基于Lab Windows/CVI的某型涡扇发动机调整训练系统设计

文/杨林 郑铁军 陈卫

文献[1～4]对Lab Windows/CVI 这一款虚拟仪器软件开发平台的功能、特点、应用范围等进行了介绍。该平台是美国NI（National Instruments）公司开发的Measurement Studio软件组中的一员。该平台有着强大的信号分析处理功能、友好的界面，并且以目前世界上最为常用的C 语言作为基础，方便了用户使用，成为当今市场上最为流行的虚拟仪器软件开发工具。

同时，该平台还提供了多样化的GUI 控件，该控件是NI 公司专为工程应用和兼容硬件类型而设计的，包括按钮、旋钮、滑块、仪表、容器、图形等，对软件的开发进度有着极大的促进作用。

目前，我国某型涡扇发动机的控制系统为机械液压控制系统和模拟式电子控制系统共同控制，其机械调整点较多，机械结构复杂，相互关联性较高，造成维护使用人员在使用中调整困难。维护使用人员急需与之相对应的训练手段，以提高维护使用人员的训练及维护调整水平，从而提高某型涡扇发动机的使用效率。

本文提出了以某型涡扇发动机为研究对象，基于虚拟仪器软件设计平台Lab Windows/CVI，设计调整训练系统的软件平台的方案，建立了该发动机及其控制系统的简化数学模型，以及相关调整点的数学模型。在此基础上，建立了发动机的调整训练系统模型，并对该调整训练系统的调整效果以及发动机及其控制系统的简化模型进行了验证分析。该方案具有人机界面友好、功能丰富齐全和开发快速高效的优点。

1 某型发动机调整训练系统硬件设备简介

本文所采用的硬件为某型发动机调整训练系统，其主要包含了一个计算机、内部的数据采集设备—板卡ADT880（板卡的介绍在2中给出）以及外表面的调整旋钮等，相对比较简单，功能比较少，但是已经能够满足本文的使用要求。系统的外表面如图1所示。其中显示屏右边的长方形框内是电源和电源指示灯，其余部分为参数调整旋钮以及调整点的调整旋钮。

2 基于LabWindows/CVI的调整训练系统实现

系统软件的设计主要包括数据的采集、用户界面、数据分析、程序控制等四个方面（如图2所示），其中程序控制是整个程序的核心，它把程序的各部分联合起来，并且和其他组成部分相互联系，组成一个整体。

2.1 用户界面

调整训练系统的用户界面主要由两个要素组成：面板和控件。面板是维护使用人员在调整训练过程中直接观察一些参数的界面，控件包括对参数的显示以及参数的时间响应（参数随着调整点的改变而变化的快慢）等等。在训练调整过程中维护使用人员仅通过用户界面输入少量的参数（如飞行高度、飞行马赫数等等），其余的参数通过硬件设备的旋钮输入。在训练调整过程中或结束后通过用户界面输出相应的调整结果，主要包括高压转速n2、低压转速n1和涡轮后燃气温度t4等。

2.2 数据采集

本软件中数据的采集主要是通过连接板卡ADT860-AT 和ADT880-AT 来获取调整点参数和开关位置的信号值变化，从而实现对整个程序的启动、暂停和参数控制。

板卡ADT880-AT 是基于PC/104 的扩展板，其主要功能是数据采集。通过其PC104总线可将其与PC/104 嵌入式系统构成一个高性能的数据采集与控制系统。适用于可靠性较高、结构紧凑的嵌入式应用。板卡的结构和尺寸如图3所示。

ADT860-AT 和ADT880-AT功能基本相同，不同的是DA 通道只有2 路。

2.3 数据分析

图1：调整系统外表面示意图

图2：程序结构示意图

本软件的数据分析是在对板卡的电信号进行接收后，通过程序中的公式转化为油门杆角度、地面环境温度、地面环境压力等数据，然后在程序中通过一定的公式和曲线拟合对数据进行处理，从而得到所需的参数并显示给维护使用人员。程序流程图如图4所示。

2.4 程序控制

程序控制这一模块儿将用户界面、数据采集、数据分析这些部分联系起来使用。主要包括一些用户自己定义的函数以及控制程序执行的控制逻辑。本平台的程序控制主要包括对面板的打开和关闭、发动机主要参数如高压转速n2等的计算、数据的显示等，都通过一定的程序或函数表现出来。

