小型涡喷发动机数控调节器的半实物仿真
摘 要: 本文介绍了某小型涡喷发动机数控调节器的半实物仿真试验系统的设计， 以及软件和硬件的试验配置。半实物仿真试验对涡喷发动机控制系统的稳态和瞬态性能进行了校正和验证。试验完成了发动机数控调节器 在地面和空中起动、停车功能的检验; 自动加、减速功能, 稳态调节性能的校正和校验;评价了发动机空中起动，按理论弹道飞行过程的调节性能。最后，给出了部分的仿真试验曲线。
关键词：航空、航天推进系统;涡喷发动机;半实物仿真;发动机模型;数字式控制
发动机控制系统的主要目的是提供最大的推力, 最小的燃油消耗;控制发动机在喘振边界内安 全可靠地运行, 保护转速、温度、压力等状态参数不超出工作极限。为了在整个飞行包线内发挥发动机的最佳性能, 使用数字式电子控制器代替液 压机械式控制器成为未来的发展方向。本文建立了一个半实物仿真试验系统, 可以实现小型航空发动机数字式电子控制系统的试验研究。仿真技术是发动机控制系统设计和开发的关键技术。在设计的初始阶段, 离线、非实时的面向 纯软件的仿真用于开发和试验控制律和控制器的初始参数。当实际控制系统元件完成以后, 下一步设计验证阶段就是进行半实物仿真试验。通过半实物仿真试验可以提供更高的置信度, 确保更大的安全性和缩短研制的试验周期。半实物仿真试验的主要目的是微调控制器的参数, 检验和验证控制系统的硬件和软件是否满足设计的性能要求。
1 仿真系统的组成
在半实物仿真试验中, 仿真计算机中实时运 行数学模型, 模拟真实发动机的工作状态, 系统中 使用的其它控制元件都为实际硬件。发动机数控 调节器的半实物仿真试验的结构原理图如图 1 所 示。
1.1 综合控制计算机
综合控制计算机主要负责以下任务:
(1) 控制数字式电子控制器和发动机仿真计 算机的工作, 负责仿真试验的开始和停止。
(2) 空中飞行弹道参数的模拟, 通过 D/ A 输 出卡将飞行参数, 高度和马赫数, 输出给仿真计算 机用于发动机状态参数的计算。
(3) 通过串口通讯向电子控制器发出加、减 速的指令信号, 以及设定过渡过程的稳态转速值。
(4) 监控低压燃油系统的燃油压力和温度信号, 监控模拟伺服电机的转速是否超出设定值, 一 旦超出立刻发出停车信号, 中止试验进行检查处 理。
1.2 仿真计算机
仿真计算机配置为 P Ⅲ工控机, CPU 主频为600 MHz, 内存为 256M , 配备了 A/ D、D/ A 采集 卡, 数字 I/ O 卡。其主要任务是运行发动机仿真模 型程序, 计算、输出和记录发动机的状态参数( n,P* , T * , P* , T * ) , 控制伺服电机的转速与发动机1124当前的转速相匹配, 同时接受综合控制计算机输入的飞行参数和开始、停止试验指令, 以及流量转换装置的输入。
1. 3 数字式电子控制器
数字式电子控制器配置为 PC/ 104, 包括 CPU 模块、A/ D 和 D/ A 模块、I/ O 模块。控制器 上运行发动机控制系统的控制软件, 采集由发动机仿真计算机输出的发动机状态参数( n, P* ,1T * , P* , T * ) , 按给定的调节计划, 输出脉冲信号124控制步进电机的运转。同时通过串口与综合控制计算机进行通讯。
1. 4 机械液压执行机构
机械液压执行机构由齿轮泵、计量活门、安全活门、压差活门和增压活门等组成。齿轮泵由伺服电机带转供油, 步进电机带动计量活门油门杆旋转控制燃油流量, 经涡轮流量计测量输入发动机仿真计算机。
1. 5 步进电机及控制器
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