但志宏，侯敏杰，石小江，張 松

(1.南京航空航天大學(xué) 能源與動力學(xué)院，江蘇 南京 210016；2.中國燃氣渦輪研究院，四川 江油 621703)

1 引言

大流量航空發(fā)動機在高空臺進行推力瞬變、遭遇起動、加減速等過渡態(tài)考核試驗時，其狀態(tài)變化異常劇烈，具體表現(xiàn)為：在1～2 s內(nèi)，發(fā)動機空氣流量變化可達80%～100%，此時進氣壓力控制系統(tǒng)受到類似大幅值階躍信號的干擾，致使進氣壓力控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)變差，從而影響發(fā)動機進氣壓力模擬精度。

在航空發(fā)動機進行高空模擬試驗時，保證進氣參數(shù)模擬精度的唯一技術(shù)途徑是改善進氣調(diào)壓系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)［1，2］。 因此，在現(xiàn)有控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研究在大幅值階躍信號干擾下的調(diào)節(jié)品質(zhì)問題具有非常重要的意義。本文借鑒已有的調(diào)節(jié)經(jīng)驗，發(fā)展了智能控制技術(shù) ，并在現(xiàn)有控制方法的基礎(chǔ)上研究了先進復(fù)合控制技術(shù)在大流量航空發(fā)動機高空模擬試驗中的應(yīng)用。

2 高空臺進氣壓力控制系統(tǒng)組成

高空臺進氣壓力控制系統(tǒng)由機組供氣壓力控制系統(tǒng)(簡稱Pb控制系統(tǒng))和發(fā)動機進氣壓力控制系統(tǒng)(簡稱Pc控制系統(tǒng))組成，見圖1。圖中：wg為機組供氣流量，wb為通過Pb控制系統(tǒng)各調(diào)節(jié)閥的空氣流量，wc為通過Pc控制系統(tǒng)各調(diào)節(jié)閥的空氣流量，we為被試發(fā)動機的空氣流量，Pb為供氣壓力(即Pc控制系統(tǒng)的進口壓力)，Tb為供氣溫度，Pc為發(fā)動機進氣壓力，Tc為機組進氣溫度。

圖1 高空臺進氣壓力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The inlet pressure control system of aero-engine altitude simulating test cell

Pb控制系統(tǒng)負責(zé)調(diào)節(jié)供氣壓力(控制執(zhí)行機構(gòu)由1號、2號閥組成)，其調(diào)節(jié)任務(wù)主要由1號液壓自動調(diào)節(jié)閥完成。

Pc控制系統(tǒng)負責(zé)調(diào)節(jié)發(fā)動機進氣壓力(控制執(zhí)行機構(gòu)由3號、4號閥組成)，其調(diào)節(jié)任務(wù)主要由3號液壓自動調(diào)節(jié)閥完成。

3 高空臺進氣壓力控制系統(tǒng)的特性分析

3.1 Pb控制系統(tǒng)特性分析

Pb控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)對象是供氣機組出口至進氣管網(wǎng)調(diào)節(jié)閥之前的空氣壓力，將Pb控制系統(tǒng)相應(yīng)的管路一起視為一個容積為Vb的穩(wěn)壓箱，箱中空氣質(zhì)量為mb。根據(jù)氣體狀態(tài)方程和質(zhì)量守衡，從穩(wěn)態(tài)到瞬態(tài)過程中，穩(wěn)壓箱中空氣壓力Pb與調(diào)壓系統(tǒng)各流量間有如下關(guān)系式：

3.2 Pb、Pc控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥特性分析

通過各調(diào)節(jié)閥門的空氣質(zhì)量可描述為：

式中：αx為各閥門流量系數(shù)，可視為常數(shù)；Fx（t）為各調(diào)節(jié)閥閥門面積；ΔPx為各調(diào)節(jié)閥閥門前后壓差；Tx為各調(diào)節(jié)閥閥前溫度，在發(fā)動機某一確定試驗點可視為常數(shù)。因此，通過Pb控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥門的流量增量為：

