錢秋朦，但志宏，張 松，王 信，裴希同

(中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院航空發(fā)動機高空模擬技術重點實驗室，四川綿陽 621703)

1 引言

進排氣控制系統(tǒng)是航空發(fā)動機高空模擬試車臺(簡稱高空臺)的關鍵核心設備，通過調(diào)節(jié)發(fā)動機進氣壓力、溫度以及試驗艙內(nèi)環(huán)境壓力來模擬發(fā)動機在不同高度、馬赫數(shù)下的飛行條件，其調(diào)節(jié)品質(zhì)直接關乎發(fā)動機空中條件模擬的保真度，對發(fā)動機性能評定有著至關重要的影響[1]。作為進排氣控制系統(tǒng)中樞，系統(tǒng)軟件是連接需求分析、硬件系統(tǒng)并實現(xiàn)系統(tǒng)功能的橋梁，要求其能夠依據(jù)發(fā)動機試驗需求完成一系列邏輯功能，并驅(qū)動執(zhí)行機構構建與發(fā)動機工況相匹配的飛行條件。為此，設計一套功能強大、性能優(yōu)越的控制軟件，是進排氣控制系統(tǒng)高效運行的關鍵條件保障。

國外航空強國對高空模擬試驗進排氣控制系統(tǒng)進行了大量的研究。美國擁有世界上規(guī)模最大、功能最全、數(shù)量最多的高空模擬試驗設備，其控制系統(tǒng)軟件同樣功能豐富、結構完備，不僅能夠完成發(fā)動機常規(guī)工作性能、穩(wěn)定性、適應性、可靠性等考核試驗，還可完成加速任務、進氣道動力學特性、狀態(tài)模擬等領域的試驗任務。德國斯圖加特高空臺控制系統(tǒng)基于CENTAURE V 程序統(tǒng)籌開環(huán)控制、閉環(huán)控制、功能切換、圖形顯示、數(shù)據(jù)記錄等一系列功能，形成了一套高效實時的系統(tǒng)軟件，保障了BR700、E3E 等多型發(fā)動機的試車工作。隨著我國新型航空動力、新型試驗方法、新型試驗設施及系統(tǒng)智能化的發(fā)展需求，現(xiàn)有高空臺控制系統(tǒng)軟件所面臨的挑戰(zhàn)越發(fā)嚴峻，需開展多項技術升級和完善研發(fā)工作。為此，本文以新建高空臺為依托，詳細介紹了該高空臺控制系統(tǒng)軟件的具體實現(xiàn)。整個系統(tǒng)軟件采用模塊化設計方法，各模塊依據(jù)發(fā)動機試驗需求獨立開發(fā)，且各模塊相互關聯(lián)、相互依存，最終依據(jù)控制實現(xiàn)邏輯完成模塊間的調(diào)用、組建形成系統(tǒng)軟件。該軟件已在多個型號發(fā)動機高空模擬試驗中得到有效驗證，系統(tǒng)運行實時、準確，工作穩(wěn)定、可靠，滿足發(fā)動機高空模擬試驗需求。

2 軟件開發(fā)需求及特點

2.1 軟件需求

軟件開發(fā)包括七個方面的需求，具體為：

(1)針對發(fā)動機穩(wěn)態(tài)性能試驗高精度環(huán)境模擬要求，設計穩(wěn)態(tài)壓力控制功能的軟件模塊，提升控制器穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)精度，有效支撐發(fā)動機穩(wěn)態(tài)性能評定。

(2)針對發(fā)動機過渡態(tài)試驗，設計具備基于調(diào)節(jié)閥特性主動抗擾控制功能的軟件模塊，提升控制器動態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)。

(3)設計變PID 參數(shù)控制軟件模塊，提升控制器對非線性對象的適應能力和過渡態(tài)環(huán)境模擬控制品質(zhì)。

(4)針對發(fā)動機特殊環(huán)境模擬試驗，如高原起動、等馬赫數(shù)爬升、平飛加速等，設計相應特殊功能軟件模塊，滿足該類試驗需求。

(5)設計基于跟蹤微分器的信號處理軟件模塊，有效提取測量信號的動態(tài)信息成分，提升控制器的動態(tài)特性。

(6)針對發(fā)動機試驗安全，配備相應安全保障功能軟件模塊，如設備狀態(tài)監(jiān)控、冗余備份、緊急操作等功能。

(7)設計人機交互系統(tǒng)軟件。該系統(tǒng)軟件配備了操作界面、穩(wěn)/瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集、流程實時顯示、控制參數(shù)設置、工作狀態(tài)監(jiān)視、報警等功能，直接服務于發(fā)動機飛行環(huán)境自動調(diào)節(jié)任務。

