小推力航發數控系統試驗臺總體方案設計研究

郭欣

（中國航發西安航空動力控制科技有限公司，陜西西安 710077）

1.某型小推力燃油控制系統試驗需求分析

一般來說，在試驗室完成燃油數字控制器在回路模擬試驗后，需要進一步集成系統中其他部件進行半物理模擬試驗，試驗時配裝發動機的燃油電控調節器及燃油數字控制器等其他控制系統部件均為實物，以保證燃油控制系統在裝發動機之前，得到進一步驗證，減少發動機試驗的風險[1]。數控系統傳感器信號通過發動機數學模型實時計算，將發動機狀態反饋信號通過電模擬發送給燃油數字控制器并對燃油調節器上的停車閥、快速閥等信號進行控制，此外發動機數學模型實時解算并輸出轉速信號給試驗臺，控制其轉速模擬系統的帶轉電機來拖動燃油電控調節器隨動，從而使燃油數控系統與試驗臺系統形成閉環控制。

1.1 燃油電控調節器性能校準

經查閱燃油電控調節器校準試驗的相關資料，主要的試驗項目有運轉試驗以及調整試驗，其中調整試驗有多個檢查項目，以確定燃油電控調節器的工作特性符合系統工作的要求，主要包括：轉速傳感器輸出信號檢查、壓差活門的調整、起動供油能力檢查、最小壓力活門開啟壓力的調整、計量活門停車位置的調整、最大供油量的調整、計量活門移動速率檢查等。

1.2 數控系統半物理模擬試驗

該系統在試驗臺上主要的測試項目為小閉環測試，也是該系統半物理模擬試驗的核心測試科目。

通過試驗臺控制燃油電控調節器轉速為恒定值，系統穩定后，通過通訊上位機閉環給定LM，并保證在各狀態穩定30s；試驗臺數采系統及燃油電子控制器記錄燃油電控調節器轉速；在燃油電子控制器上位機中，查看曲線回放數據，階躍響應指標如圖1所示。其中tr上升時間指對于有震蕩的系統定義為從（A）到第一次上升到終值（B）所需的時間；td延遲時間指從階躍響應給出到反饋至終值50%（A+（B-A）×50%）所需的時間；ts調節時間指階躍響應達到并保持終值±5%（B×（1±5%））所需的最短時間；ζ穩態誤差指穩定狀態反饋值與給定值差值的絕對值；σ%超調量。

圖1 計量活門行程階躍響應指標

2.試驗臺主要功能分析

該試驗臺主要功能是對燃油電控調節器進行最終校準，性能驗收合格后與燃油電子控制器、地面檢測設備聯合試車，驗證數控系統軟件和硬件功能的正確性，并對系統各參數進行調試，使其滿足發動機對數控系統靜態和動態性能要求[2]。傳感器和計算機采集處理系統組成的測控系統目前在工廠的其他設備上也已經開始成熟應用，大大提高了試驗測試的自動化程度，不但可以使測試精度得到提高，而且降低試驗人員的勞動強度，提高工作效率和工作的可靠性。考慮到該項目是技改經費支持的項目，遵循收益最大化原則，還需考慮試驗臺系統經過局部改造還可以進行其他類似產品或系統的相關試驗，為小推力燃油控制系統提供一個必要而且可靠的試驗平臺。

基于以上功能的分析，試驗器各類儀表如壓力表、流量計、溫度計、電流表的精度應能滿足被試產品的測量要求。為了測試準確、真實，還需要盡量減少管路沿程損失和局部損失。除燃油電控調節器、地面檢測設備、燃油數字控制器之外，還應準備一臺通訊上位機（含小閉環試驗上位機軟件和試驗臺測控系統上位機軟件），顯示器、鍵盤一套（模型機使用），穩壓電源（0～30V DC 5A）一臺，數字萬用表、示波器、電纜等。

3.試驗臺總體方案設計

總體設計方案主要包括試驗臺燃油系統采用A、B兩路供油泵供油（A供油口、B供油口），提供A供油口壓力-0.08MPa～0.3MPa，提供B供油口壓力-0.08MPa～0.7MPa，燃油系統采用開式、閉式兩種循環方式。沖洗管路式采用開式循環，系統短接后可以使燃油開式循環經燃油濾回到油箱。試驗時，主出口、出口燃油回到產品進口，也可調節不銹鋼球閥使主出口、出口燃油回到油箱，根據溫度要求設置調溫溫控表調節氣動三通合流閥，通過散熱器使油溫達到要求。通過調節三通球閥用于數控系統半物理仿真試驗。為保證清潔度，產品進口處安裝油濾，采用過濾精度5μ的過濾器，通過流量不低于660L/min，可以滿足燃油清潔度不低于6級的要求。燃油系統中的設計散熱器保證產品進口的溫度保持在常溫范圍內。傳動系統的結構采用雙傳動的模式，一套為電機、穿墻+聯軸器、專用安裝座的結構，用于小推力數控系統半物理模擬試驗，另外一套為電機、穿墻、聯軸器、變速箱、專用安裝座，用于小推力系列發動機配套的燃油調節器性能校準試驗（穩態）。采用國內生產的高精度數顯儀表和傳感器，如渦輪流量計—流量數顯儀，鉑熱電阻—溫度數顯儀以及工業控制計算機內裝數據采集軟件組成試驗臺的測控系統。為保證燃油、轉速控制模擬系統等正常工作，設計性能、功能匹配的滑油系統、低壓電氣控制系統、空氣系統，符合非標設備的安全操作的要求，具備過載自鎖、互鎖，短路保護等功能，來確保試驗臺正常可靠的運轉并完成相應的試驗測試科目。試驗臺設計原理中發動機數學模型發出的轉速信號n給定伺服驅動器，確保轉速模擬的實時給定滿足數控系統穩態、動態的測試要求，此外還需考慮試驗臺流量測量系統中優先選取響應時間在5ms以內的渦輪流量計。試驗臺設計原理如圖2所示。

圖2 試驗臺設計原理圖

按照試驗臺總體結構為三段式房間進行物理隔離的要求，其中試驗間為防爆區。完成總體設計方案后，需要根據設計功率的總和再加上一定的裕度，來評估廠房動力設施能力是否匹配。試驗臺自身電氣元件的選型、計算機測控系統的架設等方面要考慮本質安全型，可有效保證試驗臺安全可靠運行。

4.結語

本文對以及燃油電控調節器性能校準試驗、數控系統半物理模擬試驗方法進行了具體研究。開展了試驗臺主要功能的分析，明確試驗臺所承擔的試驗任務，試驗臺的關鍵系統經過局部改造還可以進行其他類似產品或系統的相關試驗。通過總體設計方案的確定，為后續設計研究工作打下良好的設計基礎。