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1、弹用涡喷发动机数控实时仿真系统设计及试验?苏三买,马?瑞(西北工业大学 航空动力与热力工程系,陕西 西安,710072)?摘?要:以弹用小型涡喷发动机为研究对象,在充分考虑了发动机数字控制系统设计过程中的实时仿真、数控台架试车、数控系统成型装备飞机与导弹等实际情况的基础上,采用 PC/104为数控系统控制器,以计算机模型替代真实发动机,设计了发动机数控含实物实时仿真系统。具体介绍了系统硬件设计;自适应预测控制器设计及其试验研究等。仿真结果表明:系统能实时地反映在控制系统作用下发动机的运行情况,为发动机全权限数字电子控制(FADEC)系统研究提供了良好的试验手段。关键词:涡轮喷气发动机;导弹推进
2、;实时仿真;数控系统;仿真试验中图分类号:V235?11?文献标识码:A?文章编号:1001-4055(2001)04-0303-04Design and test of the digital control real timesimulation system for missile turbojetSU San-mai,MA Rui(Dept.of Aeroengine Engineering,Northwestern Polytechnical Univ.,Xi?an 710072,China)Abstract:?Realtime simulationwith real objects
3、 is an important step inaeroengine FADECsystem research.In consideration ofthe relationship between turbojet control system simulation,test and future application in aircraft,a missile turbojet digital controlrealtime simulation system with realobjects based on PC/104was built.The system outline、har
4、dware layout and adaptive predictive con-trol method were discussed in detail.The result ofsimulation test showsthat the system not only can control engine completely,but alsoprovides a convenient means for FADEC system reserch.Key words:?Turbojet engine;Missile propulsion;Real time simulation;Numer
5、ical control system;Simulated test1?引?言设计发动机的数控系统,进行包含控制器、传感器和执行机构实物在内的含实物实时仿真在发动机数控系统研制过程中具有相当重要的意义 1 3。导弹与无人机对动力及其控制系统的要求,决定了弹用小型涡喷发动机的数控系统不同于大型发动机。国内外航空推进仿真技术在大型发动机控制系统设计与试验方面日趋成熟4。我国在弹用涡喷发动机研究方面,主要进行了发动机性能仿真5与控制系统半物理模拟试验 1。本文采用 PC/104 为控制器,设计了弹用涡喷发动机数控含实物实时仿真系统,并以某小型涡喷发动机为对象进行实时仿真试验研究。2?系统的组成与硬件
6、设计 6,7仿真系统主要由发动机实时数学模型的仿真计算机(以下简称模型机),实际的控制器、传感器、信号接口电路及燃油供给执行机构组成。仿真原理如图 1 所示,模型机输入接流量传感器,采集实际燃油流量 mf,经模型计算,以电信号形式输出发动机的转速 N 和涡轮出口温度(T*4)。其中 T*4模拟发动机测温热电偶对应温度输出,转速信号激励伺服电机旋转,模拟实际发动机转速输出,使模型机一端外部输入输出与真实发动机一致(图 1 右边虚框)。PC/104控制器采集转速与温度信号,通过2001 年 8 月第 22卷?第 4 期推?进?技?术JOURNAL OF PROPULSION TECHNOLOGYA
7、ug.2001Vol.22?No.4?收稿日期:2000-09-30;修订日期:2001-01-02。获奖情况:航空动力学会第三届小发动机学术讨论会优秀论文。作者简介:苏三买(1968-),男,工程师,博士,研究领域为计算机测控技术与航空动力装置控制。一定的控制规律计算,控制步进电机旋转带动油门开关,以改变供给发动机的燃油流量。在给定转速信号(Ng)的情况下,形成完整的闭环控制仿真系统。发动机数控系统仿真常考虑系统性能较多3,对台架数控试车时的安装、试车过程数据采集,以及装备飞机后传感器的故障诊断与飞行数据记录考虑较少。弹用涡喷发动机的数控系统多为?黑箱?,数控试车时如果与发动机试车台数据采集
8、系统连接相同的传感器,必须考虑阻抗匹配与系统间的相互干扰。为此,在设计仿真系统时,应遵循如下原则:(1)模型机输入输出接实际的传感器,在实时仿真完成后,系统硬件连接不变,只将与模型机连接的传感器接到发动机上,控制器软件因模型误差,对某些参数稍作修正后,即可进行数控台架试车。(2)监控计算机仿真时记录模型机过程数据,并监控控制器的运行,试车时当作数字化的试车台。数控试车成功后,控制器系统软、硬件不作大的修正即可装备飞机或导弹。并可将与监控计算机的通讯接口接到飞行控制系统上,由飞控系统实时监控发动机的运转状况。(3)控制器主要完成对发动机控制,同时进行传感器故障自动诊断与处理,保证无人机或导弹的飞
