某智能燃油計量機構正向設計研究

張昌菊，單金光

(中國航發貴州紅林航空動力控制科技有限公司，貴州 貴陽 550009)

人工智能(Artificial Intelligence, AI)亦稱機器智能，屬于自然科學、社會科學、技術科學三向交叉學科，是對人的思維的信息過程的模擬，是用人工方法在計算機上實現的智能。它是研究如何使用計算機來模擬、延伸和擴展人的某些思維過程和智能行為的技術科學。計算機是AI的主要物質基礎以及技術基礎[1]。AI所有的智能活動都是反饋機制的結果，而反饋機制是有可能用機器模擬的。

分布式智能控制系統AIFC(AI+FADEC)是人工智能(AI)+全權限數字式電子控制系統(FADEC)，主要由輸入部分(人工給定指令信號、健康管理智能系統等)、中央智能控制器(或數字式智能計算機)、智能燃油計量機構、智能傳感器、智能執行機構、電源總線和數據總線等組成[2]。其中，人工智能和中央智能控制器+智能電動控制器，成為分布式智能控制系統重要的輸入控制端，而輸出端主要集中在智能燃油計量機構上。分布式智能控制系統框架圖如圖1所示。圖1中，某智能燃油計量機構正向設計研究是應用人工智能+FADEC平臺，把傳統機械液壓調節機構變為智能機器，通過正向設計和技術狀態管理，為用戶提供軟硬件全套解決方案，實現最佳智能燃油計量機構的工作體驗。圖1中，某智能燃油計量機構采用單通道的燃油計量閥門機構，它是AIFC的核心，其燃油計量方式直接影響AIFC的穩態控制精度和動態特性；其性能和可靠性決定了整個AIFC的優劣和可靠性[3]。

圖1 分布式智能控制系統框架圖

1 新技術應用研究

1.1 分布式智能控制系統

先進航空發動機和燃氣輪機的控制系統采用全權限數字式電子控制系統(FADEC)，幾乎克服了機械液壓式控制系統和模擬電子控制系統的所有不足[4]。FADEC分集中式和分布式控制系統。分布式智能控制系統(AIFC)是人工智能(AI)+全權限數字式電子控制系統(FADEC)。AIFC應用人工智能技術，模擬人的思維過程和智能行為，遵守“功能分散”設計思想，采用“分層結構”，把AIFC的低級處理功能，如大部分控制、監測功能以及計算任務，從AIFC中央智能控制器下放到現場智能傳感器和智能執行機構中，中央智能控制器只執行高級功能，如人工指令、復雜控制算法、模型計算、命令發送等。現場相關傳感器和執行機構進行人工智能化處理并嵌入微處理器，使之成為智能傳感器和智能執行機構，通過數據總線與中央智能控制器通信，使用電源總線供電[5](見圖1)。

1.2 智能燃油計量機構

智能燃油計量機構是把傳統機械液壓式燃油計量機構計算機化和智能材料化，減少機械類零件，增加智能反饋機構和電子元件，采用稀土永磁電動機精準定位和自動鎖定，嵌入反饋和閉環控制芯片或微處理器，使其帶有電源和數據總線接口。如圖1中虛線所示，主要由智能電動控制器、智能旋轉變壓器、稀土永磁爪極電動機、燃油計量閥門機構、智能壓差調節機構、二位四通智能開關電磁閥、智能增壓活門機構和智能位置反饋機構等七智能一機構組成。

2 正向設計研究

2.1 概述

設計是人類為實現某種特定目的而進行的創造性活動[6]，或是將需求轉換為產品、過程或體系規定的特性或規范的一組過程。需求是設計的源動力，設計本質是創新。產品設計是從制訂出新產品設計任務書起到設計出產品樣品為止的一系列技術工作[7]。

正向設計是以系統工程理論、方法和過程模型為指導，面向復雜產品和系統的改進改型、技術研發和原創設計等場景，以需求拉動和技術推動為動力，不以仿制抄襲山寨為手段和目的，可以借鑒逆向設計的方法手段，消化吸收各種現有技術和成果，以提升企業自主創新能力和為客戶創造價值為目標的設計活動。簡單來說就是從概念(理論、思想)到創造實物，這一過程利用CAD/CAE/CAM繪圖或建模等手段預先做出產品設計原型，然后根據原型制造產品。它強調系統工程是核心，自主創新是目標，主要業務流程：概念設計①→繪圖或三維建模②→三維原型制造過程③→新產品試制④(見圖2)。

圖2 正向設計業務流程圖

產品正向設計可分為常規性設計、改進性設計、研制性設計、原創性設計4類，主要流程包括5個階段：論證階段①→方案階段②→工程研制階段③→設計定型④→生產定型階段⑤。其正向設計流程及工作內容如圖2所示。