3 模型建立

3.1 发动机和发动机控制系统数学模型的建立

文献[5、6]中给出了“部件法”建立发动机数学模型的方法：首先按照发动机的部件顺序，逐一建立热力方程、气体流动方程，并依次进行热力计算。当部件的工作过程参数未知时，应当首先给出工作过程参数的初猜值，然后再根据发动机共同工作的约束条件，建立起描述发动机气动热力特性的非线性方程组（6个平衡方程）。然后求解非线性方程组，解出发动机的共同工作点，最终确定出发动机的整机性能参数和各截面参数。

图3：板卡ADT880-AT 的机械结构和尺寸图

图4：程序流程图

图5：闭环负反馈控制系统结构

图6：发动机及其控制系统的简化结构图

文献[6～9]中给出了一些发动机数学模型的简化方法，其中主要有“力矩法”、“抽功法”和“顺数算法”等。“力矩法”将发动机模型简化为一阶惯性环节；“抽功法”和“顺数算法”通过Taylor 公式在工作点展开发动机方程、求出偏导数来实现非线性方程组的线性化，从而达到简化模型的目的。

文献[7～9]中给出了发动机控制系统数学模型的建立方法，主要有线性二次型调节器LQR（Linear Quadratic Regulator）理论、自适应控制理论、鲁棒控制理论等几种，但是这些方法设计的控制器都比较复杂，甚至如H∞控制理论在设计某些控制器时阶次达到了38阶，导致阶次太高，无法实际应用。

从这几个文献中可以发现，不管是发动机的数学模型还是发动机控制系统的数学模型的建立方法都是极其复杂的，对于调整训练系统来说，其主要目的是让使用人员对各调整点的调整效果进行熟练掌握，而不是发动机和发动机控制系统数学模型的建立。因此，这样复杂的数学模型建立方法就不适用于调整训练系统中的发动机数学模型和发动机控制系统数学模型的建立。

图7：验证分析结果曲线

同时，某型发动机是根据经典控制理论设计的，使用较多的是闭环负反馈控制系统（如图5所示），在精度要求不高的情况下也部分使用了开环控制系统。从整个大系统的角度来看，虚线框内的部分实现的主要功能是将指令形成装置形成的指令通过一定的机构或装置转化为发动机运行后的实际值，两者的参数是一样的，区别是指令值和实际值经过运行后是会产生一定的差值的，这是机构自身误差所带来的影响。对于整个调整训练系统来说，并不需要考虑发动机及其控制系统对两者差值的影响，所以可以将虚线框内的结构近似用“1”（指指令值和实际值两者近似相等）表示，那么整个模型可以简化为如图6所示的结构。

其中的指令形成装置形成的指令值是依据某型发动机已有的数据和曲线，并考虑软件设计平台的特点，通过一些曲线上的数据点以及插值函数拟合来得到的。

数学模型的建立所用的插值函数为线性插值函数，其公式如下：

其中(xi, yi)、(xi+1, yi+1)为相邻的两个数据点，(x,y)是所求点的坐标。

3.2 调整点数学模型的建立

考虑到调整点较多，本文仅对P15（燃油泵-调节器慢车调整螺钉）这个调整点的调整进行建模和验证分析，其余调整点模型的建立与该调整点类似。

对于调整螺钉P15，通过硬件设备的旋钮每改变数值1，表示调整螺钉P15 拧入或拧出1圈。P15螺钉拧入，慢车状态高压转速n2增大；螺钉拧出，慢车状态高压转速n2减小。每调1圈（2 响），转速约改变0.3%（在本文中以0.3%进行计算）。

在慢车状态，设高压转子转速未调整前的值为n2，调整后的值为n'2，调整点参数值变化量为x（正常状态下调整点的值为0）。其数学模型表达式为：

3.3 调整训练模型

上述已经建立了发动机的转速控制器和燃油流量控制器数学模型，以及各调整点的数学模型，将两者结合起来即为发动机的调整训练系统模型。

4 验证分析

对发动机及其控制系统的模型、发动机处于慢车状态和最大状态各调整点对发动机高压转子转速n2的调整效果进行验证分析。分析方法为：输入初始参数值（飞行高度、环境温度、环境压力等，其中飞行高度为0，环境温度为15℃，调整点P14 初始值为0，P15 初始值为1.00），从油门杆输入发动机状态：起动—慢车—最大—节流（同时调整P14 到1）—最大（调整P15 到2.40）—慢车，两个状态间有一定的时间间隔。调节某一调整点时，其它调整点处于不变状态。分析结果如图7所示。

5 结论

验证分析结果表明，发动机及其控制系统的模型以及调整点的调整效果与实际的理想状态相互吻合，可以证明该调整训练系统模型具有较高的可信度，即基于Lab Windows/CVI 虚拟仪器软件开发平台所设计的某型发动机调整训练系统是成功的，满足发动机调整和训练的使用要求，可以进行推广应用。