基于喘振信號處理仿真系統的航空發動機判喘參數優化設計

張 鑫，范 明

（中國航發控制系統研究所，江蘇無錫 214000）

0 引言

隨著飛機對發動機性能要求的不斷提高，其工作包線不斷擴大，導致發動機喘振裕度不足；飛機的載彈量增加，發射時廢氣尾流對發動機影響更為強烈；飛機機動性要求更高，發動機工作條件更為惡劣。以上變化都對發動機防喘/消喘控制提出了更高要求。

為了提高發動機防喘/消喘控制的性能，國內外均持續開展了各種防喘/消喘控制系統的研制與設計。Gaston提出了一種新的判喘方法，在保證防喘/消喘功能的同時盡量減小系統對發動機性能的影響；Gogoi等建立了一種基于CFD的軸流壓氣機旋轉失速和喘振等氣動不穩定性預測模型，可作為初步研究壓縮系統失穩的有效工具；張紹基針對戰斗機發射導彈時的熱擾動因素開展了詳細的防喘/消喘控制系統設計與優化，并進行了臺架驗證；邢家瑞等對發射武器的防喘/消喘控制開展了分類細化設計，進行了地面、飛行臺吞噬火藥等多種驗證試驗；秦海波等提出根據高壓壓氣機轉速和發動機進口壓力對判喘依據進行動態修正，以提高判喘的準確度；葉巍等對喘振過程中發動機高壓壓氣機總壓與靜壓的壓差變化情況及其脈動頻率進行了研究與分析，并給出了判喘系統的評估方法；孫健國等研究了喘振裕度自適應控制方法以及該控制方法對發動機性能的提升作用；張海波等建立了某型渦扇發動機喘振實時模型，提出了一種主動穩定性控制方法，提高了發動機過渡態的動態性能；李小彪等根據渦扇發動機工作特點，設計了一種基于壓氣機出口總壓的新判喘方法；吳虎等基于氣動耦合原理，發展了某型渦扇發動機風扇出口分流環計算模型，建立了喘振及其喘振消除的數值模擬方法。為了更加深入地研究發動機的喘振特性，鄒龍政、屈霽云等、唐狄毅等分別采用進氣口安裝擾流板、引氣口接入高壓氣源和燃油階躍等多種方式開展了逼喘試驗與數據分析；曠桂蘭等開展了某型渦軸發動機整機逼喘試驗，獲得了該型發動機的喘振邊界線；江勇等采用擾流插板方式研究了2種不同轉速下發動機進氣道進口截面的喘振壓力波。但是，基于工程應用的判喘參數優化工作開展相對較少。張紹基等、劉世官等和郭貴喜等分別從發動機判喘總體試驗設計、試驗詳細過程以及基于虛擬儀器的仿真系統三大方面闡述了某型發動機的判喘試驗與優化設計，但未對所有相關參數開展優化。

本文針對某型發動機在喘振過程中存在漏判的問題，設計了用于參數優化的喘振信號機載處理仿真系統，開展了對判喘系統所有判喘參數的仿真分析與驗證。

1 判喘系統原理

某型渦扇發動機的判喘系統由高壓壓氣機出口總靜壓引氣管路、喘振壓差傳感器、信號處理電路和現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array,FPGA）處理算法組成，處理邏輯如圖1所示。通過安裝于高壓壓氣機出口末端的引壓裝置將該截面的總壓和靜壓氣源引入喘振壓差傳感器的兩端，傳感器輸出總靜壓差信號。根據高壓壓氣機出口的總靜壓差信號的脈動幅值與頻率可以有效評估發動機是否發生喘振。

圖1 判喘系統處理邏輯

機載信號處理電路對傳感器的信號經全波整流后，進行低通和帶通濾波處理，得到壓差信號的波動量與均值。其中，波動量反映了壓差信號瞬時的變化，當發動機處于穩態工作時，約為0；反映了壓差信號在一段時間內的平均值，當發動機處于穩態工作時，等于當前的壓差值。在FPGA端算法處理（運行速度為31.25 kHz）中，將與的比值與閾值進行比較，當＞且持續一定時間，判斷發動機發生喘振。具體算法如下

式中：為壓差信號直流分量高選后結果；為壓差信號交流分量計算結果；為壓差信號直流分量高選值；（）為當前＞的持續時間；（+1）為FPGA端運行下一個周期時，＞的持續時間；（）為當前消喘指令持續時間。