軍品正向設計(或自主設計)一般按照顧客、科研項目或自已預先設定的技術要求或者概念(理論、思想、技術創新)設計產品，具有邏輯思維性、創新性、人工智能和技術狀態管理等4個特點，以及“三個不能”：一不能“輸入不夠明確，未策劃設計方案，未建立數學模型或框架結構，沒有繪制產品工作原理或結構原理圖，未進行故障模式、影響及危害性分析”等，就編制或繪制了“產品三維、二維圖樣和產品規范，或關鍵件(特性)、重要件(特性)項目明細表”；二不能“遺漏設計流程或簡化設計內容，違反設計原則或設計順序，混淆設計過程的輸入與輸出，設計輸出又不符合設計輸入”等，就草率地輸出了“技術狀態基線文件、產品和服務”；三不能“仿制、抄襲、山寨其他產品和服務”等。

2.2 確定顧客需求

了解或者接收到顧客對某智能燃油計量機構的研制需求，與顧客充分溝通，通過調研和論證，確定某智能燃油計量機構的技術狀態和接口關系，編制技術協議書和接口文件，評審與產品和服務有關的要求之后，與顧客簽訂某智能燃油計量機構技術協議書和接口文件，明確主要功能特性(技術指標)如下。

1)恒定電源輸入直流電壓：18～32 VDC。

2)位置指令輸入直流信號：4～20 mA。

3)位置反饋輸出直流信號：4～20 mA。

4)微型電動機的外形尺寸：外徑≤112 mm，軸中心距高≤80 mm。

5)微型電動機的電磁轉矩：0.5～1.2 N·m。

6)微型電動機的有限轉角：6°～84°。

7)有限轉角位置控制精度：±0.05°。

8)動態階躍響應的超調量：σ%≤10%。

9)燃油進口壓力：1.0～9.5 MPa。

10)增壓活門壓力：1.2～1.5 MPa。

11)壓差調節機構恒定壓差：(0.345±0.05) MPa。

12)燃油流量控制范圍：20～12 000 L/h。

13)直流電信號與燃油出口流量的特性關系如圖3中曲線所示。

圖3 直流電信號與燃油出口流量的特性關系圖

2.3 建立數學模型

根據上述技術協議中的直流電信號與燃油出口流量的特性關系，推算出直流電信號與燃油流量的線性方程式(見圖3中細線)：

y=647.56x-3 078.2

式中，y為燃油流量；x為直流電信號。

2.3.1 直流電信號與有限轉角的特性關系

依據直流電信號與燃油流量的特性關系和數學模型，進行機電一體化智能設計，將直流電信號轉換成伺服閥門有限轉角位置的特性關系(見圖4)，設計和推算出直流電信號與有限轉角的線性方程式：

y=2.830 8x+5.191

式中，y為有限轉角；x為直流電信號。

圖4 直流電信號與有限轉角的特性關系圖

2.3.2 有限轉角與型孔面積的特性關系

依據直流電信號與有限轉角的特性關系和數學模型，進行機液一體化智能設計，將有限轉角機械位置轉換成伺服閥門型孔流通面積的特性關系(見圖5)，設計和推算出有限轉角與伺服閥門型孔面積的線性方程式：

y=7.699 8x-34.29

式中，y為型孔面積；x為有限轉角。

圖5 有限轉角與型孔面積的特性關系圖

2.3.3 型孔面積與燃油流量的特性關系

依據有限轉角與伺服閥門型孔面積的特性關系和數學模型，進行機液一體化智能設計，將伺服閥門型孔流通面積轉換成燃油流量的特性關系(見圖6)，設計和推算出型孔面積與燃油流量的線性方程式：

y=647.56x-3 078.2

式中，y為燃油流量；x為型孔面積。

圖6 型孔面積與燃油流量的特性關系圖

2.3.4 有限轉角與燃油流量的特性關系

依據有限轉角與伺服閥門型孔面積的特性關系和數學模型，進行機液一體化智能設計，將有限轉角機械位置轉換成燃油流量的特性關系(見圖7)，設計和推算出有限轉角與燃油流量的線性方程式：

y=647.56x-3 078.2

式中，y為燃油流量；x為有限轉角。

圖7 有限轉角與燃油流量的特性關系圖

2.3.5 直流電信號與型孔面積的特性關系

依據有限轉角與型孔面積、型孔面積與燃油流量的特性關系和數學模型，進行電液一體化智能設計，將直流電信號轉換成伺服閥門型孔流通面積的特性關系(見圖8)，設計和推算出直流電信號與型孔面積的線性方程式：

y=7.699 8x-34.29

式中，y為型孔面積；x為直流電信號。

2.4 系統框架建設

根據上述技術協議和接口文件，應用人工智能技術，將“傳統機械液壓式燃油計量機構”創新設計成全電動直驅式智能燃油計量機構(簡稱智能燃油計量機構)，采用稀土永磁爪極電動機和二位四通智能開關電磁閥作為驅動機構，把稀土永磁爪極電動機與智能旋轉變壓器和燃油計量閥門機構同軸設計為一體，整體防爆固定在燃油計量機構殼體內部；把二位四通開關活門組件與智能開關電磁閥同軸設計為一體，整體防爆固定在燃油計量機構殼體內部。