2.2 軟件特點

進排氣控制系統(tǒng)軟件以其需求及功能為牽引。為確保系統(tǒng)軟件能夠依據(jù)發(fā)動機試驗要求和內(nèi)容快速、實時、安全地實現(xiàn)一系列控制功能，其軟件設計需遵循以下特點：

(1)模塊化及高度集成性

整個進排氣系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，按功能要求劃分為若干模塊，各模塊之間相互關聯(lián)，依據(jù)模塊間相應關系及邏輯執(zhí)行順序一體化高度集成，使得整個系統(tǒng)軟件結構清晰，便于閱讀、理解、測試和修改[2]。

(2)實時性

軟件實時性要求所有數(shù)據(jù)處理、控制邏輯解算、控制功能執(zhí)行、控制指令發(fā)送等都嚴格按照時序節(jié)拍進行控制，即軟件程序盡量精簡、干練，邏輯盡量嚴謹、清晰，且系統(tǒng)掃描周期可調(diào)。

(3)可靠性及安全性

系統(tǒng)軟件在發(fā)動機試驗中的地位舉足輕重，且自身承載信息龐大、實現(xiàn)功能多樣、適用范圍廣泛，一旦出現(xiàn)誤判、失效等故障，直接影響發(fā)動機試驗安全。

(4)通用性及可移植性

軟件通用性及可移植性直接反映了軟件的生命周期，即當前開發(fā)軟件具有可復制性和可重復性，能夠直接應用于后續(xù)各類型試驗艙的控制系統(tǒng)軟件設計。

3 軟件總體設計方案

整個系統(tǒng)軟件采用高效的模塊化設計方案，各模塊依據(jù)自身功能、作用獨立開發(fā)和測試[3]，并依據(jù)模塊間相互關系及控制邏輯功能完成模塊的調(diào)度與集成，形成進排氣控制系統(tǒng)軟件。依據(jù)發(fā)動機試驗需求，系統(tǒng)軟件分為穩(wěn)態(tài)控制模塊、過渡態(tài)控制模塊、變PID 參數(shù)控制模塊、特種試驗控制模塊、信號處理模塊、安全保障模塊、人機交互模塊七大部分，如圖1 所示。每個功能塊實現(xiàn)不同功能，且均由多個子模塊組成。

4 關鍵功能模塊的軟件實現(xiàn)

根據(jù)進排氣控制系統(tǒng)軟件結構分類，對每個功能塊獨立設計，各功能塊間相互獨立、相互關聯(lián)、相互調(diào)用。下面詳細介紹穩(wěn)態(tài)控制模塊、過渡態(tài)控制模塊、變PID 參數(shù)控制模塊和人機交互模塊等幾個關鍵功能實現(xiàn)模塊，其他模塊設計方法類似。

4.1 穩(wěn)態(tài)控制模塊

圖1 進排氣控制系統(tǒng)軟件結構框圖Fig.1 Software structure diagram of intake and exhaust control system

穩(wěn)態(tài)控制模塊用于實現(xiàn)發(fā)動機工作環(huán)境壓力的高精度調(diào)節(jié)，為主、副控制器的雙閉環(huán)控制結構。其中，副控制器以調(diào)節(jié)閥閥位為被控量，實現(xiàn)閥位的快速粗調(diào)和準確定位；主控制器以壓力為被控量，在快速消除擾動的同時實現(xiàn)壓力的高精度細調(diào)。設計的穩(wěn)態(tài)控制軟件功能塊如圖2 虛線矩形框中所示，由數(shù)字PID 控制模塊、位置隨動控制模塊、工程轉(zhuǎn)換模塊等子模塊組成。

圖2 壓力高精度穩(wěn)態(tài)控制軟件結構Fig.2 Software structure diagram of steady-state pressure control block

(1)數(shù)字PID 控制模塊

數(shù)字控制器內(nèi)核采用位置式PID[4]，實現(xiàn)簡單、方便。軟件設計時，將數(shù)字PID 函數(shù)表達式進行模塊化封裝，模塊輸入為壓力設定值和壓力實時測量值，輸出為調(diào)節(jié)閥位置給定值。同時，該模塊配備了抗積分飽和、控制器手/自動無擾切換、死區(qū)設置等功能。該數(shù)字PID 僅為控制器基礎內(nèi)核，可在其基礎上開發(fā)模糊PID 等一系列先進控制算法。

(2)位置隨動控制模塊

位置隨動控制模塊由P 控制器模塊和伺服閥非線性補償模塊組成，其軟件結構如圖3 所示。該軟件結構使得閥位控制指令與實際閥位信號呈良好的線性特性，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥對位置指令信號的快速跟隨和精確定位。

