核心機加溫加壓進氣壓力控制過程研究

李存LI Cun

（中國航發上海商用航空發動機制造有限責任公司，上海 201306）

0 引言

核心機試車臺主要用于模擬核心機在整機狀態下的進口環境條件，盡可能地逼近核心機真實工作狀態。試驗過程中，需模擬核心機對應整機狀態下的不同工況需求，并且在一定流量、壓力、溫度范圍內，確保進氣壓力、溫度的控制精度。因此，開展核心機加溫加壓進氣壓力控制技術研究，掌握核心機進氣壓力的控制模型與實現方法，以便獲得更加準確的核心機試驗進氣環境模擬條件。國內早期主要通過高空模擬試車臺開展核心機試驗，但其試驗成本高，開展核心機加溫加壓試驗的效率不高，近幾年，國內也開始建設專用的核心機試車臺。國外各高空臺均針對進氣溫度、壓力控制開展了大量的技術研究工作，其中美國AEDC 和德國斯圖加特大學SATF 高空臺研究最為深入和系統，對整個進氣系統進行了建模仿真，基于模型針對進氣系統壓力開展了壓力自適應控制技術研究[1]。本文基于某核心機試車臺進氣系統的調試和使用情況，開展核心機加溫加壓進氣壓力控制技術研究工作，主要包括核心機進氣壓力的物理模型建立過程、控制策略以及影響因素分析，從而為優化進氣系統壓力控制過程提供基礎，提高核心機試驗效率。

1 核心機試車臺設備組成與工藝原理

核心機試車臺在開展加溫加壓進氣試驗時，由氣源系統提供具有一定溫度和壓力的壓縮空氣，此壓縮空氣一部分經過水冷換熱器冷卻形成冷支路，另一部分不經過水冷換熱器冷卻形成熱支路，通過自動調節冷、熱支路空氣的摻混比例實現進氣溫度調節，調溫摻混后的壓縮空氣通過自動調壓系統實現進氣壓力調節，完成調溫和調壓后的空氣經過整流室后進入核心機，以滿足核心機加溫加壓進氣試驗需求。

典型的核心機試車臺工藝原理如圖1 所示。

圖1 典型核心機試車臺工藝原理圖

2 建立進氣系統物理模型

2.1 容腔模型

核心機試車臺進氣系統容腔結構簡圖如圖2 所示，該腔有一路進氣和兩路排氣，兩路排氣的流量由調節閥1 和調節閥2 來控制。其中，T，p，m˙，C 分別表示氣體的溫度、壓力、質量流量和平均氣流速度，Q 表示通過容腔管壁傳遞的熱量，V 表示容腔的體積。

圖2 進氣系統容腔控制體示意圖

針對進氣系統容腔模型，其溫度和壓力非線性微分方程可表達如下[2]：

2.2 調節閥流量模型

核心機試車臺進氣系統進行壓力調節時，主要通過進氣壓力調節閥實現。進氣壓力調節閥可選液壓蝶閥，通過調試試驗可獲得調節閥流量特性與閥門開度關系。其流量公式可表達如下：

其中，P1為閥前壓力，dP 為閥前閥后壓差，Cv 為流量系數。

閥門開度0~100%對應電流信號為4mA~20mA，線性對應關系，而閥門開度與流量系數Cv 的對應關系為非線性的，通過函數擬合可得。而由閥門流量公式可知，調節閥1 和調節閥2 的流量特性函數是非線性的，與閥前和閥后壓力直接相關，但在某一穩態工作狀態，調節閥開度與流量的傳遞函數是可以得到，將其定義為Gv。

2.3 傳感器增益

核心機試車臺進氣系統采用的壓力傳感器測量范圍為0~600kPa，實際上壓力傳感器首先將測量的壓力信號轉換為電流信號，然后再將電流信號轉換為0～32000 的數字信號，定義壓力信號到數字信號的增益為Kf，Kf=，實際中，壓力控制器的輸出的是0～32000 的數字信號，經過D /A 轉換為0～20mA 的模擬電流信號作為閥門控制的指令信號，而指令信號對應閥門開度0~100%的位置信號，因此定義控制器輸出到閥門開度信號的增益為。

3 PI 控制器設計策略

3.1 PID 控制原理

在模擬控制系統中，控制器最常用的控制規律是PID控制。PID 的控制器的控制規律為

式中kp為比例系數，TI為積分時間常數。

PID 控制器各校正環節的作用如下[3]：

①比例環節：成比例地反映控制系統的偏差信號e（t），偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減小偏差。

②積分環節：主要用于消除靜差，提高系統的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數TI，TI越大，積分作用越弱，反之越強。

