陳 杰，周文祥，周永權(quán)，楊征山

（1.中航工業(yè)航空動(dòng)力控制系統(tǒng)研究所，江蘇無錫 214063；2.南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，南京 210016）

0 引言

軸對(duì)稱矢量噴管（AVEN）控制技術(shù)是當(dāng)今世界最先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)采用的典型矢量推力控制技術(shù)之一，通過控制矢量噴管的偏轉(zhuǎn)來改變發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴流的方向，使戰(zhàn)斗機(jī)具備過失速機(jī)動(dòng)及短距起降的能力[1-2]。典型AVEN尾噴管出口（簡稱A9）矢量控制由3個(gè)作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)。作動(dòng)筒輸出相同位移實(shí)現(xiàn)A9收擴(kuò)調(diào)節(jié)；輸出不同位移實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)。AVEN控制系統(tǒng)控制回路分為內(nèi)環(huán)和外環(huán)，內(nèi)環(huán)即執(zhí)行機(jī)構(gòu)位移控制回路，或稱小閉環(huán)控制回路，實(shí)現(xiàn)作動(dòng)筒的位移量閉環(huán)控制，外環(huán)根據(jù)飛行控制系統(tǒng)輸出的矢量方位角θ和矢量偏轉(zhuǎn)角δ，由控制律解算出3個(gè)作動(dòng)筒位移給定量，然后通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)小閉環(huán)回路控制作動(dòng)筒運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)A9面積調(diào)節(jié)和矢量偏轉(zhuǎn)控制。

本文在AVEN執(zhí)行機(jī)構(gòu)小閉環(huán)控制回路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，研究AVEN調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)外環(huán)協(xié)同控制方案，實(shí)現(xiàn)AVEN矢量控制。

1 AVEN執(zhí)行機(jī)構(gòu)回路獨(dú)立控制方案

典型的AVEN結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。因θ和δ不能由傳感器測得，A9外環(huán)控制通常采用開環(huán)控制方式，并以3個(gè)作動(dòng)筒平均控制精度近似AVEN控制精度，初步方案如圖2所示，3個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)小閉環(huán)回路獨(dú)立控制。在圖中：L1（或L2、L3）為執(zhí)行機(jī)構(gòu)回路序號(hào)或作動(dòng)筒反饋位移；L1Dem為位移給定量；LVDT為線位移傳感器；A8為發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉道面積。通常3個(gè)小閉環(huán)回路組件控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完全相同。

圖1 典型AVEN裝置結(jié)構(gòu)

圖2 矢量噴管調(diào)節(jié)初步控制律方案

AVEN獨(dú)立控制方案進(jìn)行了數(shù)字仿真驗(yàn)證。θ和δ階躍給定（0°、0°）、（270°、20°）、（0°、0°）。仿真結(jié)果如圖3 所示。L1、L2、L3位移變化量分別為 18.5%、6%、28%，調(diào)節(jié)時(shí)間分別為0.30、0.13、0.40 s，作動(dòng)筒位移調(diào)節(jié)出現(xiàn)逐個(gè)到位現(xiàn)象。若θ和δ為斜坡給定，若是低斜率斜坡，3個(gè)矢量作動(dòng)筒控制較好；若是高斜率斜坡，仿真結(jié)果類似階躍也出現(xiàn)作動(dòng)筒到位不等時(shí)的現(xiàn)象。

圖3 矢量噴管偏轉(zhuǎn)仿真曲線

飛機(jī)在機(jī)動(dòng)飛行時(shí)會(huì)給出大幅度快速偏轉(zhuǎn)指令，近似階躍信號(hào)或高斜率斜坡；矢量噴管偏轉(zhuǎn)角及偏轉(zhuǎn)速率均會(huì)很大，快速率大幅度偏轉(zhuǎn)可能會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)工作不穩(wěn)定；如果噴管矢量控制不理想，如出現(xiàn)上述臺(tái)階式運(yùn)動(dòng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)安全工作更為不利[4]。SU－37飛機(jī)矢量偏轉(zhuǎn)速率達(dá)到 45°/s[5-6]，δ=20°時(shí)，偏轉(zhuǎn)在 0.5 s內(nèi)完成；本文研究的矢量控制裝置按以上控制方案θ=0°、δ=0～20°階躍給出，通過仿真發(fā)現(xiàn)，3個(gè)作動(dòng)筒上升時(shí)間最快為0.35 s，最慢為0.65 s，矢量噴管可能出現(xiàn)臺(tái)階式運(yùn)動(dòng)。隨著矢量噴管技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，δ進(jìn)一步加大，采用常規(guī)的獨(dú)立控制方案會(huì)使A9作動(dòng)筒臺(tái)階式運(yùn)動(dòng)更明顯。為此，必須保證給定任意θ和δ時(shí)，控制系統(tǒng)才能使3個(gè)作動(dòng)筒同時(shí)運(yùn)動(dòng)到位，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作安全。

