航空发动机消喘控制器的数字仿真试验研究

VoI．49No．3 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 与试验ENGINEERING&TEST Sep．2009 航空发动机消喘控制器的数字仿真试验研究 赵艳华1，刘秀娟1，李奎满2，王琦1 (1．空军航空大学，吉林长春130022；2．海军某部队，山东青岛266071) 摘 要：讨论了航空发动机消喘控制器的数字仿真，逼喘试验 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 和发动机台架试验的试验验证。通过有效的试 验和对试验数据的 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 研究，为进一步研制可靠的航空发动机消喘方法提供依据。 关键词：航空发动机；数字仿真；发动机试验 中图分类号：V231．2+2 文献标识码：B doi：10．3969／j．issn．1674—3407．2009．03．012 StudyontheDigitalSimulationExperimentof Aero—engineRemovingAsthmaController ZhaoYanhual，LiuXiujuanl，LiKuiman2，WangQil (1．AviationUniversityofAirForce，Changchun130022，Jilin，China； 2．NavyArmy，Qingdao266071，Shandong，China) Abstract：Thisarticleintroducedthedigitalsimulationofaero—engineremovingasthmacontroller， thetestmethodofforcingasthmaandtheexperimentofaero—enginepedestal．Theeffectivetest andexperimentaldataarethebasisforfurtherresearchondevelopingthereliableaero—engine． Keywords：aero—engine；digitalsimulation；aero—enginetest 1 前 言 随着航空发动机的发展，发动机的工作稳定性 越来越被人们所重视。为了保证航空发动机在全包 线范围内稳定可靠工作，人们在追求高性能发动机 的同时，必须充分考虑发动机在各种情况下的稳定 裕度。通常要考虑进气畸变、温度畸变、高空雷诺 数、恶劣的天气条件、过渡态工作等各方面的影响。 一般涡扇发动机的设计要留有17—20％的喘振裕 度。尽管这样，在遇到一些预想不到的工作状态或 极端的飞行条件下，如：过机动飞行、恶劣天气、温度 畸变等情况时，发动机也会发生失速或喘振，引起发 动机的不稳定工作，甚至造成发动机的停车或损坏 的事故。本文通过航空发动机消喘控制器在回路的 数字仿真进行试验研究和对试验数据的分析研究， 探讨了航空发动机消喘方法。 2喘振机理及现象 随着空气流量的减少，相应地进入工作轮的空 气轴向速度Ca降低，在转速等于常数的条件下，气 流攻角变大。当空气流量降低并低于某一值时，叶 片背面产生伴有涡流形的气体分离。与此同时，空 气流急速脱离叶片背面，这样促使形成涡流区。因 此，在严重分离的情况下，这些涡流区增大并穿过压 气机内部，并充塞着压气机的流道。在压气机流道 内发生周期性的涡流区“阻塞”，涡流区和气流周期 性地从压气机回流到进口方向，其结果导致压气机 不稳定工作，即整个压气机喘振的气柱自振。这种 现象伴随着压气机稳定工作时所没有的自发爆声和 整个压气机以及叶片在内的振动，在许多情况下可 导致压气机和整个发动机的损坏。此外，气流脉动 也会引起燃烧室熄火。压气机喘振是气流沿压气机 轴线方向发生低频率(通常只有几赫兹或十几赫 [收稿日期]2009一04～21 [作者简介]赵艳华(1963～)，女，黑龙江人，副教授。主要从事航空发动机的教学研究。 ·43· 万方数据 工程与试验 September2009 兹)，高振幅(强烈的压力和流量波动)的气流振荡现 象。其 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 征出的现象为音调低而沉闷、强烈的机械 振动、转速不稳定和推力突然下降并大幅度的波动； 有时在发动机进口处有明显的气流吞吐现象，包括 燃烧室内高温高压燃气倒流的“吐火”现象，有时则 伴随有放炮声响等。 3消喘控制器的数字仿真试验 要得到一个性能优良的发动机消喘系统，就必 须深入研究和确定消喘控制器(发动机综合电子调 节器)的控制参数。可以搭建一个消喘控制器在回 路的数字平台，进行数字仿真试验。控制器的信号 输入是在发动机台架逼喘试验中由VISION高速数 据采集装置记录的发动机喘振压力脉动信号(每秒 1000点)，经D／A板将数字信号变成模拟量，模拟 喘振传感器信号输出信号输入到消喘控制器。 控制器中的各参数的选取决定了控制器能否准 确识别发动机的喘振征候，及时发出消喘指令给执 行机构，正确执行消喘动作，达到消除发动机喘振的 目的；同时又不能把发动机正常工作中(稳态和过渡 态、接通加力以及各种干扰)信号误作为喘振信号来 发出消喘指令，使发动机正常工作受到干扰。 仿真试验中对综调喘振通道电路特性进行了认 真分析，对原电路设计思路有了更深刻的认识，通过 对电路中的滤波特性、喘振门限值、K1指令输出延 迟特性等参数在原电路上进行调整，采用多种 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 对比分析，找到原来系统工作不可靠的原因，确定了 适合某型发动机喘振特性的消喘控制器工作参数。 通过多次仿真试验，确定改进后消喘系统的工 作参数如下： ． 压差式喘振压力传感器量程为(0．1～3．3) kgf／cm2，替代了原量程为2．2kgf／cm2的喘振传感 器，在3．8kgf／cm2的范围内，均具有良好的线性特 性。最大限幅压力为4．2kgf／cm2； 喘振测量电路50％带宽：3～166Hz(原设计为 7～210Hz)； 消喘系统门限A值在全转速范围内均为0．25； K1指令发出的延迟时间为10mso- 通过数字仿真试验也分析出了原消喘系统有时 在发动机喘振时发不出消喘指令的原因：统计数据 分析表明，某发动机喘振具有多样性的特征，在不同 工况下，或表现为渐进型喘振、或表现为突变型喘 振。突变型喘振时，发动机出口压差信号表现为单 个或多个具有问断性特征的周期波(见图1)；发动 · 44‘ 机喘振产生多个波形时，相邻两个喘振波形的时间 间隔约在0．16～0．625秒之间，消喘电路把这种间 断性特征的周期波滤掉了，不能发出消喘指令。另 外，仿真试验中发现某型发动机的喘振频率分布在 5到20Hz的范围内，原系统中的低频截止频率为 7Hz，把低频喘振信号衰减了，造成系统漏报低频的 发动机喘振。 PC埘100Kpa S【％】 m3[voh】 磷 【^砧●耘●mh‘，l⋯“’ 。’l -h_¨ V ■‘一’、 l I I l —。-l ’、 -I。 ’t l l I I，一 2167·6 2j68 21684 2j6Ti8m．8e[s】 图1 发动机在N2hs一85％插板逼喘测试曲线 4消喘控制器数字仿真有效性在发动机台 架试验验证 通过数字仿真试验改进后的消喘系统，重新研 制了喘振传感器和喘振控制器，安装到发动机台架 进行试验验证。在试验中多次发现喘振传感器的安 装接头有漏气现象，造成△Pck的测量参数失真(见 图2)。 O 0 _o --0 一l —＼ ／ 、＼ ×n、 —— ／、． ／n 一 、旷)i／ ●● ⋯坼惫 。 ：^ Am V＼I 琳：】⋯1，。 叩W ┃：7┃ hs85％插板逼喘测试波形对比。 不漏气一次)和漏气(第二次)的情况 i l w w 以 Ⅺ 万方数据 赵艳华，等：航空发动机消喘控制器的数字仿真试验研究 在稳态测量中，少量的漏气不会影响△Pck的 准确度；但在发动机喘振动态过程中，漏气问题会造 成△Pck的波峰波谷扁平，A=(Pckmax-Pckmin)／ 2PckDC的数值减小，不能正确反映发动机的喘振 特性。