圖8 直流電信號與型孔面積的特性關系圖

某智能燃油計量機構由智能電動控制器和機械液壓式燃油計量機構(簡稱燃油計量機構)兩大部分組成，采用分體式結構設計，使用屏蔽雙絞線纜連接。其電子元器件全部集成到智能電動控制器的保護罩中，機械液壓執行機構全部建造在燃油計量機構殼體內部。

圖1中，智能電動控制器與稀土永磁爪極電動機、智能旋轉變壓器、燃油計量閥門機構和智能壓差調節機構等構成智能燃油伺服閉環控制系統，主要功能是準確定位和自動鎖定燃油計量閥門打開位置，精確計量和控制輸入燃氣輪機燃燒室中的燃油流量；二位四通智能開關電磁閥與智能位置反饋機構和智能增壓活門機構等構成獨立指令關斷閥門閉環控制系統，主要功能是在燃氣輪機所有運行狀態下，打開或切斷流向燃燒室的燃油。

2.5 智能電動控制器設計

智能電動控制器電路結構框圖如圖9所示。

圖9 智能電動控制器電路結構框圖

2.5.1 結構、功能和原理設計

圖9中，智能電動控制器主要由位置指令信號輸入電路、位置反饋信號輸出電路、激勵產生電路、R/D解碼電路、控制器電路(位置環PID、速度環PI、電流環PI)、邏輯H橋驅動電路、三角波及PWM產生電路、功率放大電路、母線電壓檢測電路、電流檢測電路、故障輸出電路、系統電源電路、其他輔助電路、電源母線、印制電路板和外殼結構件等組成。主要功能和原理是接受中央智能控制器的輸入直流電控制信號4～20 mA，將其轉換為脈寬調制控制信號，并經過驅動放大輸送給稀土永磁爪極電動機，產生電磁轉矩輸出；同時，智能電動控制器向智能旋轉變壓器輸入激勵電信號，驅動其檢測稀土永磁爪極電動機的轉動方向和轉角，并反饋回智能電動控制器，形成閉環控制，實時有效地控制稀土永磁爪極電動機的正、反轉，實現對稀土永磁爪極電動機轉子轉角位置的精確控制。

2.5.2 結構布局設計

智能電動控制器的外殼采用全封閉結構，以減少電磁能量外泄。外殼結構件在加工時，結構件相應搭接面處均予以保護，保證導電性良好，增加屏蔽作用。電動機驅動和控制單元分開布置在外殼結構件內的2個印制電路板上，并接地隔離，盡可能增大接地線寬度，合理設計斬波電流的閥值，以改善電磁噪聲。

2.5.3 抗干擾設計

電源母線對智能電動控制器殼體增加耐高壓磁介電容，控制電源端正負回路增加磁珠電感，達到增強其抗傳導干擾，以減弱電磁輻射干擾。在可能產生和出現電磁干擾的電路中增加濾波電容；在邏輯電路的電源處理上采取去耦電容、濾波電容等技術措施，以提高抗干擾能力。

2.6 燃油計量機構設計

燃油計量機構三維設計圖如圖10所示。

圖10 燃油計量機構三維設計圖

2.6.1 結構、功能和原理設計

圖10中，燃油計量機構主要由保護罩、支承殼體、接線盒、智能位置反饋機構、二位四通智能開關電磁閥、智能增壓活門機構、旁路管接頭、進口管接頭、智能壓差調節機構、放氣活門組件、漏油管接頭、出口管接頭、調整彈簧、轉軸伺服閥門座、轉軸伺服閥門、稀土永磁爪極電動機、壓盤殼體和智能旋轉變壓器等組成。主要功能和原理：二位四通智能開關電磁閥接收燃氣輪機中央智能控制器的開啟電壓信號，迅速(≤0.1 s)打開智能增壓活門機構的燃油出口通道，關閉旁路管接頭的回油路。同時，稀土永磁爪極電動機接受智能電動控制器的指令直流電信號，直接驅動轉軸伺服閥門在有限角度范圍內，快速實現正、反轉，并精確定位和自動鎖定轉軸伺服閥門的型孔位置，定量控制由進口管接頭流入的燃油通過轉軸伺服閥門的型孔流向智能增壓活門機構的燃油出口通道，精確計量和控制輸入燃氣輪機燃燒室中的燃油流量。在停車或應急時，二位四通智能開關電磁閥接收燃氣輪機中央智能控制器的關閉電壓信號，迅速(≤0.1 s)關閉智能增壓活門機構的燃油出口通道，打開旁路管接頭的回油路，迅速切斷流向燃氣輪機燃燒室的燃油。

