李存LI Cun

（中國航發(fā)上海商用航空發(fā)動機(jī)制造有限責(zé)任公司，上海 201306）

0 引言

核心機(jī)試車臺主要用于模擬核心機(jī)在整機(jī)狀態(tài)下的進(jìn)口環(huán)境條件，盡可能地逼近核心機(jī)真實(shí)工作狀態(tài)。試驗(yàn)過程中，需模擬核心機(jī)對應(yīng)整機(jī)狀態(tài)下的不同工況需求，并且在一定流量、壓力、溫度范圍內(nèi)，確保進(jìn)氣壓力、溫度的控制精度。因此，開展核心機(jī)加溫加壓進(jìn)氣壓力控制技術(shù)研究，掌握核心機(jī)進(jìn)氣壓力的控制模型與實(shí)現(xiàn)方法，以便獲得更加準(zhǔn)確的核心機(jī)試驗(yàn)進(jìn)氣環(huán)境模擬條件。國內(nèi)早期主要通過高空模擬試車臺開展核心機(jī)試驗(yàn)，但其試驗(yàn)成本高，開展核心機(jī)加溫加壓試驗(yàn)的效率不高，近幾年，國內(nèi)也開始建設(shè)專用的核心機(jī)試車臺。國外各高空臺均針對進(jìn)氣溫度、壓力控制開展了大量的技術(shù)研究工作，其中美國AEDC 和德國斯圖加特大學(xué)SATF 高空臺研究最為深入和系統(tǒng)，對整個進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行了建模仿真，基于模型針對進(jìn)氣系統(tǒng)壓力開展了壓力自適應(yīng)控制技術(shù)研究[1]。本文基于某核心機(jī)試車臺進(jìn)氣系統(tǒng)的調(diào)試和使用情況，開展核心機(jī)加溫加壓進(jìn)氣壓力控制技術(shù)研究工作，主要包括核心機(jī)進(jìn)氣壓力的物理模型建立過程、控制策略以及影響因素分析，從而為優(yōu)化進(jìn)氣系統(tǒng)壓力控制過程提供基礎(chǔ)，提高核心機(jī)試驗(yàn)效率。

1 核心機(jī)試車臺設(shè)備組成與工藝原理

核心機(jī)試車臺在開展加溫加壓進(jìn)氣試驗(yàn)時，由氣源系統(tǒng)提供具有一定溫度和壓力的壓縮空氣，此壓縮空氣一部分經(jīng)過水冷換熱器冷卻形成冷支路，另一部分不經(jīng)過水冷換熱器冷卻形成熱支路，通過自動調(diào)節(jié)冷、熱支路空氣的摻混比例實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣溫度調(diào)節(jié)，調(diào)溫?fù)交旌蟮膲嚎s空氣通過自動調(diào)壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣壓力調(diào)節(jié)，完成調(diào)溫和調(diào)壓后的空氣經(jīng)過整流室后進(jìn)入核心機(jī)，以滿足核心機(jī)加溫加壓進(jìn)氣試驗(yàn)需求。

典型的核心機(jī)試車臺工藝原理如圖1 所示。

圖1 典型核心機(jī)試車臺工藝原理圖

2 建立進(jìn)氣系統(tǒng)物理模型

2.1 容腔模型

核心機(jī)試車臺進(jìn)氣系統(tǒng)容腔結(jié)構(gòu)簡圖如圖2 所示，該腔有一路進(jìn)氣和兩路排氣，兩路排氣的流量由調(diào)節(jié)閥1 和調(diào)節(jié)閥2 來控制。其中，T，p，m˙，C 分別表示氣體的溫度、壓力、質(zhì)量流量和平均氣流速度，Q 表示通過容腔管壁傳遞的熱量，V 表示容腔的體積。

圖2 進(jìn)氣系統(tǒng)容腔控制體示意圖

針對進(jìn)氣系統(tǒng)容腔模型，其溫度和壓力非線性微分方程可表達(dá)如下[2]：

2.2 調(diào)節(jié)閥流量模型

核心機(jī)試車臺進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)時，主要通過進(jìn)氣壓力調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)。進(jìn)氣壓力調(diào)節(jié)閥可選液壓蝶閥，通過調(diào)試試驗(yàn)可獲得調(diào)節(jié)閥流量特性與閥門開度關(guān)系。其流量公式可表達(dá)如下：

