移。位置閉環(huán)系統(tǒng)由伺服控制器、伺服比例閥、位移傳感器構(gòu)成。位移傳感器采集伺服油缸位置信號，傳遞給伺服控制器，再由伺服控制器進(jìn)行計(jì)算、分析并控制伺服比例閥的開度，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)位置控制。

1-油泵電機(jī)組；2,18-過濾器；3-溢流閥；4，15-電磁換向閥；5-單向閥；6-截止閥；7-壓力傳感器；8-蓄能器；9-伺服比例閥；10-泄漏阻尼孔；11-位移傳感器；12-伺服油缸；13-接油筒；14-流量開關(guān)；16-注射油缸；17-風(fēng)式冷卻器；19-溫度傳感器圖1 逼喘實(shí)驗(yàn)器液壓系統(tǒng)原理圖

2 基于AMESim的位置系統(tǒng)模型建立

2.1 伺服比例閥模型建立

伺服比例閥作為逼喘實(shí)驗(yàn)器液壓系統(tǒng)的重要核心元件，其性能好壞直接影響系統(tǒng)的控制精度以及響應(yīng)時(shí)間。閥模型準(zhǔn)確性將直接影響仿真結(jié)果，在AMESim中建立如圖2所示伺服比例閥模型，圖2中,k為伺服比例放大系數(shù)，ω為伺服比例閥固有頻率，ζ為伺服比例閥阻尼比。模型參數(shù)如表1所示。

1-伺服比例閥輸入信號；2-二階振蕩信號；3-閥芯飽和位移；4-位移信號轉(zhuǎn)換；5-閥體圖2 伺服比例閥仿真模型

表1 伺服比例閥參數(shù)

2.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)模型的建立

逼喘實(shí)驗(yàn)器閉環(huán)位置控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。逼喘實(shí)驗(yàn)器的閥控非對稱缸的位置控制系統(tǒng)包括兩部分：第一部分是采用經(jīng)典PID控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)，第二部分是引入前饋補(bǔ)償控制的部分。

圖3 逼喘實(shí)驗(yàn)器閉環(huán)位置控制系統(tǒng)框圖

帶有前饋補(bǔ)償?shù)目刂撇呗允?，由控制器預(yù)先生成目標(biāo)曲線，由控制器控制液壓缸跟隨目標(biāo)曲線運(yùn)動。在PID控制信號刷新之前，控制器會預(yù)先計(jì)算出目標(biāo)的速度和加速度，不必等待PID對實(shí)際位置誤差的響應(yīng)，直接輸出信號控制油缸位置。最終使系統(tǒng)響應(yīng)更快，控制精度更高，且沒有超調(diào)和震蕩。搭建的逼喘實(shí)驗(yàn)器系統(tǒng)仿真模型如圖4所示。

3 逼喘實(shí)驗(yàn)器系統(tǒng)仿真與分析

設(shè)定液壓系統(tǒng)中的各項(xiàng)參數(shù)，并進(jìn)行仿真，其具體參數(shù)設(shè)置為：

(1) 柱塞泵的排量為15 L/min，蓄能器的容積為10 L，蓄能器的充氣壓力為12 MPa。

(2) 伺服油缸活塞直徑40 mm，活塞桿直徑28 mm。

(3) 注射油缸活塞直徑35 mm，活塞桿直徑25 mm。

經(jīng)典PID控制算法中，要想無超調(diào)地跟蹤預(yù)設(shè)目標(biāo)曲線，須經(jīng)多次試驗(yàn)調(diào)出最優(yōu)PID參數(shù)，試驗(yàn)曲線如圖5所示。從圖5中曲線可以看出，伺服油缸在0.3 s收到注油信號后，在0.188 s后位移量達(dá)到精度要求，油缸位移為129.805 mm，其中燃油注射器內(nèi)徑為35 mm，換算可知燃油注射量為124.887 mL，燃油注射精度為0.09%。

1-輸入信號；2-放大器；3-PID控制器；4-加速度前饋控制器；5-速度前饋控制器；6-采樣開關(guān)；7-伺服比例閥；8，9-蓄能器；10-注射油缸；11-位移傳感器；12-伺服油缸；13-油泵電機(jī)組；14-溢流閥圖4 逼喘實(shí)驗(yàn)器仿真模型

圖5 經(jīng)典PID控制的伺服油缸位移曲線

為提高系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，加入速度前饋和加速度前饋對系統(tǒng)進(jìn)行校正，試驗(yàn)曲線如圖6所示。從圖6中曲線可以看出，伺服油缸在0.3 s收到注油信號后，伺服油缸在0.151 s后位移量達(dá)到精度要求，油缸位移為129.831 mm，換算可知燃油注射量為124.911 mL，燃油注射精度為0.07%。

圖6 加入前饋控制器的伺服油缸位移曲線

4 逼喘實(shí)驗(yàn)器與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在該逼喘實(shí)驗(yàn)器與飛機(jī)發(fā)動機(jī)聯(lián)機(jī)后，進(jìn)行注油實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)器安裝如圖7所示。將速度前饋、加速度前饋、比例、積分、微分的放大倍數(shù)調(diào)整為Kfv=0.06、Kfa=0.009、Kp=3、Ki=0.2、Kd=0時(shí)，實(shí)測液壓缸位置曲線如圖8所示，伺服油缸在0.157 s后位移量達(dá)到精度要求，油缸位移為129.828 mm，換算可知燃油注射量為124.910 mL，燃油注射精度為0.07%。逼喘實(shí)驗(yàn)器性能指標(biāo)滿足實(shí)驗(yàn)要求，且與仿真分析基本一致。

圖7 實(shí)驗(yàn)器安裝圖

圖8 液壓缸位置實(shí)測曲線

5 結(jié)論

利用AMESim仿真軟件對逼喘實(shí)驗(yàn)器位置控制系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真可以看出：對于閉環(huán)位置控制系統(tǒng)，要想提高系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間又不產(chǎn)生超調(diào)和震蕩，可以加入速度前饋與加速度前饋環(huán)節(jié)，從仿真曲線上可以看出，改善后的控制效果比較明顯。逼喘實(shí)驗(yàn)器的成功設(shè)計(jì)、制造，對后續(xù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)器設(shè)計(jì)、加工和制造具有一定的指導(dǎo)意義。