通過Pc控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥門的流量增量為：

3.3 Pc控制系統(tǒng)特性分析

Pc控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)對象是進氣調(diào)節(jié)閥之后至發(fā)動機進氣穩(wěn)壓室之間的空氣壓力，其特性分析方法與Pb控制系統(tǒng)的相同。經(jīng)分析可得：

式中，被試發(fā)動機的流量增量為：

其中nc為被試發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

4 Pb控制系統(tǒng)仿人工智能控制方案設(shè)計

由式(1)可知，在Pb給定值不變的情況下，Pb的波動dPb主要由通過Pc控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥門的流量增量dwc引起。因此，Pb控制系統(tǒng)可采用dΔPb=dPb=Const為目標函數(shù)的控制策略，通過檢測dwc后，再通過調(diào)節(jié)相應(yīng)閥門開度來調(diào)整dwb，即可保證Pb不變。

在大流量航空發(fā)動機進行快速過渡態(tài)考核試驗時，系統(tǒng)在短時內(nèi)會出現(xiàn)dwc＞＞dwb的情況。此時，Pb控制系統(tǒng)若僅對1號閥實施控制，往往不能起到快速跟隨控制Pb穩(wěn)定的作用。試驗時，操作員會以理論分析為指導(dǎo)，根據(jù)Pb和1號閥門開度的實際變化情況手動控制2號閥開度，同時觀察Pb的控制效果，并以此決定是否繼續(xù)進行2號閥的手動控制(即實施dΔPb=dPb=Const控制)。實際證明，上述人工調(diào)節(jié)過程在試驗時效果很好。

根據(jù)以上理論分析和調(diào)節(jié)經(jīng)驗，設(shè)計出了仿人工智能控制器，讓計算機專家智能控制系統(tǒng)代替操作員完成此控制過程［3～5］。經(jīng)試驗驗證，該智能控制系統(tǒng)能大幅提高試驗效率。Pb控制系統(tǒng)仿人工智能控制主要參數(shù)設(shè)置如下：

(1)1號閥調(diào)節(jié)范圍參數(shù)設(shè)置：在此調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，可認為1號閥具有最佳的流量調(diào)節(jié)特性，此時2號閥不參與跟隨控制，試驗時可根據(jù)具體情況合理設(shè)置該參數(shù)。

(2)2號閥動作持續(xù)運行時間：根據(jù)Pb變化情況，模擬人的控制力度。

(3)2號閥停等控制時間：模擬人的控制經(jīng)驗。

5 Pc復(fù)合控制方案設(shè)計

在發(fā)動機快速過渡態(tài)試驗時，常規(guī)PID反饋控制在試驗時消除偏差的時間較長，不能滿足試驗要求，必須采用其它的控制方法，而先進復(fù)合(前饋+PID反饋)控制技術(shù)可解決這一難題。

5.1 最佳前饋控制輸入變量選取

Pc前饋控制的最佳時機是發(fā)動機狀態(tài)(流量)開始大幅變化、Pc有變化趨勢但其壓力偏差還沒有明顯改變的時刻，因此控制系統(tǒng)必須具備準確、快速捕獲前饋控制輸入變量的能力。

試驗時，流量測量受容腔效應(yīng)及測量噪聲的影響，流量的動態(tài)準確測量很難實現(xiàn)。因此以直接測量的流量變化率為前饋量不具備工程實際意義。

在發(fā)動機快速過渡態(tài)考核試驗時，由于過程控制通道和干擾通道間會在短時內(nèi)出現(xiàn)嚴重的速度不對稱性，因此在強流量干擾出現(xiàn)時可認為dwe＞＞dwc。因此有：

即可以通過獲取Pc偏差變化速率dec間接得到dwe并被控制系統(tǒng)使用。由于兩者之間相角延遲極小，因而dec可以準確反映dwe的變化。

采用dwe(通過dec間接得到)作為前饋控制輸入變量的突出優(yōu)點在于：

(1)前饋控制時，控制系統(tǒng)只對dwe敏感，而對we并不敏感，這樣就不需要為控制系統(tǒng)建立準確的發(fā)動機空氣質(zhì)量流量模型，因此大大降低了控制系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜程度。

