航空發動機壓氣機壓力仿真實驗教學平臺設計

林忠麟， 甘錦裕， 劉文超， 張天宏， 黃 峰

（1.福州大學機械工程及自動化學院，福州 350108；2.南京航空航天大學能源與動力學院，南京 210016）

0 引言

航空發動機是現代飛機的核心部件，其壓氣機是發動機中最重要的部分，用于將外部空氣壓縮并送入燃燒室，以提供燃料燃燒所需的高壓力空氣。發動機性能的優劣主要取決于壓氣機的效率和可靠性［1-2］。壓氣機在運行過程中易受多種因素影響，導致工作參數變化引發喘振和失速等失穩現象［3］。為更好地評估發動機的性能，對壓氣機壓力失穩現象進行檢測非常重要［4-6］。壓氣機的壓力模擬為航空發動機設計提供了極大的便捷，可在發動機硬件在環仿真階段快速評估壓氣機的性能、優化發動機設計以及進行發動機性能評估和驗證。壓氣機壓力模擬還可用于故障排除和優化維護策略的設計［7］。

隨著國家對航空發動機和燃氣輪機重大專項的啟動，對壓氣機失穩問題的自主創新研究需求愈發迫切，對開展多維度創新教學模式提出了更高的挑戰［8-10］。本文開發了一套航空發動機壓氣機壓力硬件在環仿真實驗教學平臺，該實驗平臺將航空發動機及機械工程專業的工程問題與實驗教學相結合，可提高學生理論與實踐相結合、培養新一代航空發動機及機械工程領域創新型人才；能模擬壓氣機壓力變化、復現氣流突變特征，為航空發動機硬件在環仿真試驗提供必要的條件和基礎。實驗驗證，該實驗平臺能夠精確地模擬航空發動機壓氣機的壓力變化，成本低，置信度高。平臺軟件界面設計美觀簡潔、操作難度低、易于學生上手操作，可為實驗教學、畢業設計等提供基礎，是使用硬件在環仿真技術替代傳統教學方法的一大創新。

1 仿真平臺工作原理

1.1 壓力模擬原理

氣動伺服控制中，壓力控制是最基本的環節［11］。所謂壓力控制，是指在一定的氣壓范圍內，通過對氣壓信號的實時檢測與分析，實現對被控容器中氣體壓力的自動調整。氣壓伺服控制的核心在于控制算法的設計，傳統的氣壓控制算法主要有比例積分微分（Proportional Integral Derivative，PID）、滑模控制（Sliding Mode Control，SMC）和模型預測控制（Model Predictive Control，MPC）等。PID控制原理簡單，但在氣壓伺服控制中效果較差。SMC 雖其模式切換的方法適用于氣動系統，但容易出現過大誤差。本平臺采用MPC作為壓力模擬的核心控制算法，其更適用于非線性系統。MPC是一種基于模型的新型控制算法，具有良好的魯棒性、可控性和快速動態響應。模型預測控制通過對工業生產過程的最優控制來優化系統品質，其核心在于預測和滾動優化算法。MPC 算法設計是以硬件在環仿真平臺的實際情況為約束條件、以高速開關閥壓力數據模型為預測模型，所用的性能指標函數

式中：u為控制量；k為采樣時刻；i為預測時刻；k+i為預測時刻，所對應步長為1 ms；N為總預測步數；R、C、F分別為誤差、控制量、終點加權參數；Pref為參考壓力，PG為預測壓力。

平臺采用定容積控制的氣壓伺服控制技術，以調節氣動系統中氣缸內的壓力作為壓氣機的模擬壓力，原理如圖1 所示。航空發動機硬件在環仿真試驗中，由發動機模型計算機輸出壓氣機壓力仿真信號，該信號作為實驗仿真的輸入，經過MPC計算后輸出控制量控制氣動系統產生壓力變化，形成壓氣機壓力信號，該信號將由全權限數字發動機控制器（Full Authority Digital Engine Control，FADEC）中的壓力傳感器進行采集，FADEC 產生的控制信號饋送給航空發動機模型，形成控制閉環。

圖1 壓氣機壓力模擬原理圖

1.2 FPGA技術特點

現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）是一種設計靈活、功耗低、體積小、可編程性強，并具有較高可靠性和可重復使用的集成電路技術。FPGA具有可編程特性，可根據用戶需求在任意時刻設計出電路，并且可用軟件在芯片上實現設計的功能［12-14］。利用FPGA 技術高度并行性、易于可編程性、靈活拓展性等特點［15-16］，結合氣壓伺服控制技術與MPC算法，實現精準的時序控制，提高平臺的仿真控制精度，以完成實驗平臺的氣動伺服控制功能。