式（1）的作用是為了對進行高選，防止發動機在慢車及以下狀態時壓差信號過小而導致誤判為喘振，具體分析見第4.2節。

式（2）的作用是當壓差信號由穩態瞬時增大時，為0；當壓差信號由穩態瞬時變小時，取為負數的的絕對值來衡量壓差信號波動的劇烈程度。由于當發動機發生喘振時壓差信號均出現先減小的過程，式（2）可以避免當發動機狀態正常變化時，壓差信號增大過程被誤認為是由喘振引起的，從而降低判喘系統誤判的可能性。

式（3）的作用是記錄發動機喘振狀態的持續時間，其中（0）=0，（）≥0。當/≥（即壓差信號瞬態波動量除以平均值大于一定閾值）時，=4；當/＜時，=-1。假設/≥持續的時間=20 ms時，認為發動機發生喘振。由于程序在FPGA中每運行1次的時間為1/31250 s，當（）≥0.02×31250×4時，認為發動機發生喘振。

式（4）的作用是確定發動機執行消喘動作的持續時間，其中（0）=0，（）≥0。當確定發動機發生喘振后，令=14開始進行累加計算。當（）≥×14×31250時，發出消喘指令。在執行消喘指令后，當（）＜×31250×4時，即判喘系統認為發動機不在喘振狀態時，令=-1，對（）進行減法，當（）＜×14×31250時，停止發出消喘指令。

其中，低通和帶通的濾波參數、的高選值、判喘閾值、喘振確認持續時間以及消喘指令持續時間對判喘的有效性、實時性和可靠性均起到不同的作用。不同發動機的喘振信號特征存在一定的差異，根據實際發動機的喘振信號對上述相關參數進行優化，可以明顯提高判喘系統的性能，從而有效地保障發動機工作的安全性。

2 機載處理仿真系統

為了實現對判喘系統的優化，機載處理仿真系統包括了高頻多通道同步信號采集與記錄、機載處理數字化實現以及喘振信號模擬仿真3個模塊，上位機及系統架構分別如圖2、3所示。

圖2 喘振機載處理仿真系統上位機

圖3 仿真系統架構

2.1 信號采集與記錄

發動機臺架的試車數據采集與記錄存在多平臺采集、數據保存時間不同步、未采集喘振壓差傳感器原始信號等問題，不利于對喘振信號特征進行分析與仿真。本文借助PXI計算機的高性能采集板卡，采用高速大數據量專用的tdms格式保存數據，實現采樣率為100 kHz的6通道同步信號采集與記錄，采集信號包括喘振壓差傳感器原始信號、高壓壓氣機出口總壓信號和高壓壓氣機轉速信號等。

本文系統的信號采集與記錄模塊的優勢有以下2點：

（1）數據采集的采樣率，國內其他試驗低于10 kHz，本文達到100 kHz。在對壓差信號數據進行離線分析時發現發動機在發生喘振的瞬間存在2~3個周期100 Hz左右的短時波動。另外，對喘振過程前后的數據進行頻率分析時發現存在1 kHz以上的高頻信號。目前暫不確定這些高頻成分是否與喘振相關。但是高采樣率為后續進行更深入的喘振特征分析提供了可能性，特別是對預測喘振等復雜算法的研究。

（2）強調了數據采集的同步性要求。信號采集通過2張板卡PXI 4462和PXI 6281完成，2張板卡之間通過共用采樣時鐘保證同步性。對高壓壓氣機出口總壓、靜壓和壓差等信號同步采集，對研究管路對信號的相位延遲等問題有著重要作用。另外，系統可以增加對發動機其他位置的壓力測量，以了解喘振的始發位置。

2.2 機載處理數字化模塊

在PXI計算中，基于LabVIEW圖形化編程語言采用NI PXI-7852R板卡，實現了機載判喘系統的數字化。通過相同喘振壓差原始信號的回放模擬，對數字化模塊與實際發動機控制器的處理模塊進行了測試對比，驗證了二者在信號處理結果和判喘時間上具有較好的一致性。

該模塊采用上位機+FPGA端的架構，如圖4所示。其中，上位機主要功能包括波形顯示、參數配置和數據記錄等；FPGA端實現了全波整流、低通濾波、帶通濾波和其他邏輯算法的功能，即實現了喘振壓差信號的完整處理過程。模塊對低通和帶通的濾波參數、的高選值、判喘閾值以及喘振確認持續時間等判喘參數設定了對應的變量，實現了上位機對FPGA端參數的在線修改功能。該功能可以方便試驗人員對相關參數進行快速修正，極大地縮短了參數優化與驗證所需要的時間，更加深刻地認識相關參數對判喘的可靠性和實效性的影響。

