涡轮动力装置闭环仿真试验器的设计与应用

江 群，王道波，李 猛

(南京航空航天大学 自动化学院，江苏 南京 210016)

1 引言

多能源组合涡轮动力装置是先进飞机上的重要机载设备，可以为飞机提供备份的电源和液压源，即当飞机主电源和液压源失效或主动力失效的情况下及时向飞机提供备份电源和液压源，以保证飞机正常飞行[1，2]。电子控制器用于实现这种涡轮动力装置的起动、加速、恒速、故障识别和回路切换的控制，是该动力装置的重要部件。为了保证电子控制器的正常工作，在其投入正常工作之前，需对其进行整机检测，但涡轮动力装置台架试验的成本费用昂贵且具有一定的危险性。针对这一问题，本文提出了一种采用电子仿真试验器替代真实涡轮动力装置来检测电子控制器的控制逻辑和控制规律的方法，将电子仿真试验器与电子控制器构成闭环控制回路，从而实现对涡轮动力装置闭环运行过程的模拟。该装置能够向电子控制器提供模拟的传感器接口和执行机构的负载特性，模拟涡轮动力装置在各种工作状态下的特性，接受各种指令信号并给出相应的响应信号，而且具备工作状态实时显示和试验数据采集的功能，能够对电子控制器工作的准确性及有效性进行检测。

本文在介绍涡轮动力装置工作原理的基础上，提出了电子仿真试验器的设计原理和实现方法，最后将该试验器用于某型涡轮动力装置的闭环控制并对其仿真结果进行分析。

2 涡轮动力装置

多能源组合涡轮动力装置是一种采用增压空气和化学燃料双能源的动力装置，其系统原理如图1所示，主要由燃料箱、燃料控制阀、空气控制阀、燃气发生器、动力涡轮、电子控制器和负载等组成。其中空气控制阀和燃料控制阀分别控制进入动力涡轮的能量；燃气发生器是将化学燃料燃烧产生的高温高压燃气与增压空气分别进入涡轮动力装置的涡轮导向器前，带动涡轮动力装置转动，进而通过输出轴带动负载工作；电子控制器根据安装在轴系上的转速传感器反馈的信号，调节空气控制阀和燃料控制阀的开度，从而实现涡轮转速的闭环控制[3]。

图1 涡轮动力装置系统原理图Fig.1 Turbine power unit system diagram

为提高涡轮动力装置的可靠性，该动力装置采用双余度三回路的控制方案，即在增压空气充足情况下优先使用增压空气运转涡轮装置。当飞机高度增高后增压空气不足或主发动机故障时，可混合或单独使用化学燃料产生燃气来驱动涡轮运转，以获得飞机所需的液压源和电源。其控制回路结构原理图如图2所示，控制系统包括一个空气控制回路和两个化学燃料控制回路。每个回路均为单参数反馈控制，电子控制器按照每路被控对象参数相对于给定值的偏差产生相应的控制信号，通过执行机构完成对被控对象的控制，使被控参数不超出给定的误差范围。

3 电子仿真原理

电子仿真试验器是一种基于模拟电路实现动力学特性的实时仿真电子装置，仿真依据是涡轮动力装置的小偏差线性数学模型。采用这种线性数学模型具有一定的仿真精度，作为对电子控制器控制逻辑和控制规律的检测及测试是有效的。

图2 涡轮动力装置控制回路结构原理图Fig.2 Turbine power unit control loop structure diagram

涡轮动力装置电子仿真试验器的仿真结构原理图如图3所示。根据仿真原理图，电子仿真试验器的仿真模型主要包括空气控制阀、碟阀、燃料控制阀、燃气发生器、涡轮动力装置、位置传感器、转速传感器模型等。空气控制阀是一个气动伺服阀，主要由直流力矩电机、气动伺服机构和蝶阀组成，其中力矩电机的静态特性为具有滞环特性的非线性环节，但在电路实现时此环节可以被蝶阀的位置反馈闭环回路消除，其动态特定可以用一个惯性环节表示。气动伺服机构和燃气发生器是一个复杂执行机构，但设计仿真试验器时采用超前滞后环节表示其特性。两个燃料控制阀由二位式通断开关阀组成，由于燃料控制阀阀芯位移的响应时间很小，其数学模型可以用比例环节描述。根据文献[4]可知，动力涡轮在飞行条件给定和负载功率不变的情况下，可视为一阶惯性环节并忽略其容积效应。涡轮动力装置的仿真数学模型结构如图4所示。

图3 电子仿真试验器原理图Fig.3 Schematic diagram of electronic simulation tester

图4 仿真数学模型图Fig.4 Simulation mathematical model diagram

电子控制器输出控制电流IBC，经力矩马达的模拟环节后变换成电压信号VDP，用于控制空气阀转角，VDP信号经模拟的位置传感器测量后反馈给控制器，从而构成小闭环位置控制回路。在化学燃料控制回路中，两个化学燃料控制阀的控制信号VPH和VSH分别经过仿真器模拟的一级、二级燃料控制阀进入燃气发生器的模拟环节，输出化学燃料流量信号，该信号在此与空气流量信号叠加并送到动力涡轮的模拟环节。动力涡轮所输出转速信号VN经转速传感器的模拟电路变换后作为反馈信号送回至电子控制器，构成整个速度闭环控制回路。仿真回路中还可以对空气压力调节、一级燃料控制阀和一级转速传感器故障进行模拟。