2 AVEN執(zhí)行機(jī)構(gòu)協(xié)同控制方案

2.1 同步控制方法

為解決矢量噴管作動(dòng)筒等時(shí)運(yùn)動(dòng)到位問題，可以參考同步控制理論設(shè)計(jì)AVEN執(zhí)行機(jī)構(gòu)協(xié)同控制方案。最常見的同步控制是位置同步與轉(zhuǎn)速同步控制等。同步控制方式[7]有并行、主從、交叉耦合[8]、虛擬總軸[9]和偏差耦合控制等。其中，主從控制是將其中某個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制回路作為主回路，其輸出值作為其余回路的參考。雙回路主從控制原理如圖4所示。偏差耦合控制是將某一分回路執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反饋同其它回路執(zhí)行機(jī)構(gòu)回路反饋分別作差，然后將得到的偏差相加，作為該回路執(zhí)行機(jī)構(gòu)的補(bǔ)償信號(hào)。這種控制可以很好地實(shí)現(xiàn)同步性，并且穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)同步精度均較高。3回路偏差耦合控制原理如圖5所示。

圖4 主從控制原理

圖5 偏差耦合控制方案原理

2.2 AVEN執(zhí)行機(jī)構(gòu)協(xié)同控制方案設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證

顯然，前述同步控制理論不能直接應(yīng)用于AVEN矢量噴管控制。AVEN矢量噴管等時(shí)運(yùn)動(dòng)控制要求在給定任意θ和δ時(shí)作動(dòng)筒等時(shí)運(yùn)動(dòng)到位，亦可理解為“運(yùn)動(dòng)時(shí)間同步”，本文定義該同步控制為“協(xié)同控制”。AVEN執(zhí)行機(jī)構(gòu)回路協(xié)同控制方案可融合偏差耦合控制和主從控制的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1）基于偏差比例的變偏差給定協(xié)同控制方案

基于偏差比例的變偏差給定協(xié)同控制原理如圖6所示，該控制是指3個(gè)作動(dòng)筒控制回路各自計(jì)算給定信號(hào)與反饋信號(hào)的偏差（下文簡稱偏差），將3個(gè)回路原始偏差信號(hào)絕對(duì)值最大的回路作為主回路；其它回路偏差按與最大偏差的比例進(jìn)行比例縮減，即綜合耦合矯正，矯正后偏差經(jīng)過相同的控制器運(yùn)算后，得到與偏差成反比的電液伺服閥控制電流，3個(gè)矢量作動(dòng)筒由此實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)時(shí)間相等且由主回路確定。當(dāng)某回路偏差接近零時(shí)，由于存在偏差比例，相關(guān)比例系數(shù)會(huì)急劇放大，導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)控制精度變差，所以需對(duì)偏差耦合器控制進(jìn)行限制，視時(shí)自動(dòng)退出耦合控制。

圖6 基于偏差比例的變偏差協(xié)同控制原理

圖7 矢量偏轉(zhuǎn)作動(dòng)筒運(yùn)動(dòng)異常曲線

采用該方案進(jìn)行與獨(dú)立控制方案相同內(nèi)容的仿真，結(jié)果如7所示。該協(xié)同控制基本實(shí)現(xiàn)了AVEN作動(dòng)筒協(xié)同控制。但是當(dāng)偏差耦合器輸出矯正偏差很大時(shí)，電液伺服閥實(shí)際電流會(huì)達(dá)飽和值（+40 mA或-40 mA），作動(dòng)筒運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到極限，會(huì)使差耦合器工作失效；當(dāng)輸出電流由飽和轉(zhuǎn)變?yōu)榉秋柡蜁r(shí)，其余回路電流輸出容易發(fā)生突變，由此會(huì)引發(fā)3個(gè)作動(dòng)筒運(yùn)動(dòng)畸形。

（2）基于偏差比例的變電流協(xié)同控制方案

針對(duì)電液伺服閥輸出電流畸形，提出了基于偏差比例的變電流協(xié)同控制方案。運(yùn)用3個(gè)作動(dòng)筒的給定值、反饋值及其信號(hào)偏差，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)回路進(jìn)行綜合耦合，并得到矯正系數(shù)；控制器根據(jù)偏差信號(hào)計(jì)算電液伺服閥初步給定電流，再根據(jù)矯正系數(shù)調(diào)制出實(shí)際給定電流，從而控制3個(gè)作動(dòng)筒變速運(yùn)動(dòng)。在3個(gè)回路中，將原始偏差信號(hào)絕對(duì)值最大的1個(gè)回路作為主回路，其余為從回路，控制邏輯如圖8所示。