圖3 位置隨動控制模塊軟件結構Fig.3 Software structure diagram of position control block

其中，伺服閥非線性補償模塊是為克服電液伺服閥閥芯在零位具有嚴重非線性死區(qū)，使得伺服閥輸出流量不能與控制電流保持理想線性關系的問題。設計此模塊時，通過系統(tǒng)辨識方法獲取伺服閥控制電流與輸出流量的非線性補償曲線(式(1))，并將該補償曲線進行封裝形成非線性補償模塊。

式中：Q為電液伺服閥輸出流量，I為電液伺服閥控制電流，xv為伺服閥閥芯位移，vp為調(diào)節(jié)閥閥位。

(3)工程轉(zhuǎn)換模塊

工程轉(zhuǎn)換模塊為一通用數(shù)值轉(zhuǎn)換模塊，其作用是將實時采集的壓力、溫度、閥位等工程信號線性轉(zhuǎn)換為PLC 處理器可識別的整形數(shù)，如式(2)所示，以提升控制器的分辨率。

式中：f為轉(zhuǎn)換整形數(shù)，x為傳感器測量實際值，low為傳感器測量下限，up為傳感器測量上限。

4.2 過渡態(tài)控制模塊

過渡態(tài)控制模塊旨在提升發(fā)動機過渡態(tài)試驗中控制器的動態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)，其工作機理為：控制PLC 完成發(fā)動機及控制系統(tǒng)相應狀態(tài)信號的采集處理，實時解算壓力變化梯度以作為進入開環(huán)/閉環(huán)控制邏輯的判斷依據(jù)。其中，開環(huán)控制邏輯依據(jù)調(diào)節(jié)閥特性及位置隨動控制方法使調(diào)節(jié)閥按照指定速率運行到指定位置以實現(xiàn)壓力的粗略調(diào)節(jié)；閉環(huán)控制邏輯依據(jù)高精度的穩(wěn)態(tài)壓力控制功能實現(xiàn)壓力的閉環(huán)自動精細調(diào)節(jié)。根據(jù)其工作原理，設計的過渡態(tài)控制軟件結構如圖4 所示，包含工作模式切換模塊、調(diào)節(jié)閥流量特性模塊、調(diào)用的位置隨動控制模塊和壓力穩(wěn)態(tài)控制模塊。

圖4 基于調(diào)節(jié)閥特性的過渡態(tài)控制軟件結構圖Fig.4 Software structure diagram of transitional state control block based on valve characteristic

(1)工作模式切換模塊

工作模式切換模塊設計時，以發(fā)動機及控制系統(tǒng)實時狀態(tài)信息為輸入量，采用跟蹤微分器[5]計算出壓力變化梯度及發(fā)動機油門桿和轉(zhuǎn)速變化率，并以其作為控制器進入開環(huán)/閉環(huán)控制模式的判斷依據(jù)，最終輸出邏輯判斷信號。

(2)調(diào)節(jié)閥流量特性模塊

調(diào)節(jié)閥流量特性模塊用于開環(huán)控制邏輯下閥門位置控制設定指令的實時解算。該模塊依據(jù)調(diào)節(jié)閥所處的溫度、壓力及流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量(發(fā)動機流量)，結合流量特性插值表，實時計算出調(diào)節(jié)閥的預設開度，包含調(diào)節(jié)閥流量特性插值表及流量特性解算模塊，如圖5 所示。

圖5 調(diào)節(jié)閥流量特性模塊軟件結構Fig.5 Software structure diagram of valve mass flow characteristic block

①流量特性插值表

調(diào)節(jié)閥流量特性插值表直接反映調(diào)節(jié)閥的流通能力[5-6]。軟件設計時，采用理論建模和系統(tǒng)辨識手段獲得滿足工程應用的高置信度調(diào)節(jié)閥流量特性，該流量特性同閥后與閥前壓力比、閥門節(jié)流面積與管道面積比直接相關。軟件實現(xiàn)時，將流量系數(shù)制作成一張關于閥后與閥前壓力比、閥門節(jié)流面積與管道面積比的二維插值表，如式(3)所示，并封裝于模塊中。

式中：p1為閥前壓力，p2為閥后壓力；m1為管道面積，m2為閥門實際節(jié)流面積。

②流量特性解算模塊

流量特性解算模塊可根據(jù)當前調(diào)節(jié)閥所處的工作壓力、溫度、流量系數(shù)計算得出閥門的實時預設開度，其軟件實現(xiàn)的數(shù)學表達式如式(4)所示。

式中：vpset為調(diào)節(jié)閥預設開度，Wa為流經(jīng)閥門流量，T為閥門所處溫度。

4.3 變PID 參數(shù)控制模塊

變PID 參數(shù)控制模塊用于提升控制器對非線性受控對象的適應能力，并縮短試驗狀態(tài)建立的調(diào)整時間，由跟蹤微分器[7-8]模塊和變PID 控制率模塊組成，如圖6 所示。