同时应注意到，漏气现象在试车过程中很难 检测(漏油现象一般在慢车检查中容易发现)。为了 改善密封性，改进了压差式喘振压力传感器的接头 形式，由锥形接头改为锥球形接头，并设法在发动机 工厂试车中增加检查接头密封检查项目。 在试车中对消喘执行机构(主燃油泵调节器)进 行了调整，按发动机消喘需要对a。角度、喷口直径 和断油节流嘴做了相应的调整，以达到既能扩大发 动机的喘振裕度，短时消喘，又能不使发动机的状态 降低的太多(因而推力也不会降低的太多)。 采用上述措施，用改进的消喘系统进行了发动 机台架试车，验证了改进的消喘系统的有效性和可 靠性。见图3。 4．2 PcⅪ100Kpa]2．8 I．4 n2【voltlj3328饼00) 12研)0 12(×)0 11400 Kire【voh]鸺 m3[volt】 s【％】 ．-J 一⋯．『r。T’ L厂 1．-L 。- ，● 、 '、k — l ● I 、 I I I l l - lr 、-一 —’。～ 一’‘～ 一 ⋯2167·62168 2168．4 216T8i．8mefsl。 图3 中间状态插板逼喘试车曲线和参数测试波形 5 结束语 经过地面插板试验和dz开大逼喘试验验证，改 进后的消喘系统在某型发动机的各个状态点均能正 常工作。 在加减速性、遭遇加速性、闭环前后、起动等试 验中，某型发动机消喘系统均未出现误动作。 试验结果表明，改进后的某型发动机消喘系统 方案合理可行。 本文的研究结果表明： (1)为了增加发动机在各种恶劣飞行条件下(恶 劣气象、机动飞行、温度畸变等)的工作稳定性，设计 和研制一个高性能的发动机消喘系统是非常必要 的。 (2)在研制一个新的发动机消喘系统过程中，发 动机消喘系统试验研究是非常重要的，可以从中得 到最优的控制模式和控制参数。 (3)航空发动机消喘控制器的数字仿真对消喘 系统设计提供可靠的依据。 (4)随着发动机全权限数字式控制系统(FA— DEC)和综合控制系统的发展和采用，发动机防／消 喘系统必将综合到其中，其防／消喘逻辑和功能也将 更全和更好。 参考文献 [1]汤昌银，庄表南．航空发动机防喘的研究[hi．航空发 动机科技信息研究报告选编，1995． [2]唐狄毅，廉小纯．航空燃气轮机原理(上、下册)[M]．北 京：国防工业出版社，1990． [3]张健．航空发动机不可恢复失速问题EJ]．燃气涡轮试 验与研究，1996． E4]邢家瑞．航空发动机防喘控制的发展[R]．航空发动机 科技信息研究报告选编，1995． [5]徐惠珍，庄表南．航空发动机防喘技术的发展研究 [R]．航空发动机科技信息研究报告选编，1995． ·45· 万方数据 航空发动机消喘控制器的数字仿真试验研究 作者： 赵艳华， 刘秀娟， 李奎满， 王琦， Zhao Yanhua， Liu Xiujuan， Li Kuiman， Wang Qi 作者单位： 赵艳华,刘秀娟,王琦,Zhao Yanhua,Liu Xiujuan,Wang Qi(空军航空大学,吉林,长春 ,130022)， 李奎满,Li Kuiman(海军某部队,山东,青岛,266071) 刊名： 工程与试验 英文刊名： ENGINEERING & TEST 年，卷(期)： 2009，49(3) 引用次数： 0次 参考文献(5条) 1.汤昌银.庄表南 航空发动机防喘的研究 1995 2.唐狄毅.廉小纯 航空燃气轮机原理 1990 3.张健 航空发动机不可恢复失速问题 1996 4.邢家瑞 航空发动机防喘控制的发展 1995 5.徐惠珍.庄表南 航空发动机防喘技术的发展研究 1995 相似文献(10条) 1.学位论文 张敏 航空发动机鲁棒自适应控制及神经网络补偿研究 2008 先进控制策略是当今航空发动机控制的主流方向。本文以航空发动机为研究对象，采用数字仿真与实物在回路仿真试验相结合的方法，从工程实用 的角度，对航空发动机开展模型参考自适应控制和基于自适应控制的神经网络补偿技术研究。 在自适应控制方面，提出一种e修正的鲁棒模型参考自适应控制方案，将其应用于航空发动机转速和压比控制回路。