采用該方案進(jìn)行相同內(nèi)容的仿真，如圖9所示。結(jié)果表明，該方案較好地實(shí)現(xiàn)了協(xié)同控制，保留了前1種方案的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)小閉環(huán)控制器控制系數(shù)不限制，作動(dòng)筒的畸形運(yùn)動(dòng)不再出現(xiàn)。

圖9 方案2作動(dòng)筒運(yùn)動(dòng)曲線

采用該方案進(jìn)行斜坡響應(yīng)仿真，給定θ=75°，δ=0～20°/0.1 s斜坡信號(hào)，仿真結(jié)果如圖10所示。即使在電液伺服閥輸出電流飽和的大斜率斜坡給定下，3個(gè)作動(dòng)筒運(yùn)動(dòng)仍保持較好的協(xié)同性。

圖10 20°/0.1 s偏轉(zhuǎn)斜坡跟蹤仿真曲線

以上設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果表明：基于偏差比例的變電流協(xié)同控制較好地實(shí)現(xiàn)了AVEN作動(dòng)筒等時(shí)同步控制，該系統(tǒng)控制精度較高，易于工程實(shí)現(xiàn)，是AVEN執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制回路外環(huán)控制的首選方案。

3 AVEN執(zhí)行機(jī)構(gòu)協(xié)同控制半物理試驗(yàn)與分析

3.1 半物理試驗(yàn)

矢量偏轉(zhuǎn)半物理試驗(yàn)分別采用獨(dú)立控制方案和基于偏差比例的變電流協(xié)同控制方案[10]，試驗(yàn)范圍在θ=0°和 θ=180°，δ=0～10°。當(dāng) AVEN以該方位角做偏轉(zhuǎn)時(shí)，作動(dòng)筒L1和L3位移均相同，為了使圖清晰可辨，在試驗(yàn)曲線中僅給出L1的試驗(yàn)結(jié)果。

獨(dú)立控制方案試驗(yàn)結(jié)果如圖11（a）所示。圖中VnaSelta=θ，VnaDelta=δ。2 種結(jié)果一樣出現(xiàn)時(shí)間不同步現(xiàn)象，圖中（0°，5°）到（180°，10°）階段，L1、L2調(diào)節(jié)時(shí)間分別是 0.3、0.6 s。

圖11 偏轉(zhuǎn)角階躍給定AVEN偏轉(zhuǎn)控制試驗(yàn)結(jié)果

L1、L2、L3回路采用基于偏差比例的變電流協(xié)同控制方案進(jìn)行試驗(yàn)，（θ、δ） 階躍給定（0°、0°）、（180°、10°）、（0°、0°），結(jié)果如圖 11（b）所示，3 個(gè)作動(dòng)筒等時(shí)同步運(yùn)動(dòng)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

AVEN控制采用協(xié)同控制方案，通過全數(shù)字仿真和半物理試驗(yàn)，獲得的部分試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)結(jié)果綜合對(duì)比

根據(jù)理論分析，采用協(xié)同控制方案后，只改變?cè)邢到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制品質(zhì)，對(duì)穩(wěn)態(tài)控制精度影響不大。從表1中可見，全數(shù)字仿真結(jié)果與半物理試驗(yàn)結(jié)果非常接近，但精度有小差異，原因可能是：（1）半物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)受上位機(jī)采集精度的影響；（2）A8控制穩(wěn)定性會(huì)對(duì)A9產(chǎn)生直接影響。綜合來看，半物理試驗(yàn)控制品質(zhì)比全數(shù)字仿真的稍差，但二者偏差很小。

4 結(jié)論

（1）針對(duì)矢量噴管控制過程中出現(xiàn)的作動(dòng)筒非等時(shí)同步運(yùn)動(dòng)問題，設(shè)計(jì)了2種AVEN執(zhí)行機(jī)構(gòu)協(xié)同控制方案，經(jīng)過仿真分析和對(duì)比驗(yàn)證，確立了AVEN執(zhí)行機(jī)構(gòu)回路宜采用基于偏差比例的變電流協(xié)同控制方案。

（2）通過全數(shù)字仿真和半物理試驗(yàn)對(duì)基于偏差比例的AVEN執(zhí)行機(jī)構(gòu)變電流協(xié)同控制方案進(jìn)行測試及驗(yàn)證，結(jié)果表明：該方案能夠?qū)崿F(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)AVEN的收擴(kuò)與偏轉(zhuǎn)控制，解決了AVEN在給定任意θ和δ時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的非等時(shí)同步運(yùn)動(dòng)問題，矢量噴管偏轉(zhuǎn)具有穩(wěn)定、安全、快速、精度高等優(yōu)點(diǎn)。

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