其中，P1為閥前壓力，dP 為閥前閥后壓差，Cv 為流量系數(shù)。

閥門開度0~100%對應(yīng)電流信號為4mA~20mA，線性對應(yīng)關(guān)系，而閥門開度與流量系數(shù)Cv 的對應(yīng)關(guān)系為非線性的，通過函數(shù)擬合可得。而由閥門流量公式可知，調(diào)節(jié)閥1 和調(diào)節(jié)閥2 的流量特性函數(shù)是非線性的，與閥前和閥后壓力直接相關(guān)，但在某一穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥開度與流量的傳遞函數(shù)是可以得到，將其定義為Gv。

2.3 傳感器增益

核心機(jī)試車臺進(jìn)氣系統(tǒng)采用的壓力傳感器測量范圍為0~600kPa，實(shí)際上壓力傳感器首先將測量的壓力信號轉(zhuǎn)換為電流信號，然后再將電流信號轉(zhuǎn)換為0～32000 的數(shù)字信號，定義壓力信號到數(shù)字信號的增益為Kf，Kf=，實(shí)際中，壓力控制器的輸出的是0～32000 的數(shù)字信號，經(jīng)過D /A 轉(zhuǎn)換為0～20mA 的模擬電流信號作為閥門控制的指令信號，而指令信號對應(yīng)閥門開度0~100%的位置信號，因此定義控制器輸出到閥門開度信號的增益為。

3 PI 控制器設(shè)計策略

3.1 PID 控制原理

在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。PID 的控制器的控制規(guī)律為

式中kp為比例系數(shù)，TI為積分時間常數(shù)。

PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下[3]：

①比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e（t），偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差。

②積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之越強(qiáng)。

③微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差I(lǐng) 信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，以減小調(diào)節(jié)時間。一般通過比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)時，通常不會引入微分環(huán)節(jié)，以降低PID 控制器的設(shè)計難度。

根據(jù)已建立的進(jìn)氣系統(tǒng)物理模型，可得進(jìn)氣系統(tǒng)的PI 控制器設(shè)計框圖如3 所示，其中pset為進(jìn)氣壓力設(shè)定值。

圖3 進(jìn)氣壓力調(diào)節(jié)PI 控制框圖

3.2 PID 控制器設(shè)計原理

傳統(tǒng)的PI 控制器設(shè)計是基于系統(tǒng)某一穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)的線性模型設(shè)計最優(yōu)PI 控制器，用設(shè)計好的PI 控制器去控制非線性系統(tǒng)，這種設(shè)計方法的弊端是設(shè)計出的PI 控制器不能保證系統(tǒng)在整個工作包線內(nèi)均具有良好的控制效果。

核心機(jī)試車臺采用變PID 參數(shù)控制的設(shè)計思路，在進(jìn)氣系統(tǒng)調(diào)試過程中，對于不同的進(jìn)氣流量和壓力的工況，單一的PID 參數(shù)無法適用所有工況條件。因此，在進(jìn)氣系統(tǒng)壓力控制策略設(shè)計與驗(yàn)證時，需設(shè)定不同調(diào)試工況進(jìn)行PID 參數(shù)調(diào)整與尋優(yōu)試驗(yàn)，并通過對增益P 值進(jìn)行二維函數(shù)編輯，以實(shí)現(xiàn)在不同工況條件下的進(jìn)氣壓力高精度自動調(diào)節(jié)。

進(jìn)氣調(diào)壓系統(tǒng)變PID 參數(shù)整定過程如下：

①選定不同組合的進(jìn)氣壓力和流量調(diào)試工況點(diǎn)，所選的工況點(diǎn)應(yīng)能覆蓋所有可能的工況條件，包括高壓力-小流量，高壓力-大流量，低壓力-小流量，低壓力-大流量。

②在調(diào)試工況點(diǎn)，對壓力調(diào)節(jié)閥的PID 參數(shù)進(jìn)行整定，獲得每組工況下對應(yīng)的最優(yōu)PID 整定參數(shù)，形成PID整定參數(shù)數(shù)組，主要是P 值和I 值，通常可不進(jìn)行D 值的參數(shù)配置。

③基于上述PI 整定參數(shù)數(shù)組，進(jìn)行PI 參數(shù)最優(yōu)配置。進(jìn)氣壓力的控制與目標(biāo)壓力值和流量相關(guān)，而流量對應(yīng)調(diào)壓閥的開度，故對PI 整定參數(shù)數(shù)組進(jìn)行函數(shù)擬合，獲得變PI 調(diào)節(jié)參數(shù)。