圖4 機載處理數字化程序架構

2.3 喘振信號模擬仿真

要得到1組性能優良的發動機消喘系統，必須通過整機逼喘試驗來深入研究和確定消喘控制器的對應參數。俄羅斯研制1套發動機消喘系統通常要進行500余次的整機逼喘試驗來驗證，不僅需要巨額的科研經費，而且項目研制周期也很長。為了提高研發效率、降低試驗成本，采用NI PXI-4461板卡設計了喘振信號模擬仿真模塊。

該模塊的信號模擬輸出包括真實臺架逼喘試驗的喘振壓差信號和根據喘振特征設計的定制波形2類。真實的壓差信號模擬可實現對判喘參數優化設計的快速驗證，且避免了重復試驗的資源耗費。定制波形可通過軟件配置實現不同頻率和幅值以及噪聲疊加的信號模擬。定制波形的模擬輸出能夠更加深入全面地驗證判喘系統的特性，還可用于實際控制器生產交付時判喘系統的測試驗收。另外，由于高性能板卡的使用，信號模擬輸出的采樣率可達到100 kHz，輸出誤差小于±10 mV。

3 逼喘試驗與數據統計

本文判喘參數的優化設計基于某型發動機的逼喘試驗開展。在試驗前，對發動機的試車臺架進行了適應性改造，主要包括：在喘振壓差傳感器的引氣端口處增加絕壓傳感器，分別測量高壓壓氣機出口總壓和靜壓；增加喘振壓差傳感器信號輸出，保證在不影響機載控制器正常工作的情況下進行壓差原始信號采集；增加各類傳感器信號輸出和臺架消喘指令、機載消喘指令輸出的線纜，并與機載處理仿真系統連接。

在試驗過程中，采用進口安裝插板的方法逼喘。在發動機進口安裝可移動的扇形插板，通過專用的地面設備控制，采用步進的方式推進插板。當發動機進入喘振狀態時，通過地面設備能夠快速推出插板，避免發動機的喘振狀態持續時間過長。

逼喘試驗分別在發動機的小狀態和大狀態下開展，相應的高頻同步采集數據如圖5所示。

圖5 發動機喘振數據

4 參數分析與優化設計

通過機載處理仿真系統，利用真實數據和定制數據分別對所有判喘系統的參數進行仿真分析，評估不同參數對判喘準確性和時效性的影響，總結出1套完整的參數優化方法。該方法包括低通和帶通的濾波參數、的高選值、判喘閾值、喘振確認持續時間以及消喘指令持續時間等6個參數的影響分析與優化設計。

4.1 濾波參數

當喘振引起的壓力脈動頻率不在或部分不在帶通濾波范圍內時，會由于喘振造成的壓力脈動的測量幅值衰減而導致判喘失敗；當低通濾波參數過大或過小時，會導致無法相對準確地得到壓力的平均值，影響判喘的有效性。因此，要確定機載判喘的低通和帶通的濾波參數，需要對發動機喘振前后分別進行快速傅里葉變換（Fast Fourier Tranform，FFT），了解核心機和整機在喘振過程中的頻率成分。

對于低通濾波參數，分別設定截止頻率為0.50、0.72、1.00、2.00 Hz，濾波效果如圖6所示。從圖中可見，小于1.00 Hz的截止頻率得到的可以較好地反映壓差的平均值；在0.72 Hz時反映平均值的同時，延遲較小。結合實際電路設計，保持原有低通截止頻率為0.72 Hz不變。

圖6 喘振信號不同低通濾波參數濾波效果

對于帶通濾波參數，發動機在喘振過程中的壓差信號的脈動頻率的變化范圍主要為1~10 Hz，如圖7所示。因此，將原帶通濾波范圍3~166 Hz更改為1~166 Hz。

圖7 發動機大狀態喘振壓差數據FFT結果

4.2 DPCKDC的高選值DPCKDC0

判喘系統中設定高選值的目的，是為了避免發動機在慢車及以下狀態時由于壓差信號較小，發動機狀態的正常波動可能引起判喘系統的誤判。這是因為與的比值作為衡量發動機波動狀態的值，當分母值較小時，分子小范圍變化也會引起比值發生較大的變化。原則上，的高選值不能太小，否則存在喘振誤判的風險；同時，高選值不能太大，否則可能存在對喘振無法判斷或延遲判斷的可能性。

