胡惠芳 李洋 王軒 崔一博
摘要:燃油數(shù)控系統(tǒng)作為航空發(fā)動機FADEC(全權限數(shù)字電子控制)系統(tǒng)的核心之一,其工作性能變化直接影響發(fā)動機的工作特性。本文針對燃油數(shù)控系統(tǒng)修理檢驗中通常只檢查固定流量點流量而忽略燃油數(shù)控系統(tǒng)整體性能偏移和動態(tài)性能變化的問題,提出一種基于模型參數(shù)辨識的某型燃油數(shù)控系統(tǒng)綜合檢驗方法。該方法通過模型參數(shù)辨識,可獲得燃油數(shù)控系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能參數(shù),通過對比相關參數(shù)變化,可綜合檢驗判斷燃油數(shù)控系統(tǒng)的性能變化和修理恢復情況。
關鍵詞:航空發(fā)動機;燃油數(shù)控系統(tǒng);模型參數(shù)辨識;綜合檢驗方法
Keywords: aero-engine;fuel numerical control system;model parameter identification;comprehensive inspection method
0 引言
航空發(fā)動機是飛機的動力提供裝置,其工作過程復雜,在整個飛行包線內(nèi)的工作特性變化很大,需要在高溫、高壓、高轉速下長期工作,工作環(huán)境十分惡劣。為了保證發(fā)動機能夠可靠穩(wěn)定地提供推力,需要對多變量、多執(zhí)行機構進行協(xié)同調(diào)節(jié)。
燃油流量作為關鍵被控變量,在發(fā)動機FADEC系統(tǒng)中通過燃油數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)調(diào)節(jié)。燃油數(shù)控系統(tǒng)包括電子控制器、力矩馬達(或高速開關閥)、燃油泵調(diào)節(jié)器、線位移傳感器等組件。如圖1所示,某型發(fā)動機燃油數(shù)控系統(tǒng)中有三個執(zhí)行機構對燃油計量活門進行調(diào)節(jié):一是自動模式下通過力矩馬達控制活門帶動計量活門搖臂旋轉,改變計量活門油窗橫向開口長度;二是手動模式下通過三維凸輪控制搖臂帶動計量活門搖臂旋轉,改變計量活門油窗橫向開口長度;三是在發(fā)動機超轉時,由超轉伺服閥帶動計量活門搖臂旋轉,關小計量活門油窗橫向開口長度,減小燃油流量。計量活門油窗除橫向開口長度可調(diào)外,通過P3壓力膜盒的壓縮與舒張可調(diào)節(jié)計量活門油窗的縱向開口高度。
燃油數(shù)控系統(tǒng)工作過程中,計量活門前后的壓差由一個壓差活門進行調(diào)節(jié),使計量活門油窗前后的壓差保持恒定,進而保證燃油體積流量僅與計量活門油窗開口面積成正比,從而簡化燃油流量的控制算法與邏輯。
燃油數(shù)控系統(tǒng)在修理完成后,需根據(jù)履歷本要求對其性能恢復情況進行檢驗。目前常見的檢查方法是檢查燃油數(shù)控系統(tǒng)在多個固定流量點的流量是否符合履歷本規(guī)定的范圍要求。該檢驗方法存在流量整體偏上限或下限的情況,無法準確評估燃油數(shù)控系統(tǒng)整體性能偏移和動態(tài)性能變化情況。針對此問題,本文提出一種基于模型參數(shù)辨識的綜合檢驗方法,通過辨識燃油數(shù)控系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能參數(shù),綜合檢驗燃油數(shù)控系統(tǒng)性能變化和修理恢復情況。
1 穩(wěn)態(tài)參數(shù)辨識及檢驗
式(12)中的4個數(shù)值綜合反映了燃油數(shù)控系統(tǒng)穩(wěn)定工作時燃油流量受力矩馬達控制電流i和壓氣機后壓力的調(diào)節(jié)和影響程度,可作為燃油數(shù)控系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能檢查和修理檢驗的綜合指標依據(jù)。
2 動態(tài)參數(shù)辨識及檢驗
基于燃油數(shù)控系統(tǒng)性能試驗器,在自動模式下設置轉速和燃油泵調(diào)節(jié)器進口油壓,壓氣機后壓力=0.6MPa,進行力矩馬達控制電流階躍試驗,試驗曲線如圖2和圖3所示。
另外,為檢驗模型動態(tài)特性的準確性,需將相同輸入條件下的模型輸出與真實試驗數(shù)據(jù)進行對比。在相同力矩馬達控制電流的輸入下,傳遞函數(shù)的模型輸出與試驗采集到的燃油體積流量對比如圖5和圖6所示??梢钥吹剑瑹o論是32mA到96mA的控制電流階躍試驗還是96mA到32mA的控制電流階躍試驗,傳遞函數(shù)模型的輸出均能準確反映系統(tǒng)的動態(tài)特性。根據(jù)Matlab的統(tǒng)計結果,模型輸出與實際試驗數(shù)據(jù)的擬合率達到95%。
通過系統(tǒng)辨識得到的燃油數(shù)控系統(tǒng)傳遞函數(shù)中包含一個慣性環(huán)節(jié)和一個二階振蕩環(huán)節(jié),通過對比慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)、二階振蕩環(huán)節(jié)的時間常數(shù)、二階振蕩環(huán)節(jié)的阻尼比等參數(shù)的變化,可綜合檢驗燃油數(shù)控系統(tǒng)動態(tài)性能衰退和修理恢復情況。
3 總結與應用
本文針對燃油數(shù)控系統(tǒng)修理檢驗中的一般性問題,提出一種基于模型參數(shù)辨識的某型航空發(fā)動機燃油數(shù)控系統(tǒng)綜合檢驗方法,通過試驗辨識燃油數(shù)控系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能參數(shù),綜合檢驗燃油數(shù)控系統(tǒng)性能變化和維修恢復情況。通過該方法得到的燃油數(shù)控系統(tǒng)傳遞函數(shù)也可作為燃油數(shù)控系統(tǒng)仿真模型,有效支撐燃油數(shù)控系統(tǒng)小閉環(huán)控制算法設計。本方法中采用的最小二乘估計和系統(tǒng)辨識易于通過計算機編程實現(xiàn),能有效支撐燃油數(shù)控系統(tǒng)修理中的自動化、數(shù)字化和智能化升級工作。本方法也可為其他航空發(fā)動機數(shù)控系統(tǒng)維修檢驗提供借鑒。