航空發動機地面試車臺加溫加壓進氣控制系統設計

周 易，黃 猛，陶國云，羅振偉，王曉宇

（1.中國航發沈陽發動機研究所，沈陽 110015；2.空軍裝備部駐沈陽地區第二軍事代表室，沈陽 110015）

0 引言

航空發動機地面試車臺能夠通過管道供氣的方式為航空發動機提供一定溫度、壓力的氣體，模擬在不同飛行狀態下發動機的工作環境。加溫加壓進氣系統是試車臺的重要組成部分，直接影響發動機試驗環境的模擬情況。為保證發動機的試驗環境，對進氣系統的供氣溫度、壓力、流量范圍和隨動能力等提出了非常高的要求。

目前中國已有用于航空發動機整機的地面試車臺，能夠為航空發動機整機提供高空模擬狀態下的進排氣環境，但是其進氣溫度、壓力的調節精度不高；國外同樣有類似的航空發動機地面試車臺，但是其具體設計參數無法知悉。

但志宏等[1]介紹了模糊比例-積分-微分（Proportional Integral Derivative，PID）控制器的技術原理和基于可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的控制器解決方案及設計方法；張松等[2]將常規PID控制和模糊控制結合起來，構成兼有二者優點的排氣環境壓力控制系統的具體實施方案；廖邦興等[3]提出了核心機燃油與控制系統的選用原則和核心機控制計劃制訂的基本方法；彭勇剛[4]針對模糊控制技術應用的幾個關鍵問題及其解決方法進行了研究，擴大了模糊控制的應用范圍；熊荊江[5]結合某高空模擬試車臺建設的工程實踐，對該高空臺供氣調節系統的設計進行了深入研究；錢偉[6]從控制理論的基本概念與方法出發，在構造合適的Lyapunov-Krasovskii泛函的基礎上，采用不同的分析方法探討了時滯系統的若干問題；喬彥平等[7]將遺傳算法應用到進排氣系統進氣壓力自動控制系統中，對自動控制系統的PID控制參數進行優化，獲得良好的控制效果；張松等[8]結合高空臺調壓系統的特點，提出了上位機、下位機+實物部件的形式組成半物理仿真系統，實現了模型計算、數據采集、上下位機數據通訊及系統參數控制等功能；趙涌等[9]提出在進氣壓力常規PID反饋控制的基礎上增加按空氣流量補償的前饋控制，構成壓力復合控制系統；王述彥等[10]設計了模糊PID控制器并進行了仿真和試驗驗證，改善了控制效果；王季方等[11]、劉向杰等[12]、蔚東曉等[13]結合近年來模糊控制的最新研究成果，簡要介紹了模糊控制的概念和特點,并對模糊控制的原理作了說明，較詳細的介紹了模糊控制的現狀；馮曉露等[14]提出了一種新的基于遺傳算法的動態模糊控制器優化方法，對模糊控制器控制規則表中的數據進行實時在線的動態優化；傅強等[15]對航空發動機的雙變量解耦控制方法進行了研究，提出了一種基于遺傳算法的PID神經網絡解耦控制算法，克服了BP算法易陷入局部權值的缺點；劉福才等[16]對模糊系統的通用逼近性、模糊系統作為通用逼近器的充分條件和必要條件以及模糊系統的逼近精度等方面的研究進行了較為詳盡的綜述；劉凱[17]介紹了某間冷燃氣輪機臺架試驗控制系統總體設計方案，對燃氣輪機控制系統的組成、功能實現方案、控制邏輯以及燃氣輪機的安全保護、數據監控等方面進行了較為詳細的闡述。

本文針對該試車臺的加溫加壓進氣系統，設計了基于西門子PLC平臺的控制系統。

1 加溫加壓進氣系統結構與原理

加溫加壓進氣系統的設計指標：進口壓力范圍為100～1000 kPa；進口流量≤200 kg/s；最大溫升≤350℃（流量≤100 kg/s）。該系統的基本結構如圖1所示。

圖1 加溫加壓進氣系統的基本結構

在氣源進氣后，通過第1級調壓系統粗調進氣壓力，并通過調節電加熱器的功率得到特定溫度、壓力和流量的壓縮空氣。與電加熱器流路并聯的管路平時關閉，當需要對壓縮空氣進行快速降溫時打開，利用摻混器將冷卻氣與熱氣混合。