2 仿真平臺軟硬件構建

2.1 平臺硬件設計

仿真平臺硬件部分如圖2 所示，構建遵循標準化、模塊化和簡易化的原則，采用搭載FPGA 的高性能嵌入式實時控制器，通過電纜與PC、氣動系統連接，進行數據傳輸，實現對被控氣缸中的壓力調節。整套平臺具備高性能、低成本、結構緊湊、兼容性好、易于維護的特點。

圖2 壓氣機壓力仿真教學實驗平臺硬件

（1）氣動模塊。氣動模塊是本平臺的基本部分，本著結構簡單、易于控制的設計原則，本平臺的設計包括空氣壓縮機（TW7504S）、高速開關閥（MHJ10-S-0，35-QS-4-MF）和氣缸。

氣動系統中常用的壓力調節執行器為比例閥和高速開關閥。盡管比例閥有著比例輸出的優點，但其較復雜的結構和較高的成本限制了使用的范圍。高速開關閥結構簡單，響應快，易于控制，更適用于本平臺的設計。高速開關閥僅有“開”和“關”兩種狀態，結合脈沖寬度調制（Pulse-width Modulation，PWM）方法便可以輕松對其控制。故本平臺采用MHJ10-S-0，35-QS-4-MF型高速開關閥，壓力范圍為0.05 ～0.6 MPa，最大切換頻率可達1 kHz，范圍廣，響應快。空氣壓縮機采用TW7504S，采用一體化靜音設計，安全可靠，操作簡單，適合實驗室使用，方便實驗教學。

（2）控制模塊。航空發動機壓氣機壓力因其壓力突變、幅值較大、變化復雜等特點，對仿真平臺的控制模塊提出了更高的要求，需實現高精度、高頻響的壓力調節。本平臺采用CompactRIO（cRIO）嵌入式實時控制器cRIO-9054。cRIO-9054 配備1.33 GHz 的Intel Atom雙核處理器、Artix 7 100T的FPGA架構以及4 個C系列模塊插槽。cRIO-9054 提供了精確的同步定時和確定性通信，適用分布式數據采集和控制應用。

本平臺cRIO-9054 配備了2 張數據采集卡，分別是C系列數字模塊NI-9401 和電壓輸入模塊NI-9205。NI-9401 為雙向數字模塊，配有8 個DI／O 通道，本平臺用以輸出PWM控制量以調節高速開關閥。NI-9205為高精度、高速度模擬信號輸入模塊，電壓范圍為±10 V，適用于平臺傳感器的數據傳輸。

（3）傳感模塊。傳感模塊是伺服控制系統中必不可少的一部分，是實現閉環控制的重要反饋條件。壓力傳感器選用MIK-P300，其壓力敏感核心采用了高性能的硅壓阻式壓力充油芯體，內部的專用集成電路將傳感器mV級信號轉換為標準電壓、電流或頻率信號，可變送-0.1 ～0.6 MPa 的壓力。該傳感器因其重量輕、精度高、安裝方便等特點被廣泛應用于航空航天、實驗室壓力校驗等。

2.2 平臺軟件設計

平臺軟件采用LabVIEW 編程環境進行開發。LabVIEW作為一款虛擬儀器產品，以圖形為編程語言，通過其豐富的控件，用戶可快速地創建虛擬儀器，實現對實驗過程的控制，并可通過LabVIEW開發軟件進行數據分析、顯示和處理。

本平臺的軟件設置，則由上層PC 與底層cRIO-9054 Real-Time（RT）、cRIO-9054 FPGA 組成，即HOST.vi、RT.vi與FPGA.vi。各層子程序的任務架構如圖3 所示。仿真平臺的相關程序設計和部署在NI LabVIEW 2019、LabVIEW Real-Time 19.0、LabVIEW FPGA 19.0 及NI cRIO driver 19.0。

圖3 HOST、RT、FPGA分層任務架構

（1）下位機程序。cRIO-9054 Real-Time 運行的FPGA.vi作為底層的開關閥脈沖生成驅動程序，具有較強的實時性，負責信號采集、邏輯控制、高速并行處理。該程序利用NI-9205 讀取壓力傳感器實時采集的進氣壓力和腔內壓力；利用NI-9401 對開關閥組進行控制，采用PWM 技術，分別設置控制頻率、偏置和占空比進行獨立控制。

