航空发动机控制部件及系统工作特性建模与仿真研究

李赵依忆 姚圣杰 梁镇钊 张尧

摘 要：论文设计了一种航空发动机各控制系统的仿真教学平台，用于学习航空发动机的工作原理几个部件之间的联系，并验证液压机械式控制软件和控制器设计的正确性，通过发动机控制参数的变化研究在不同条件发动机的工作性能和工作特性。研发航空发动机控制系统工作特性的仿真平台，可以通过改变控制部件的工作参数来改變控制部件的工作特性，并针对所搭建的控制系统进行仿真分析，开发了一个通用的航空发动机及控制系统仿真平台。该平台界面友好，使用灵活，便于修改。最后在航空发动机控制部件及系统仿真教学平台上进行了发动机稳态和动态仿真，验证了该平台的有效性。

关键词：发动机控制系统 模拟仿真 优化设计

中图分类号：V233.7 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）02（c）-0210-02

1 研究背景

研究目的：针对航空发动机控制部件进行实体建模，建立部件数据库，包含部件的结构参数与控制特性；并搭建控制系统工作特性的仿真平台，能方便地组建控制系统与分析系统的工作特性，并对系统进行优化设计，服务于教学实践。

研究意义：航空发动机的发动机性能计算机仿真不仅能够指导发动机设计、缩短研制周期、节约经费，而且具有良好的可控性、可观性、安全性、重复性和经济性等特点。建立合理、准确的航空发动机工作过程的数学模型是发动机性能仿真的基础，建立适合于各种仿真目的的发动机仿真模型是仿真试验与分析的关键。

2 发动机转速控制系部件及系统

2.1 动态特性

根据航空发动机转速控制系统的工作原理，构建转速控制系统的原理图。

当系统的输入量不变，只考虑干扰量时，系统的传递函数为

2.2 稳态特性

稳态的误差是控制系统准确度的一种量度，是控制系统性能的一项重要指标。在航空发动机控制系统中，由于发动机的外界条件经常发生变化，系统要在频繁的干扰输入下工作，因此，对干扰恢复稳定时，输出量的给定值与实际值的偏差。但作为系统稳态性能分析，需要讨论系统输入和干扰输入两种情况。

主要根据终值定理：

假设系统的干扰输入为零，即，误差传递函数为

系统的开环传递函数为

系统对单位阶跃输入的稳态误差为零，对单位斜坡输入的稳态误差为常数。

2.3 控制系统模型建立

使用AMESim对航空发动机转速调节系统建模仿真过程中，首先基于转速调节器结构原理图，经对原理图及工作过程分析，确定对建模仿真具有重要作用的系统关键元件；其次，根据各元件特点将调节器主要元件分类为机械元件、液压元件等；然后针对不同类别，对各元件采取相应的建模方法分别进行建模；最后，再根据原理图连接各关键元件，构建调节器模型。建模过程的主导思想是力求为用户提供元件尽可能多的输入参数，并具有尽可能准确的数学模型[1]。

3 控制系统的优化

对于控制系统的优化，根据性能的指标要求对系统性能的参数进行调整。其中，系统不可调整参数为油泵参数K3=1.0，K4=1.0；发动机参数TE=0.9s，KE=0.23[2]，见表1。

通过参数的调整得到不同的单位阶跃响应曲线、单位脉冲响应曲线、系统的Bode图以及系统根轨迹图（见图1），对在不同参数下的稳定性、灵敏性、系统的开环频率特性和闭环系统的时域响应特性，进行分析，找到并得出最合适的控制参数。

发动机的动态特性随发动机的工作状态和飞行条件改变而改变。高空低速飞行并且发动机在低转速状态工作时，发动机的动态性能最差。因此，在完成设计状态下的系统性能分析检查后，必须在各种飞行条件下，对发动机的各种工作状态进行系统仿真，并按性能指标定量检查仿真结果。若性能不满足要求，应重新调整参数值，直至满足性能指标要求为止。如果调整参数值仍不能达到要求，应重新修改校正装置结构或重新设计。

4 发展的前景以及优势

目前研发的航空发动机控制部件及系统仿真教学平台主要是针对单转子喷气式发动机的研究，对于目前新一代航空发动机采取的控制手段是电子控制技术，即全权限数字发动机控制器FADEC。数字电子控制器能够进行复杂运算，实现更为复杂的控制规律，可以布置更多的发动机载传感器，用于监控发动机工作状态并且能使发动机控制系统具备故障诊断和故障重构能力，大大提高可靠性，实现发动机自适应控制[3]。

5 结语

该文研究的主要内容包括：首先，分析了航空发动机控制系统建模仿真技术的发展情况；其次，分析研究了液压机械式发动机及其转速控制系统的组成及工作原理，并对带比例反馈的转速控制系统的组成及工作原理进行了详细的分析研究；再次，提出了基于AMESim的航空发动机燃油调节系统建模仿真研究方法；紧接着使用该建模方法对液压机械式发动机转速转速控制系统进行了建模；最后，对开环、闭环转速控制系统性能分析研究，并对“软参数”流量系数的计算及变化情况进行详细的分析研究并得到单位阶跃响应曲线、单位脉冲响应曲线、系统的Bode图以及系统根轨迹图。

该文所建立的航空发动机转速控制系统仿真平台，通用性强，使用灵活，利用此控制系统可以实现各种发动机转速控制系统的仿真。在已研发的航空发动机控制部件及系统仿真教学平台的基础上进行完善、改进，将航空发动机电子控制技术引入进该仿真教学平台去，拓展航空发动机控制部件及系统仿真教学平台的应用范围，有利于更好地理解、学习航空发动机的工作原理。

参考文献

[1] 陈宏亮.X_8航空发动机燃油调节系统建模仿真研究[D].西安：西北工业大学，2006.

[2] 樊思齐.航空发动机控制[M].西安：西北工业大学出版社，2008.

[3] 王兢.军用发动机控制系统技术分析及改进研究[J].国防科技，2014（3）：36-39，46.