隨后通過第2級調壓系統進一步粗調進氣壓力，為第3級調壓系統中的閥門提供適當的備壓。最后通過第3級調壓系統快速精確地調節供氣壓力，經過穩壓箱過濾壓縮空氣壓力和溫度的波動與畸變，最終保證發動機進口（即穩壓箱出口）氣體的溫度、壓力、流量滿足需求。

在加溫加壓進氣系統中，設計指標的流量需求較大，因此管道通徑都很大。第1、2級調壓系統對壓力控制的精度要求不高，綜合考慮實際需求及設備成本，一般選用電動的套筒式調節閥和電動調節蝶閥。而第3級調壓系統是發動機進口前的最后1級壓力調節，需要快速準確地響應發動機的壓力需求，因此選用響應速度快、調節精度高、出口流場好的液壓軸流閥。

為了迅速發現各部件故障或故障征候，需要對進氣系統中可能發生故障的設備（電加熱器、摻混器、閥門和進氣管道、穩壓箱）進行監控，故在每個部件的進、出口都設有溫度、壓力變送器，以監視每個部件的工作狀態，并根據不同的故障綜合進行傳感器的放置和排布。

溫度變送器選擇的類型是絕緣式K型鎧裝熱電偶。壓力變送器則選用常見的擴散硅式絕壓變送器，變送器的引壓管足夠長，便于將高溫壓縮空氣的溫度降低到變送器能允許的溫度；引壓管具有避免堆積在管內的冷凝水結冰的功能。

2 控制系統設計

2.1 控制系統總體設計

控制系統采用基于西門子WinCC平臺的上位機監控系統進行人機交互操作，通過西門子PLC實現對進排氣系統各設備的控制，包括系統壓力、溫度、流量等參數的調節與控制；當發生超溫、超壓等異常情況時報警，具有自保護功能。控制系統的結構如圖2所示。

圖2 控制系統結構

加溫加壓進氣系統的溫度調節利用電加熱器實現，電加熱器為成套設備，控制系統由設備供應商進行集成，能夠實現本地和遠程的溫度給定閉環控制、功率給定開環控制等功能。

對加溫加壓進氣系統結構與原理進行分析可知，第1級調壓系統由于管徑較大，閥門動作較慢，且不需要進行壓力精確調節，因此在控制系統中不需要進行閉環控制。

第2級調壓系統主要負責為第3級調壓系統提供適當的備壓。為了保持第3級調壓系統中的液壓軸流閥上游壓力穩定，減少前級調壓系統的壓力波動干擾，提高發動機進氣壓力的控制精度，同時考慮到電動調節閥動作較慢的特點，本文設計了1個死區控制算法實現第2級調壓控制。在死區控制算法中，需要設置的參數為目標壓力值、死區壓力值范圍、閥位動作步進速度。死區控制算法流程如圖3所示。圖中P為實測壓力值，P0為目標壓力值，Pd為死區壓力值。

圖3 死區控制算法流程

第3級調壓系統需要快速精確地調節供氣壓力，且保持與發動機狀態隨動，采用同時調節軸流閥前壓力和穩壓箱出口壓力的調節方案，即采取主路截流、旁路放氣的方法，對軸流閥進行壓力閉環控制，第2級調壓系統隨動調節。

在保持旁路前的主氣路上已調好溫度的空氣總質量不變的情況下，使總供氣量不受發動機狀態改變的影響，保持發動機進口壓力穩定，確保發動機在不同工作狀態下所需要的空氣流量。

整套加溫加壓進氣系統由許多具有非線性、大滯后等特性的設備組成，在溫度、壓力的調節與控制中相互干擾的影響因素很多，因此在第3級調壓系統中，使用傳統的PID控制器效果一般。現有的控制系統采用的PID控制方式，是根據調試經驗摸索出若干套PID參數，針對發動機的不同狀態進行切換。這種方式有較大缺陷：一方面需要提前調試若干套PID控制參數，造成前期工作量過大以及能源的浪費；另一方面，調試得到的控制參數無法保證最優。

另外，由于系統結構復雜，參數具有時變性，且各設備狀態之間耦合度較高，因此搭建系統仿真模型的難度很大，模型的精確度不高，這也造成了控制器設計與仿真驗證的難度加大。

針對系統的上述特點，本文為第3級調壓系統設計了一種模糊PID控制器，其優點為：根據工程人員的經驗設計控制器參數，不需要搭建系統的精確數學模型；控制器的參數能夠根據系統響應曲線的不同階段實時在線整定，能夠適應發動機試車過程中的不同狀態點；控制器參數可調且易調，經過優化可以適應后續其他型號發動機的不同試驗要求。