9、行安全。控制器自动记录发动机运转过程数据,使之兼有故障分析?黑匣子?的功能。硬件总体原理框图如图 2所示。数控器输入输出包括PC/104的 CPU 模块(含 RS 232)、I/O 模块、A/DFig.1?Simulation block diagramFig.2?Digital control system hardware layout diagram304?推?进?技?术2001年与定时/计数模块;其中步进电机驱动控制器、步进电机、油门开关、涡轮流量计、频率电压转换组成控制输出通路;功放、伺服电机、转速传感器组成测速反馈回路;通过带有冷端自动补偿的热电偶信号放大集成芯片AD595,接模型
10、机输出的模拟热电偶信号组成 T*4温度监控回路;数字输入检测外部起动命令、控制方式、油门最大,最小位置;数字输出一部分控制启动电机、点火、启动供油继电器动作,另一部分用于系统运行状态如超温、超转、转速传感器故障、热电偶故障、紧急停车/慢车、操纵方式等指示。PC/10 4控制器通过RS 232连接监控计算机,经阻抗匹配设计接I/O 与A/D,实时监控模型机与控制器的运行。3?数学模型 8微型涡喷发动机为单转子几何不可调结构,工作时被调参数是 N 和 mf,通过采集发动机实际试车过程的动态 N,T*4,mf,利用系统辨识原理,经分段线性化建立的发动机数学模型简化式为N(s)=KtTt+1mf(s)
11、(1)式中 Kt为发动机转速放大系数;Tt为发动机转速时间常数;T(s)=KtnTt1+1N(s)=KtmTt1+1mf(s)(2)式中 Ktn为温度对转速的放大系数;Ktm为 T*4温度对燃油流量的放大系数;Tt1,T*4为温度的时间常数;图 3,4 为其中通过辨识得到的发动机转速在慢车转速(32 000 r/min)以上的Kt,Tt曲线,同理可获得其它参数曲线。图 5,6 为加速、减速控制供油曲线。?Fig.3?Kt-N CurveFig.4?Tt-N CurveFig.5?mfin acceleration process?发动机过渡态控制包含启动,加速、减速控制。根据弹用涡喷发动机的使
12、用特点,启动控制采用开环时序控制,在不超温的情况下,参考实际试车时发动机的启动过程曲线。加、减速跟随预先给定的加、减速供油曲线。发动机稳态采用自适应预测控制,对象模型的离散状态空间方程为x(k+1)=Ax(k)+Bu(k)y(k)=Cx(k)?预测模型输出Ym(k+1)=Y0(K+1)+Ac?U(k)(3)其中:?i为?u 输入时对预测输出的作用系数;Ym(k+1)=ym(k+1),ym(k+2),?,ym(k+p)TFig.6?mfin deceleration processk 时刻后P 个周期的预测模型输出。Y0(k+1)=y0(k+1),y0(k+2),?,y0(k+p)T无?u 输入
13、下的预测模型初值输出。305第 22卷?第4 期弹用涡喷发动机数控实时仿真系统设计及试验?U(k)=?u(k),?u(k+1),?,?u(k+Nu-1)Tk 时刻起的Nu个控制增量。将模型中输出初值 Y0(k+1)由 k 时刻以前加在系统输入端的控制增量表示:Y0(k+1)=A0?U(k-1)其中A0=aNaNaN-1aN-2?a3a2aNaNaNaN-1?a4a3?aNaN?aN?aP+2aP+1P?N考虑模型误差和干扰等影响,用实际的输出误差修正预测输出值YP(k+1)=Ym(k+1)+h y(k)-ym(k)=Ac?U(k-1)+A0?U(k-1)+he(k)(4)最优控制律由二次型目标
14、函数确定:JP=Yr(k+1)-Yp(k+1)TQ Yr(k+1)-Yp(k+1)+?UT(k)?U(k)(5)由?JP/?U(k)=0,化简后得?U(k)=(ATcQAc+?)-1ATcQ Yr(k+1)-A0U(k-1)-he(k)(6)经多次试验,在稳态控制周期内,如果转速变化大于最大转速的2%,则转入相应过渡态控制,既能保证稳态控制不超调、不振荡又能实现到过渡态的平稳切换。4?数控系统含实物仿真试验采用发动机转速为常数的调节规律,手动改变转速参考输入信号 Ng,进行发动机在数控系统作用下的实时仿真试验。图 7 9 为监控计算机记录的全工况范围仿真结果。仿真结果表明:系统设计合理,控制器
15、设计较为理想,仿真试验能反映控制系统作用下发动机的运行情况。Fig.7?Control input mf-t?Fig.8?Simulation result T*4-t?Fig.9?Simulation result N-t5?结束语在考虑弹用涡喷发动机数控系统实时仿真、数控台架试车和系统成型装备飞机与导弹等实际情况的基础上,以一种新的设计思想指导,采用三台计算机(模型机、监控机、控制器),成功设计了弹用涡喷发动机数控含实物实时仿真系统。通过修改控制器的软件,可进行多种控制方法应用于发动机数控仿真试验;根据发动机的要求,更换油源与执行机构,也可对推力为 3kN 4kN 的涡扇发动机进行相关试验
16、。系统为弹用发动机控制规律与控制方法研究、数学模型验证、FADEC 系统开发提供了良好的试验手段。参考文献:1?苏三买,冷文彬,马?瑞.微型涡喷发动机数控系统实时半物理模拟试验研究R.CSAA 98-PH.2?候忠生.非参数模型及其自适应控制理论M.北京:科学出版社,1998.3?王道波,刘爱萍.采用自适应模型跟踪控制的发动机燃油控制系统含实物仿真 J.南京航空航天大学学报,1998.2.4?Drummond C K.Gas turbine system simulation:an objec-tOriented approachR.AD N93-25673.5?张振家,杨兴根.弹用涡喷发动机动态仿真研究J.推进技术,1999,20(4).6?Kenji Nishio.Rea-l time simulation of jet engineswith digitalcomputerR.NASA TM-77081.7?PC/104 SPECIFICATION V2.3.PC/104 Consortium.849Bindependence ave mountain viewR.CA 94043.8?苏三买,马?瑞.微型涡喷发动机动态数学模型建立与实时仿真 R.CSAA 2000-PH-037.(编辑:盛汉泉)306?推?进?技?术2001年