以P 值為例，P 值的二維函數(shù)的計算公式如下：

其中，A、B、C、D 為常數(shù)，通過調(diào)試驗(yàn)證獲得；P 值計算二維函數(shù)曲線如圖4 所示。

圖4 進(jìn)氣壓力調(diào)節(jié)P 值二維函數(shù)

4 進(jìn)氣壓力控制的影響因素分析

4.1 高性能調(diào)壓閥選型與壓力調(diào)節(jié)性能驗(yàn)證

為實(shí)現(xiàn)核心機(jī)進(jìn)口壓力的高精度自動控制，調(diào)節(jié)閥的選型至關(guān)重要，實(shí)現(xiàn)核心機(jī)進(jìn)口壓力高精度控制的硬件基礎(chǔ)，直接關(guān)系到控制目標(biāo)是否可達(dá)成。對標(biāo)進(jìn)氣壓力穩(wěn)態(tài)控制精度的目標(biāo)，可選用高性能液壓蝶閥作為調(diào)壓閥，機(jī)械步長不小于3000 步，配置定位器精度高于0.1%。在設(shè)備正式投入使用前，需對調(diào)壓閥的壓力調(diào)節(jié)分辨率的進(jìn)行驗(yàn)證如下：①通過調(diào)節(jié)閥1 建立一定進(jìn)氣流量，比如30kg/s和60kg/s；②記錄當(dāng)前閥門位置Q1 與進(jìn)氣壓力值P1；③手動調(diào)節(jié)調(diào)壓閥，動作10 個步長，調(diào)節(jié)至閥門位置Q2，閥門開度調(diào)節(jié)幅度10/3000*100%=0.33%，記錄閥門位置Q2；④記錄調(diào)節(jié)閥1 的閥門位置Q2 對應(yīng)的進(jìn)氣壓力值P2。

經(jīng)調(diào)試驗(yàn)證，在進(jìn)氣流量30kg/s 的工況條件下，調(diào)節(jié)閥1 的壓力調(diào)節(jié)分辨率為0.1%。另外，調(diào)節(jié)閥在不同工況下對應(yīng)得開度需在蝶閥最佳調(diào)節(jié)區(qū)間15%~80%的范圍。（表1）

表1 調(diào)節(jié)閥1 的壓力調(diào)節(jié)分辨率調(diào)試結(jié)果

4.2 進(jìn)氣壓力控制的解耦

在核心機(jī)加溫加壓試驗(yàn)過程中，氣源系統(tǒng)提供恒壓定流量的穩(wěn)定供氣，在進(jìn)氣壓力調(diào)節(jié)過程中，調(diào)壓閥的動作勢必會造成對整個系統(tǒng)的擾動，造成氣源壓力調(diào)節(jié)和核心機(jī)試車臺進(jìn)氣系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)的耦合。核心機(jī)試車臺進(jìn)氣系統(tǒng)通過設(shè)定放氣流量支路，核心機(jī)進(jìn)氣壓力調(diào)節(jié)時，進(jìn)氣壓力調(diào)節(jié)閥1 基于核心機(jī)進(jìn)口壓力進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，而放氣支路調(diào)節(jié)閥2 基于進(jìn)氣系統(tǒng)文丘里流量管處的壓差進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，以維持氣源系統(tǒng)供氣總流量不變，避免兩個調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)耦合，從而保證整個大系統(tǒng)在壓力調(diào)節(jié)過程中的穩(wěn)定性。進(jìn)氣壓力控制解耦控制反饋邏輯如圖5 所示。

圖5 進(jìn)氣壓力控制反饋解耦邏輯示意圖

5 總結(jié)

本文針對某核心機(jī)試車臺進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)氣壓力控制過程進(jìn)行了物理建模，包括進(jìn)氣系統(tǒng)容腔建模、調(diào)節(jié)閥流量特性建模，傳感器建模，并基于對進(jìn)氣壓力的控制策略進(jìn)行了研究，尤其是PI 控制器設(shè)計方面，介紹了PI 控制的實(shí)現(xiàn)過程及最優(yōu)控制的調(diào)試驗(yàn)證方法，分析了進(jìn)氣壓力控制的影響因素，為實(shí)現(xiàn)核心機(jī)加溫加壓進(jìn)氣高精度控制提供參考，優(yōu)化核心機(jī)試驗(yàn)過程。