(2)dec的測量可以做到相當(dāng)準確(即dwe也很準確)并且不易受測量噪聲干擾，因此，以此為基礎(chǔ)前饋控制就能夠做到及時有效的啟動或退出。

5.2 Pc壓力PID與前饋控制設(shè)計方案

發(fā)動機流量干擾對系統(tǒng)的作用通過干擾通道進行，前饋控制機理是給系統(tǒng)附加一個前饋通道(或稱前饋控制器)，利用擾動所附加的控制量與擾動對被控量影響的疊加消除或減小干擾的影響。因此前饋控制是在被控量相對沒有變化之前的一種主動補償和超前補償，因而可有效改善控制系統(tǒng)的瞬態(tài)性能。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。圖中，Gc（s）為數(shù)字PID控制器傳遞函數(shù)，Gk（s）為3號閥門位置(節(jié)流面積AF)傳遞函數(shù)，Gf（s）為閥門流量傳遞函數(shù)，Gp（s）為被控對象Pc傳遞函數(shù)，Gm（s）為壓力檢測環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，X（s）為給定值傳遞函數(shù)，W4為4號閥補償流量。

圖2所示控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)的前饋控制通道由發(fā)動機流量檢測環(huán)節(jié)、前饋控制開關(guān)、前饋控制器組成，前饋控制通道輸入變量為dwe，前饋控制器輸出為附加控制量Kd×dcv(Kd為綜合調(diào)整系數(shù)，dcv為前饋控制輸出增量)。PID控制器輸出為PID CV。各部分的功能簡述如下：

(1)發(fā)動機流量檢測環(huán)節(jié)：通過式(7)計算得到。

(2)前饋控制開關(guān)：通過對該開關(guān)的閉合或斷開狀態(tài)控制，決定前饋控制通道何時投入工作或何時退出前饋控制狀態(tài)。

(3)前饋推理機：根據(jù)影響Pc的物質(zhì)平衡條件，實時計算出適應(yīng)流量擾動dwe實的附加調(diào)節(jié)量dcv，用以快速抵消發(fā)動機流量擾動對Pc的影響。

(4)前饋控制器：在擾動出現(xiàn)后立即調(diào)整控制通道的輸出相角，加快被調(diào)閥門的動態(tài)響應(yīng)特性，消除控制通道和擾動通道不對稱所造成的不利影響。

圖2 Pc控制系統(tǒng)復(fù)合控制結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The compound control structure of Pcsystem

(5)PWM控制器：實現(xiàn)4號手動控制閥的前饋控制，其輸入變量Pc是壓力偏差及其變化速率，其輸出是4號閥的運行時間和停止時間。

6 進氣壓力復(fù)合控制關(guān)鍵技術(shù)分析及解決方案

6.1 前饋-PID控制無擾動切換

為了保證前饋控制退出時系統(tǒng)無擾動，附加調(diào)節(jié)量不能消失。但附加調(diào)節(jié)量的存在會使原PID調(diào)節(jié)量的可控范圍縮小，致使PID控制喪失可控能力。其解決方法為在前饋控制退出的一個掃描周期內(nèi)按順序完成下述動作：

(1)立即使PID置手動并用控制總量刷新PID“手動控制字”；

(2)附加調(diào)節(jié)量清零；

(3)PID置自動并用“手動控制字”刷新“自動控制字”。

6.2 前饋控制的一次作用原則

前饋控制的關(guān)鍵是在時機出現(xiàn)的短暫時間內(nèi)調(diào)整控制器的輸出相角和幅值，彌補原PID控制時閥門響應(yīng)滯后的問題。因此前饋控制投入工作的時間相當(dāng)短(在3號閥前饋期間其工作時間僅在0.5 s內(nèi))。由于前饋作用頻繁進入和退出會使系統(tǒng)產(chǎn)生很大的振蕩，所以前饋控制應(yīng)盡量保證一次作用原則。其解決方法如下：