2.2 壓力模糊PID控制器設計與仿真

模糊PID控制器不需要借助精確的數學模型，而是利用模糊數學的基本理論和方法，把工程人員PID控制器參數設計的經驗轉化為模糊推理的模糊集合和模糊規則，利用代碼予以實現后，在控制過程中實時運行算法，在線整定PID控制器參數。模糊算法將系統的誤差e以及誤差變化率ec作為輸入，利用e和ec描述系統當前狀態，并實時計算出合適的控制參數Kp、Ki和Kd，輸出到PID控制器，從而實現參數在線整定。模糊PID控制器原理如圖4所示。根據以往控制器的設計和調試經驗，利用MATLAB平臺下的模糊算法工具箱設計了1個模糊PI控制器。模糊PI控制器設計流程如圖5所示。

圖4 模糊PID控制器原理

圖5 模糊PI控制器設計流程

本文對模糊算法工具箱的算法邏輯進行了分析并調整了模糊算法的參數設置。

為了便于模糊算法的運行，應將加溫加壓進氣控制系統的進氣壓力誤差e以及誤差變化率ec線性變換至區間[-1，1]內，其變換式為

e=

■■■■■

-e1/,15e,0e＞,

＜-550-05＜0

e＜50（1）

ec=

■■■■■

-e1c,1/e5,c

0

e＞,c＜-550-05＜0

ec＜50（2）

定義3個模糊集合N、Z和P，分別表示e和ec的取值趨向于定義域的下限值（Negative）、零（Zero）和上限值（Positive）。

根據e和ec在各模糊集合上的隸屬度，利用模糊規則進行模糊推理，將計算得到的模糊參數進行反模糊化處理，得到整定后的Kp和Ki值。模糊推理規則如下：

（1）If（eis N）and（ecis N）then（Kpis Z）（Kiis Z）；

（2）If（eis N）and（ecis Z）then（Kpis P）（Kiis Z）；

（3）If（eis N）and（ecis P）then（Kpis P）（Kiis Z）；

（4）If（eis Z）and（ecis N）then（Kpis Z）（Kiis P）；

（5）If（eis Z）and（ecis Z）then（Kpis Z）（Kiis P）；

（6）If（eis Z）and（ecis P）then（Kpis Z）（Kiis P）；

（7）If（eis P）and（ecis N）then（Kpis P）（Kiis Z）；

（8）If（eis P）and（ecis Z）then（Kpis P）（Kiis Z）；

（9）If（eis P）and（ecis P）then（Kpis P）（Kiis Z）。

每條模糊規則都使用e和ec在各模糊集合上的隸屬度值確定Kp和Ki在各模糊集合的隸屬度。

例如第（3）條模糊規則，Kp在模糊集合P和Ki在模糊集合Z的隸屬度為

式中：Kp，p3為第（3）條模糊規則下Kp在模糊集合P上的隸屬度；Ki，z3為第（3）條模糊規則下Ki在模糊集合Z上的隸屬度；eN為e在模糊集合N上的隸屬度；ec，p為ec在模糊集合P上的隸屬度。

根據上述9條模糊規則，可以求出Kp和Ki在不同模糊集合上的9個隸屬度值。取其中的最大值為Kp和Ki在對應模糊集合的最終隸屬度值

根據Kp和Ki在各模糊集合的隸屬度值，通過反模糊化處理得到最終的Kp和Ki值。基于最終將該控制器工程化的考慮，在PLC編程中，計算函數的積分較為困難，因此在反模糊化過程中，利用Kp和Ki的隸屬度值求其實際值時，不使用常用的中位數法，而是用最大隸屬度法實現。反模糊化計算為

利用M語言將上述分析結果進行代碼復現，并進行仿真驗證，得到的結果與模糊算法工具箱的運算結果相同，模糊PID控制器仿真曲線如圖6所示。仿真結果表明，模糊PID控制器能夠有效減小系統響應的超調，加快系統響應速度，Kp和Ki的優化過程符合模糊規則的邏輯。

圖6 模糊PID控制器仿真曲線

2.3 壓力模糊PID控制器移植與優化

西門子PLC平臺有順序功能流程圖（Sequential Function Chart，SFC）、梯形圖語言（Ladder Logic Programming Language，下文簡稱LAD）、功能塊圖（Function Block Diagram，FBD）、結構化控制語言（Structured Control Language，SCL）等多種編程語言。其中LAD語言直觀易懂，適用于數字量邏輯控制，在工程實際中應用廣泛；SCL語言是一種類似于計算機高級語言的編程方式，適用于復雜運算功能、復雜數學函數、數據管理、過程優化等應用領域。