圖6 變PID 參數(shù)控制模塊軟件結構Fig.6 Software structure diagram of changed PID control block

(1)跟蹤微分器模塊

跟蹤微分器模塊實現(xiàn)以下功能：對設定值信號、反饋測量值信號進行有效濾波，安排出連續(xù)且光滑、非跳變的過渡過程；對設定值信號、反饋測量值信號提取出合理的滿足工程應用的微分信號，從而獲取信號的有效動態(tài)信息成分。跟蹤微分器的函數(shù)表達式如式(5)所示，軟件設計時采用歐拉離散形式實現(xiàn)[7]。

式中：r(k)為輸入信號；r1(k)和r2(k)為輸出信號，其中r1(k)為跟蹤r(k)的光滑且無超調(diào)的過渡過程值，r2(k)為去噪后滿足工程使用的微分信號；h為控制器掃描周期；delta為速度因子，決定跟蹤速度；h0為濾波因子，決定對噪聲的濾波效果；fst為非線性函數(shù)。

(2)變PID 控制率模塊

變PID 控制率模塊能夠?qū)崿F(xiàn)比例、積分、微分參數(shù)的在線調(diào)整[9]，包含非線性特性函數(shù)模塊和調(diào)用的數(shù)字PID 模塊，如圖7 所示。其中，非線性特征函數(shù)模塊依據(jù)式(6)的函數(shù)形式設計，其輸入為原始比例、積分、微分系數(shù)，輸出為變化后的比例、積分、微分系數(shù)。該非線性特征函數(shù)使PID 控制器的控制參數(shù)能實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整，從而實現(xiàn)如小誤差大增益、大誤差小增益等實際工程應用中的智能化控制[10]，一定程度上提升了控制器的非線性適應能力。

圖7 變參數(shù)控制率模塊軟件結構Fig.7 Software structure diagram of variable parameter control rate block

4.4 人機交互模塊

人機交互模塊(圖8)是系統(tǒng)與用戶之間進行交互和信息交換的媒介，負責系統(tǒng)工作狀況的實時監(jiān)測和工作參數(shù)設置，可直接控制系統(tǒng)試驗過程自動化和參數(shù)獲取自動化服務，允許快速方便修改相應控制參數(shù)，安全有效地進行執(zhí)行機構控制和飛行環(huán)境模擬調(diào)節(jié)[11-12]。通過該模塊可完成控制系統(tǒng)的過程控制、數(shù)據(jù)采集處理、狀態(tài)監(jiān)視、報警和實時曲線顯示等功能。

圖8 人機交互模塊軟件結構Fig.8 Software structure diagram of human-compute interaction block

5 系統(tǒng)軟件實施效果

將所設計的進排氣控制系統(tǒng)軟件應用于發(fā)動機高空模擬試驗中，整個系統(tǒng)軟件的實施效果以最為直觀的圖形界面形式展示，如圖9 所示。該界面也是系統(tǒng)軟件的人機交互界面，通過該界面實現(xiàn)了試驗流程顯示、控制功能選擇、參數(shù)設置修改、模擬參數(shù)曲線顯示等一系列功能。

圖9 系統(tǒng)軟件實施效果圖Fig.9 Implementation diagram of software system

目前，所設計的系統(tǒng)軟件在多型發(fā)動機試驗中得到有效驗證，整個系統(tǒng)軟件運行穩(wěn)定可靠，能準確模擬發(fā)動機真實試車過程。以某大流量發(fā)動機過渡態(tài)試驗為例，其控制效果如圖10 所示。結果顯示依據(jù)控制算法所設計的控制軟件合理、可靠，達到了預期設計目標和要求。

圖10 發(fā)動機過渡態(tài)試驗實施效果圖Fig.10 Implementation diagram of engine transitional state tests

6 結束語

高空模擬試車臺進排氣控制系統(tǒng)是實現(xiàn)發(fā)動機飛行環(huán)境模擬的核心系統(tǒng)，本文根據(jù)發(fā)動機試驗需求及控制系統(tǒng)設備特點設計了進排氣控制系統(tǒng)軟件。整個系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，每個功能塊獨立開發(fā)并實現(xiàn)相應功能，最終依據(jù)控制要求將所有功能模塊一體化集成形成系統(tǒng)軟件。該系統(tǒng)軟件已在多型發(fā)動機高空模擬試驗中得到有效驗證，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，滿足航空發(fā)動機高空模擬試驗需求。同時，該系統(tǒng)軟件可直接應用于后續(xù)多型發(fā)動機高空模擬試驗，并可直接指導或應用于后續(xù)各類試驗艙控制系統(tǒng)的軟件設計。