(1)采用帶死區(qū)的閥值設(shè)計方案：當(dāng)檢測量超過死區(qū)上限(即閥值)時前饋控制工作，當(dāng)檢測量低于死區(qū)下限時前饋控制才退出。

(2)時間延遲設(shè)計方案：前饋作用退出后，保證在延遲時間內(nèi)(該時間實際是留給PID的動態(tài)調(diào)整時間)前饋控制不起作用，延遲時間到則恢復(fù)檢測dec并準備再次進行前饋控制。

6.3 前饋控制的有效性

(1)閥值

閥值的設(shè)置相當(dāng)關(guān)鍵，它是復(fù)合控制開始工作的閘門，在實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實際情況合理設(shè)置。

(2)前饋控制輸入變量的獲取

如前所述，前饋控制的輸入變量是dec，因此復(fù)合控制系統(tǒng)準確捕獲dec的能力至關(guān)重要。本系統(tǒng)通過采用遞推平均算法和二次限幅濾波算法對噪聲進行了成功抑制，實際證明dec檢測穩(wěn)定可靠，能準確反映發(fā)動機的狀態(tài)變化。

(3)前饋控制的作用域

前饋控制的最佳作用域是e×dec＞0的時間段。因為在該時間段內(nèi)，Pc壓力會以一定的速率遠離目標值。反之，當(dāng)e×dec＜0時前饋作用應(yīng)及時退出。

(4)前饋控制的滯后校正

其實質(zhì)是給控制總量疊加一個反向的抑制補償量，抑制前饋控制所引起的Pc超調(diào)。

7 控制效果對比

在完成進氣壓力復(fù)合控制系統(tǒng)功能設(shè)計和靜態(tài)調(diào)試后，利用半物理仿真試驗對比了改造前后控制系統(tǒng)在控制品質(zhì)方面的優(yōu)劣。在發(fā)動機推力瞬變試驗時，Pb設(shè)定值為 100 kPa，Pc設(shè)定值為 40 kPa，PID控制參數(shù)在此期間保持不變，發(fā)動機空氣流量在2 s內(nèi)由13 kg/s變?yōu)?8 kg/s。控制效果見圖3～圖5。

從圖中可以看出：單PID反饋控制中，Pc最大動態(tài)偏差13.5 kPa，調(diào)節(jié)時間17 s；3號閥前饋+3號閥PID控制中，Pc最大動態(tài)偏差4.7 kPa，調(diào)節(jié)時間8 s；4號閥前饋+3號閥PID控制中，Pc最大動態(tài)偏差1.4 kPa，調(diào)節(jié)時間4 s。

圖3 普通3號閥PID控制Fig.3 The normal PID control of No.3 valve

圖4 3號閥前饋+3號閥PID控制Fig.4 The feedforward and PID control of No.3 valve

圖5 4號閥前饋+3號閥PID控制Fig.5 The feedforward control of No.4 valve and PID control of No.3 valve

由此可見，進氣壓力智能與復(fù)合控制具有以下突出優(yōu)點：

(1)增強了PID控制的魯棒性，減小了PID的參數(shù)整定量。

(2)控制快速，超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時間短，進一步提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(3)實現(xiàn)了進氣調(diào)節(jié)閥雙閥前饋復(fù)合控制，可選用單閥前饋或組合前饋控制方式，因此該復(fù)合控制具有通用性，能滿足不同類型發(fā)動機的快速過渡態(tài)試驗。

(4)極大地提高了試驗效率，降低了操作員的勞動強度。

8 結(jié)束語

改造后的進氣壓力智能與復(fù)合控制系統(tǒng)不僅沒有改變原PID控制的穩(wěn)定性，而且還實現(xiàn)了進氣壓力控制系統(tǒng)在大流量航空發(fā)動機過渡態(tài)考核試驗中高精度和快速度的高效統(tǒng)一。該技術(shù)成功解決了大流量航空發(fā)動機過渡態(tài)考核試驗中進氣壓力難于控制的技術(shù)難題，進一步提高了高空模擬試驗的自動控制水平，其工程設(shè)計經(jīng)驗可以在相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用和推廣。

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