2.6.2 功能特點

圖10中，燃油計量機構創新設計成全電動直驅式結構，采用稀土永磁爪極電動機和二位四通智能開關電磁閥作為驅動執行機構。將稀土永磁爪極電動機本體與智能旋轉變壓器和轉軸伺服閥門同軸設計成一體，整體防爆固定在支承殼體內部，中間沒有齒條減速機構、聯接件和柔性耦合件，提升了燃油計量精度。將二位四通開關活門組件與智能開關電磁閥同軸設計成整體化的二位四通智能開關電磁閥，整體防爆固定在支承殼體內部，電磁推力較大，直接驅動二位四通開關活門上下移動，準確控制進出口高壓燃油的流通渠道，提高了抗污染能力。

2.6.3 智能模式

圖10中，燃油計量機構的直接驅動、自動定位、自動鎖定、自動反饋和精確計量，全部集成在稀土永磁爪極電動機轉子轉軸伺服閥門上，它綜合了以轉軸伺服閥門位置控制為特征的燃油計量、全電動起動、燃油旁路、燃油流量控制、故障診斷與預測等功能，具有“運轉、關停、關停位置和關停系統”4種智能控制運行模式。

3 計算與仿真

3.1 設計計算

根據上述某智能燃油計量機構的數學模型、系統框架建設、主要技術指標、智能電動控制器和燃油計量機構的結構、功能和原理設計方案等，針對某智能燃油計量機構的“轉軸伺服閥門型孔面積、轉軸伺服閥門座彈簧、反饋位置彈簧、增壓活門襯套型孔面積、增壓活門開啟壓力、壓差計量活門彈簧、壓差計量活門開啟壓力、壓差計量活門進口型孔面積、壓差計量活門出口型孔面積、二位四通開關電磁閥活門襯套型孔面積和稀土永磁爪極電動機的電磁轉矩”等，進行了詳細設計計算，計算結果滿足本文2.2技術協議要求。

3.2 設計仿真

根據某智能燃油計量機構的數學模型和有關技術指標，建立了某智能燃油計量機構的三維有限元全周期仿真模型(見圖11)。應用AMESim及Matlab Simulink分析軟件，進行了聯合仿真分析，從仿真結論上看，滿足本文2.2主要技術指標要求。

圖11 三維有限元全周期仿真模型

4 樣機測試

根據上文所述，按照圖2所示要求，正向設計走完了“論證階段、方案階段和工程研制階段”所有業務流程后，研制出了3臺智能燃油計量機構樣機。將首臺樣機安裝在專用性能試驗設備上，進行了直流電信號與燃油出口流量的實測試驗(見圖12)，從試驗結果上看，滿足了本文2.2主要技術指標要求。將首臺樣機安裝在半物理模擬試驗設備上，進行了小閉環(4～20 mA)動態階躍響應實測試驗(見圖13)，其動態階躍響應超調量σ%≤2.8%，滿足了本文2.2主要技術指標要求。

圖12 樣機流量特性圖

圖13 樣機小閉環(4～20 mA)動態階躍響應曲線圖

5 結語

應用人工智能技術，按照正向設計方法，某智能燃油計量機構創新設計成全電動直驅式智能結構，經過數學建模、系統框架建設、三維建模、計算與仿真、智能材料和結構選擇、二維制圖、智能制造和試驗驗證等，研制出了3臺智能燃油計量機構實物樣機。

樣機測試結果表明：1)將稀土永磁爪極電動機和二位四通智能開關電磁閥作為驅動執行機構，應用到傳統機械液壓式燃油計量機構中是可行的，并驗證了本文的正向設計結果，滿足了某燃氣輪機分布式智能控制系統的燃油流量控制規律要求；2)將智能材料和智能壓差調節機構等應用到燃油計量機構中，簡化了結構，緊縮了空間，減輕了質量，能夠準確控制進出口高壓燃油的流通渠道，提高了抗污染能力，提升了燃油流量控制精度和產品可靠性，具有結構簡單、體積小、重量輕、效率高、運行可靠和便于計算機控制等特點。