對多臺份多批次發動機在正常工作過程中的值進行統計分析發現，在慢車過程中值在1.13±0.04范圍內變化。參考前期設計值，保持為原有設定值，即為0.983。

4.3 判喘閾值A0

判喘閾值是最直接參與判斷發動機是否發生喘振的參數，是判喘系統相關參數中最為重要的設定值。在完成濾波參數和的高選值設定后，將所有實際發動機逼喘數據進行模擬回放，通過仿真系統的信號處理數字化模塊查看實際波動量與均值的比值（值）。在綜合考慮漏報和虛警的情況下，設定合理的判斷閾值。

邢家瑞和秦海波等提出喘振閾值根據轉速關系分段設定。當高壓轉子轉速＜85%時，判喘閾值設為0.3；當高壓轉子轉速≥85%時，判喘閾值設為0.6。但在本文發動機不同狀態下的喘振試驗中，值變化均小于0.6。根據該型發動機的喘振試驗的實際情況，本文的判喘閾值設置為單一值，不根據轉速進行分段。

值仿真結果如圖8所示。從圖中可見，值在發動機正常工作過程中為0.30以下，在喘振時最大值為0.45。因此，為了減小系統誤判的風險，將判喘閾值由0.30更改為0.35。

圖8 A值仿真結果

4.4 喘振確認持續時間T0

從實際逼喘數據中可見，在喘振過程中壓差信號的波動類似于正弦波，設定合理的喘振確認持續時間可以避免由于信號干擾和噪聲導致的虛警。而該值的設定是在確定上述判喘參數后，經過數據模擬回放與仿真試驗得到的。

通過對發動機在小狀態和大狀態下的逼喘試驗數據的仿真可知，當判喘閾值為0.35時，喘振確認持續時間分別需要至少18.3 ms和23.5 ms。為了提高判喘可靠性和實效性，將喘振確認持續時間由20 ms更改為15 ms。

4.5 消喘指令持續時間T1

設定消喘指令持續時間的目的，是為了確定當判喘成功并且發動機退出喘振后，延遲多久退出消喘動作。這樣的操作可以最大程度保證發動機完全退出喘振狀態，同時又不會過度執行消喘。該值對判喘影響不大，可根據實際發動機狀態設定。本文在優化設計中保持原值不變。

5 參數驗證

在參數優化前，判喘系統在發動機不同狀態下的逼喘試驗中，存在小狀態消喘指令發出延遲時間過長和大狀態漏判的問題。這樣的結果無法滿足發動機正常工作的控制要求，必須保證在全狀態下判喘的有效性和實時性。

在參數優化后，依次進行了控制器在回路的仿真試驗驗證和實際發動機的逼喘試驗驗證。試驗結果表明，本文的參數優化有效地縮短了消喘指令的發出時間，將小狀態的判喘時間由86 ms縮短到53 ms，發動機小狀態判喘優化仿真結果如圖9所示；同時，在發動機大狀態的逼喘試驗中，成功判斷出發動機喘振，參數優化后發動機大狀態判喘結果如圖10所示。其中，當消喘指令值為1時，表示發出消喘指令；當消喘指令值為0時，表示不發出消喘指令。

圖9 發動機小狀態判喘優化仿真結果

圖10 參數優化后發動機大狀態判喘結果

6 結論

（1）在仿真系統應用的基礎上，完整地了解了相關參數對判喘的影響和作用，形成了完整的參數優化設計流程；

（2）在喘振過程中的高壓壓氣機總壓與靜壓的壓差信號脈動頻率變化范圍主要為1~10 Hz，將原帶通濾波范圍3~166 Hz更改為1~166 Hz；

（3）通過對喘振數據的仿真與分析，考慮判喘可靠性和實效性，將喘振確認持續時間由20 ms更改為15 ms;

（4）經參數優化后的判喘系統，將小狀態的判喘時間由86 ms縮短到53 ms，并完成了大狀態的喘振判喘。

本文通過對相關參數的優化設計，有效地提高了某型發動機判喘系統的準確性和時效性，驗證了喘振信號處理仿真系統的有效性，為其他型號航空發動機的判喘系統設計與優化提供了技術支持。