数字仿真结果表明：带e修正的 模型参考自适应控制方案实时性良好，在全包线范围内表现出较好的鲁棒性。 在神经网络控制方面，提出了自适应控制的BP神经网络补偿的控制方案。该控制算法是在e修正的模型参考自适应控制的基础上，利用神经网络的非 线性逼近能力来补偿系统的非线性特性，将其应用于航空发动机转速和压比控制回路。自适应控制的参数和神经网络的权重均在线调整。基于李雅普诺 夫稳定性理论设计的在线学习算法保证了系统的稳定性。数字仿真结果表明通过神经网络的补偿可以进一步提高该系统在全包线范围内的动静态特性。 将上述算法应用于航空发动机转速控制系统，在飞行/推进系统综合仿真平台上进行了实物在回路仿真试验，结果表明该控制算法对航空发动机具有 很好的跟踪性能，可以满足工程实际应用的需要。 2.会议论文 黄金泉.蒋衍君 发动机控制算法的数字仿真方法研究 2002 发动机控制系统的数字仿真是低成本、短周期研制先进水平发动机数控系统的重要环节和手段.由于航空发动机是多变量非线性时变对象,在飞行包 线内发动机的动态特性变化很大.发动机多变量控制器能否适应于全飞行包线,需要进行多种形式的数字仿真研究,以全面测试控制算法在不同情况下的动 、静态性能.本文对航空发动机多变量控制算法的数字仿真方法进行探讨,提出发动机控制系统全包线数字仿真的阶跃响应仿真、油门杆阶跃仿真、接通 和切断加力仿真、爬升和加速仿真、传感器加入随机噪声仿真、模型稳态和动态拉偏仿真方法,并进行数字仿真研究,为检验发动机控制算法的效果提供 了一种全面而有效的仿真方法. 3.学位论文 姚彦龙 航空发动机神经网络直接推力逆控制 2008 航空发动机的主要作用就是为飞机提供推力，如何实现推力的有效控制就是研究人员最关心的问题。因为在飞行中推力不易直接测量，传统的基于 传感器的航空发动机控制是将一些可测量参数作为被控制量，如高低压转子转速，压比等，因为可由这些变量推算出推力，通过调节被控制量间接进行 推力控制。但是由于推算过程不准确，为保证航空发动机安全工作，在设计过程中，设计者不得不保留较大的设计裕度或安全系数。这就意味着势必要 以“牺牲”发动机性能来换得发动机的安全运行。 为了充分挖掘发动机的潜在性能，本文对发动机的直接推力控制进行了探索性研究。为了实现航空发动机直接推力控制，本文以某型涡扇发动机为 对象，首先开展了基于神经网络的发动机推力估计器的研究设计工作，提出了自适应遗传神经网络算法，并将其应用于推力估计器的设计，数字仿真表 明，效果良好。接下来，作者又运用鲁棒性好，且可以有效消除静差的增广LQR 方法设计了发动机直接推力控制器，以推力估计器的估计推力作为反馈 信号，实现了发动机的直接推力控制的数字仿真。近年来，由于神经网络逆控制在国内外非线性控制领域得到广泛研究和成功应用，作者针对航空发动 机提出了基于神经网络逆控制器的航空发动机直接推力控制方案。本文研究设计了发动机神经网络逆控器，并结合推力估计器设计了基于神经网络逆控 制器的发动机直接推力控制器，并做了数字仿真验证。 4.会议论文 张学良.朱行健 航空发动机数控规律的研究 1986 该文根据已有的双轴涡喷发动机动态非线性数字仿真程序，建立了适合于数字控制的发动机主燃油系统调节模型。这个模型采用按发动机相似参数 程序供油规律与线性最优状态调节器和PID调节器相结合的方法。形式比较简洁。数字仿真结果表明，由这个数控模型构成的发动机系统有良好的动态响 应品质，并明显优于同一发动机的机械液压式调节器的试飞结果。该文中提出的线性最优状态调节器在航空发动机上具体应用方法，对最优控制技术用 于发动机控制中有良好的效果和实用价值。（本刊录） 5.学位论文 季春生 航空发动机全数字仿真平台设计 2007 数字仿真是航空发动机性能计算与控制系统设计的重要技术，在发动机控制器仿真与控制系统半物理试验研究方面应用广泛。 本文针对国内发动机数字仿真的技术现状与工程需求，在Windows环境下设计开发了开放式航空发动机全数字仿真平台，平台可兼容现有不同语言编 写的各种类型发动机模型，主要实现发动机数字仿真底层支持数据管理、发动机性能仿真及带控制器仿真、仿真数据分析管理等功能。 