RT層作為實時通信模塊，其程序負責傳遞變量、處理命令，同時對所采集到的數據進行監控、處理。利用MPC方法，對系統參數進行實時計算，以實現最優控制。

（2）上位機程序。上位機程序HOST. vi 遵循人機友好、界面簡潔、操作方便的原則進行設計，分為系統參數設置、MPC參數設置和實時監測3 個模塊。該程序操作流程如圖4 所示，主要有：參數設置→設置參考壓力→開啟閥→數據導出→關閉閥并放氣。

圖4 仿真平臺（HOST.vi）操作流程

系統參數設置開關閥頻率為100 Hz、采集循環時間為1 ms，MPC參數依據實際情況確定，參考壓力設置為主動數值設置與預設波形設置，預設波形包括正弦波、三角波與喘振信號。參數設置界面如圖5 所示。上位機程序通過RT層實現與FPGA層的通信，確保采樣和控制輸出的定時精度。

平臺實時監測模塊由實時壓力跟蹤監測和實時誤差監測兩部分組成，如圖6 所示。該模塊用于直觀了解平臺狀態，方便及時對平臺進行調整。

圖6 仿真平臺（HOST.vi）實時監測界面

3 實驗驗證

3.1 實驗方法

（1）前期準備。依據圖2 的實驗平臺硬件圖對各部件按順序進行連接。其中，氣動系統使用直徑為4、6 和8 mm規格氣管，并使用氣管轉換器進行連接。各傳感器使用電線纜與cRIO-9054 連接。NI-9401 與NI-9205 分別插入控制器的槽1與槽2；壓力傳感器1與壓力傳感器2 電氣輸出端分別連接NI 9205 的接入信道（Access Channel，ACH）ACH 1 與ACH 2，用以測量氣缸輸入壓力與腔內壓力；NI 9401 的DI／O 1 與DI／O 2輸出端分別連接高速開關閥1 和2，用以控制進氣閥與放氣閥的開關。

（2）實驗操作。調節空氣壓縮機輸出壓力為0.6 MPa，依據圖4 操作流程分別進行實驗，本實驗包括正弦波、三角波與喘振信號跟蹤3 部分。實驗過程中可根據實際跟蹤情況對MPC參數進行設置，以達到更好的跟蹤效果。

（3）數據分析。分別導出各組實驗的數據，并對每組實驗數據進行分析。

（4）注意事項。實驗結束后須保證空氣壓縮機與氣缸內釋放結束，并檢查完各項電源安全才可離開。

3.2 數據分析與實驗結果

本實驗包括正弦波、三角波和喘振信號跟蹤3 組實驗，實驗數據如圖7 所示，圖中p為壓力，pm為實測壓力，e為壓力誤差，t為時間。

圖7 喘振信號跟蹤實驗結果

基于實驗數據可以得出以下結論：

（1）仿真平臺能及時根據預設壓力的變化，快速對開關閥組進行控制。

（2）正弦波與三角波壓力跟蹤誤差均保持在10 kPa內，誤差比（誤差／預設值）基本保持在2.5%內，跟蹤性能佳。

（3）喘振信號跟蹤結果整體與喘振信號一致，除第1 次高幅度壓力突降時，實時誤差最大接近60 kPa，但最終能夠快速跟隨上壓力變化，補償低壓缺額。

綜上所述，本文所設計的基于FPGA 的航空發動機壓氣機壓力硬件在環仿真實驗教學平臺能滿足壓氣機壓力模擬需求，誤差小、跟蹤平穩、反應快速。

4 結語

本文設計的高精度的航空發動機壓氣機壓力硬件在環仿真實驗教學平臺基于FPGA技術與氣動壓力模擬技術，具有界面簡潔、人機友好、操作方便等特點。平臺不僅能彌補航空動力專業相關課程實驗教學的不足，也可服務于發動機性能測試任務。該實驗平臺提供了一個真實的仿真環境，能夠有效提高學生理論與實踐相結合的能力。通過該平臺的使用，學生可充分了解壓氣機壓力硬件在環仿真實驗的原理、過程和技術，并在實驗中掌握相關的數據采集、分析和處理方法。該平臺采用了FPGA 技術，具有高度的可編程性和靈活性，能滿足不同實驗的需求，幫助學生更好地掌握航空發動機測試與故障檢測的知識。該平臺設計的人機交互界面簡潔易懂，操作方便，能幫助學生快速上手，對于激發航空發動機、機械工程等相關專業學生的科研興趣，擴大與豐富學術視野具有重要意義。