③微分環節：反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差I 信號變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，以減小調節時間。一般通過比例環節和積分環節的調節可實現控制目標時，通常不會引入微分環節，以降低PID 控制器的設計難度。

根據已建立的進氣系統物理模型，可得進氣系統的PI 控制器設計框圖如3 所示，其中pset為進氣壓力設定值。

圖3 進氣壓力調節PI 控制框圖

3.2 PID 控制器設計原理

傳統的PI 控制器設計是基于系統某一穩態工作點的線性模型設計最優PI 控制器，用設計好的PI 控制器去控制非線性系統，這種設計方法的弊端是設計出的PI 控制器不能保證系統在整個工作包線內均具有良好的控制效果。

核心機試車臺采用變PID 參數控制的設計思路，在進氣系統調試過程中，對于不同的進氣流量和壓力的工況，單一的PID 參數無法適用所有工況條件。因此，在進氣系統壓力控制策略設計與驗證時，需設定不同調試工況進行PID 參數調整與尋優試驗，并通過對增益P 值進行二維函數編輯，以實現在不同工況條件下的進氣壓力高精度自動調節。

進氣調壓系統變PID 參數整定過程如下：

①選定不同組合的進氣壓力和流量調試工況點，所選的工況點應能覆蓋所有可能的工況條件，包括高壓力-小流量，高壓力-大流量，低壓力-小流量，低壓力-大流量。

②在調試工況點，對壓力調節閥的PID 參數進行整定，獲得每組工況下對應的最優PID 整定參數，形成PID整定參數數組，主要是P 值和I 值，通常可不進行D 值的參數配置。

③基于上述PI 整定參數數組，進行PI 參數最優配置。進氣壓力的控制與目標壓力值和流量相關，而流量對應調壓閥的開度，故對PI 整定參數數組進行函數擬合，獲得變PI 調節參數。

以P 值為例，P 值的二維函數的計算公式如下：

其中，A、B、C、D 為常數，通過調試驗證獲得；P 值計算二維函數曲線如圖4 所示。

圖4 進氣壓力調節P 值二維函數

4 進氣壓力控制的影響因素分析

4.1 高性能調壓閥選型與壓力調節性能驗證

為實現核心機進口壓力的高精度自動控制，調節閥的選型至關重要，實現核心機進口壓力高精度控制的硬件基礎，直接關系到控制目標是否可達成。對標進氣壓力穩態控制精度的目標，可選用高性能液壓蝶閥作為調壓閥，機械步長不小于3000 步，配置定位器精度高于0.1%。在設備正式投入使用前，需對調壓閥的壓力調節分辨率的進行驗證如下：①通過調節閥1 建立一定進氣流量，比如30kg/s和60kg/s；②記錄當前閥門位置Q1 與進氣壓力值P1；③手動調節調壓閥，動作10 個步長，調節至閥門位置Q2，閥門開度調節幅度10/3000*100%=0.33%，記錄閥門位置Q2；④記錄調節閥1 的閥門位置Q2 對應的進氣壓力值P2。

經調試驗證，在進氣流量30kg/s 的工況條件下，調節閥1 的壓力調節分辨率為0.1%。另外，調節閥在不同工況下對應得開度需在蝶閥最佳調節區間15%~80%的范圍。（表1）

表1 調節閥1 的壓力調節分辨率調試結果

4.2 進氣壓力控制的解耦

在核心機加溫加壓試驗過程中，氣源系統提供恒壓定流量的穩定供氣，在進氣壓力調節過程中，調壓閥的動作勢必會造成對整個系統的擾動，造成氣源壓力調節和核心機試車臺進氣系統壓力調節的耦合。核心機試車臺進氣系統通過設定放氣流量支路，核心機進氣壓力調節時，進氣壓力調節閥1 基于核心機進口壓力進行反饋調節，而放氣支路調節閥2 基于進氣系統文丘里流量管處的壓差進行反饋調節，以維持氣源系統供氣總流量不變，避免兩個調節閥出現耦合，從而保證整個大系統在壓力調節過程中的穩定性。進氣壓力控制解耦控制反饋邏輯如圖5 所示。

圖5 進氣壓力控制反饋解耦邏輯示意圖

5 總結

本文針對某核心機試車臺進氣系統的進氣壓力控制過程進行了物理建模，包括進氣系統容腔建模、調節閥流量特性建模，傳感器建模，并基于對進氣壓力的控制策略進行了研究，尤其是PI 控制器設計方面，介紹了PI 控制的實現過程及最優控制的調試驗證方法，分析了進氣壓力控制的影響因素，為實現核心機加溫加壓進氣高精度控制提供參考，優化核心機試驗過程。