论文重点研究了航空发动机全数字仿真平台设计涉及的三个关键技术：混合编程技术、数据库管理技术、定时器技术。混合编程采用DLL跨平台调用 的解决方案；数据库编程采用ADO．NET接口，利用Access数据库实现仿真数据的本地化管理，封装了实时数据库PI的API接口函数，利用PI数据库实现仿 真数据的异地存储：定时器编程采用C＃自带的Windows定时器、基于服务器的定时器和线程定时器，另外封装windows多媒体定时器供平台调用。其中 ，有效解决了仿真平台设计中不同语言之间变量命名和过程、堆栈使用以及模块之间参数传递约定兼容性的技术难点。 系统设计完毕，进行了仿真验证。以某型发动机为对象，应用仿真平台进行发动机数字仿真、控制软件仿真、半物理试验仿真和控制软件系统测试 。仿真结果表明：仿真平台能够实现异构平台的互通；可以作为一套独立的航空发动机数据管理系统；通过DLL调用，扩展了仿真平台的应用范围，突破 了传统“一机一平台”的框架束缚；模块化和面向对象程序设计技术的应用，使仿真平台具有良好的可维护性和可扩展性，在工程应用方面具有一定的 实用性。 6.会议论文 闰咏春.孟庆明 航空发动机模型参考自适应控制（MRAC）初探 1998 航空发动机是一个非常复杂的多变量控制对象，参数变化范围非常大，因此选择合适的控制方法保证高性能的控制品质最优至关重要。目前的控制 理论研究中，自适应技术的发展为发动机控制系统的设计提供了新的思路。该文采用基于李亚普诺夫稳定性理论设计模型参考自适应控制 （ModelReference Adaptive Control），参照F100发动机设计数据设计参考模型，并根据发动机转速变化情况进行了数字仿真。 7.学位论文 朱晨 基于记忆神经网络的航空发动机控制系统研究 1998 记忆神经网络(MNN)的优点在于它对于阶数不确定和存在延迟的动态系统具有较强的学习和辨识能力.该文研究了记忆神经网络的结构和学习算法,在 网络的可行性和收敛性以及结构参数的选取等方面做了较深入的分析.并在此基础上,将自适应控制结构与记忆神经网络结合起来,研究了航空发动机稳态 和过渡态控制器的设计问题,并在有代表性的不同飞行状态以所设计的控制器进行了数字仿真.通过仿真可以看出,利用记忆神经网络设计出的控制器具有 较强的自适应性和良好的跟踪性能,并且对参数扰动和噪声干扰有较强的抑制作用.对于工作范围宽广的航空发动机控制系统,采用记忆神经网络作为控制 器是可行的,仿真效果令人满意. 8.会议论文 章霖官.刘爱萍.林青峰 在MATRIX<,X>平台上进行的涡扇发动机控制系统数字仿真 2000 本文将基于二次型性能指标的线性最优控制算法应用于涡扇发动机控制系统,并在MATRIX<,X>仿真平台上进行了数字仿真,继而给出了仿真结果. 9.学位论文 文杰 全系数自适应控制理论在航空发动机控制系统中的应用研究 1998 该文探讨了一种新的自校正控制系统--全系数自适应控制系统的理论及其特点,指出这种理论方法适用于航空发动机稳态小偏离的控制过程.作为控 制系统设计的准备,确定 航空发动机数学模型的结构.进而讨论了闭环系统的可辨识性条件和两种参数辨识方法:增广递推的最小二乘法和改进的随机逼 讲法.在单变量航空发动机全系数自适应控制器设计的基础上,根据控制矩阵主对角元强迫滞后一步的多变量控制器的设计方法,设计了双变量全系数自适 应控制器.以某型航空发动机作为被控对象,在不同的飞行高度和飞行马赫数下,对设计的控制系统进行了数字仿真验证,并对仿真结果进行了分析.结果表 明:全系数自适应控制方法用于航空发动机稳态小偏离控制过程是完全可行的. 10.会议论文 堵爱平 涡扇涡喷发动机数字控制系统数字仿真试验平台及其应用 2002 本文介绍了一种适用于涡扇涡喷发动机数字控制系统数字仿真的试验平台,并且作为应用实例简要介绍了某型涡扇发动机数字控制系统在该试验平台 上进行带实物数字仿真的情况. 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_syjsysyj200903012.aspx 下载时间：2010年5月20日