基于LAD語言進行模糊PID控制器的代碼移植，控制程序包含的程序塊及用途如下：

（1）“FC1000_模糊PID控制器”（功能塊）為控制器主程序，包含與PLC主程序的數據IO接口，能夠實現模糊PID控制器的主要功能；

（2）“FC1001_TRIMF函數”（功能塊）為一種分段線性函數，用于計算變量在模糊集合上的隸屬度；

（3）“FC1002_TRIMF逆函數”（功能塊）為FC1001中TRIMF函數的逆函數，用于根據變量的隸屬度反模糊化求變量值；

（4）“FC1003_取平均數”（功能塊）能夠計算2個浮點數的平均值；

（5）“DB1000_模糊PID控制器參數”（數據塊）用于存儲模糊PID控制器的參數。

LAD語言是一種圖形化的編程語言，其優點是直觀易懂，缺點是基本指令類型較少，實現復雜功能時程序結構較為繁瑣；而SCL語言是一類高級編程語言，在實現算法方面較LAD語言有明顯優勢。

利用SCL語言將模糊PID控制器進行代碼優化，實現與LAD程序相同的功能，2種語言程序塊代碼量對比見表1。

從表中可見，SCL語言實現復雜算法具有編程簡單、代碼量較少、能夠減小CPU運算負荷等優點。

2.4 小結

設計后的壓力控制系統、溫度控制系統的控制回路分別如圖7、8所示。

圖7 壓力控制系統的控制回路

壓力控制系統充分考慮了硬件條件限制，通過手動控制、死區控制、模糊PID控制等多種方式實現了發動機進口壓力控制。溫度控制系統為廠家集成設備，主要的設計工作在于上位機人機交互系統的數據通訊接口、控制界面設計、多系統聯動的協調機制等方面。

圖8 溫度控制系統的控制回路

3 發動機試車驗證

本文所設計的加溫加壓進氣控制系統已經在實際試車工作中得到應用。在某次加溫加壓試車中，發動機相對轉速以及壓力、溫度控制曲線如圖9所示，圖中黑色虛線為控制目標。

圖9 發動機相對轉速以及壓力、溫度控制曲線

氣源來氣溫度約為70℃，流量約為60 kg/s。試車流程的20～30 min為數據采集階段，發動機對進氣系統的要求為：進氣壓力為245～255 kPa；進氣溫度為140～150℃；進氣流量約為50～55 kg/s。

發動機的其他狀態為過渡階段，用于發動機和設備的狀態調整與協調匹配。

在此期間，發動機轉速一直在變化，加溫加壓進氣控制系統根據發動機的要求進行實時閉環控制。試車數據分析結果為：

進氣壓力目標為135～140 kPa時，將控制目標設定為137 kPa，過渡態由100 kPa調整至137 kPa共用時約100 s，無超調，穩態控制精度為0.04～0.81 kPa；進氣壓力目標為245～255 kPa時，將控制目標設定為250 kPa，過渡態由137 kPa調整至250 kPa共用時約200 s，無超調，穩態控制精度為-3.09～3.07 kPa。

進氣溫度目標為140～150℃，開始加溫時，發動機處于狀態調整階段，溫升率不能過快，因此分階段進行溫度調節。最終將控制目標設定為145℃，過渡態由100℃（氣源站來氣溫度）調整至145℃共用時約10 min，超調2.15℃，穩態控制精度為-2.53～1.10℃。

在試車結束后的發動機狀態下降階段，需要先降低發動機的進氣溫度，后降低進氣壓力。在實際操作中，直接將目標溫度設為0℃，進氣壓力隨進氣溫度的降低分階段調整。

由試車數據可知，加溫加壓進氣控制系統能夠實時跟隨發動機的狀態變化，維持進氣壓力和溫度的穩定。

4 結束語

本文所述的航空發動機地面試車臺加溫加壓進氣控制系統能夠完全滿足發動機地面試車對進氣壓力、溫度、流量的要求。

針對多級調壓系統設計了1個模糊PID控制器，分別利用MATLAB仿真平臺和實際試驗試車對其控制效果進行了驗證。仿真結果和試驗試車數據都表明，模糊PID控制器的控制效果更優。

模糊PID控制器在設計過程中不依賴于系統的精確模型。而在航空發動機設備設計領域中，整個系統的結構往往比較復雜，參數具有時變性和不確定性，系統建模較為困難。因此，在未來的航空發動機設備設計中，模糊PID控制器應當加以推廣和應用。