4 电子仿真试验器实现

电子仿真试验器是将以上数学模型以电子电路的方式实现出来，设计的仿真器具有如下功能：①根据不同的启动指令使涡轮动力装置进入相应的工作状态，对电子控制器在不同模式下的控制规律和控制逻辑进行检测；②模拟飞机座舱控制面板到电子控制器间的接口，检测座舱指令和显示信号的正确性；③对涡轮动力装置控制品质进行检测；④对故障信号进行检测；⑤仿真过程的曲线与数据显示。

根据图4中的仿真数学模型图，采用模拟运算放大器作为仿真运算器件，通过信号电子变换技术将表示执行机构和涡轮动力装置的模拟电压变换成控制器的接口信号[5，6]。电子仿真试验器的模拟电路主要包括空气控制阀模块、化学燃料控制阀模块、燃气发生器模块、涡轮动力装置模块和转速传感器及位置传感器模块等。

仿真试验器的电路原理简化图如图5所示：其中试验器的I/V模块由运放U1、二极管D1、D2及相关阻容元件构成；空气阀模块由运放U2及其外围电路构成一个超前滞后环节来模拟其特性；蝶阀模块由运放U3构成的跟随器及电位器WB模拟其特性，通过手动调节WB可以模拟蝶阀开度的大小；燃料控制阀模块由图中的三极管BG1、IC1B及其周围的电阻表示，其中两个阀门通过与门IC1A实现串联效应；动力涡轮由运放U10及外围元件构成的一阶惯性环节表示；转速传感器的模块是一个电压-频率转换电路，由图中的U15、U16、U17A等实现；位置传感器的数学模型是一个比例环节，但为了保证其输出信号的质量，在设计电路时加上滤波环节对其高频干扰进行滤波，即由图上的U4、U5及外围元件表示。其中电路图上的开关SF、PVF分别用来模拟一级转速传感器故障和一级燃料控制阀故障。

图5 电子仿真试验器电路原理简图Fig.5 Circuit diagram of electronic simulation tester

5 测试与试验结果

为保证电子仿真试验器对电子控制器进行整机检测的有效性，本试验采用一个标准的电子控制器与试验器构成闭环仿真回路进行试验，分别对涡轮动力装置的空气模式、燃料模式和空气燃料混合模式进行仿真。

空气模式的仿真结果如图6所示。从图上可见，空气模式起动时蝶阀位置先开到最大值，使空气流量立即加到最大以保证系统在3 s内完成起动过程，使涡轮转速到达100%的额定值，图中的19～21 s为起动过程。仿真试验中还模拟了负载变化的过程，当负载功率增大时，空气流量逐渐增大以维持涡轮转速。

图6 空气模式仿真曲线Fig.6 Simulation curves of the air mode

图7为燃料模式的仿真结果。燃料模式起动时，一级燃料控制阀完全打开使燃油流量达到最大，使得系统尽快达到额定转速。图中的7.3～10 s为起动过程。从10 s以后由一级燃料控制阀控制一级燃料回路工作，在22 s手动模拟一级转速传感器故障，这时一级燃料回路无法正常工作，于是控制器自动将停止一级燃料控制阀工作，切换到二级燃料回路，由二级燃料控制阀开始进行“Bang-Bang”控制，从而保证涡轮转速不变。

图7 燃料模式仿真曲线Fig.7 Simulation curves of the fuel mode

图8曲线表示仿真系统在自动方式起动下的一段工作过程，完成起动后系统先后经历了空气充足、空气不足以及完全无空气三个阶段。图中的C段为混合模式工作，在24.5 s时刻空气流量开始减少，一级燃料控制阀的开关频率便增大从而维持涡轮转速恒定。从上述三种仿真试验结果可见，闭环仿真试验器能很好地模拟涡轮动力装置的起动过程和控制逻辑过程。

图8 混合模式仿真曲线Fig.8 Simulation curve of mixed-mode

6 结论

本文设计了一种涡轮动力装置的电子闭环仿真试验器，该仿真试验器可用于电子控制器的调节与测试。仿真结果表明，利用该电子闭环仿真试验器能较好地模拟涡轮动力装置系统的实际工况，其曲线走向趋势与实际台架试车的情况基本一致，在功能和置信度上都满足了涡轮动力装置电子控制器整机检测的需要；为涡轮动力装置电子控制器的调试和检测提供了一种简便、有效的途径，且能显著降低试验成本和危险性。

[1]彭泽琰，廉小纯.航空燃气轮机原理[M].北京：国防工业出版社，2000.

[2]Koerner M.Recent Developments in Aircraft Emergency Power[R].AIAA 2000-2802，2000.

[3]王 曦.涡喷发动机电子控制器研究[J].航空发动机，2004，30(3)：36—39.

[4]赵 琳，樊 丁，陕微微.单轴航空涡扇发动机数学模型辨识[J].推进技术，2008，29(6)：733—736.

[5]谭志伟.航空电子控制器检测应用技术研究[D].南京：南京航空航天大学，1999.

[6]李永敏.检测仪器电子电路[M].西安：西北工业大学出版社，1994.