涡扇发动机液压机械主控制系统建模与仿真分析

吴文斐，郭迎清，李 睿，陆 军

（西北工业大学动力与能源学院，西安 710072）

1 引言

由于具有技术成熟、可靠性高、抗干扰性强等特点，随着设计和制造技术的不断进步，液压机械控制系统完全能够完成具有一定复杂性的控制任务[1,2]，并且目前为中国现役航空发动机所采用。

为了解决目前中国涡扇发动机液压机械主控制系统大都基于部件级的建模[3,4]技术建立模型和实施仿真的问题，本文建立了某新型涡扇发动机液压机械主控制系统的完整仿真模型。这对指导产品调试、降低试验成本和指导产品的改进改型具有十分重要的经济意义和应用价值。

2 主控制系统概述

该型涡扇发动机主控制系统的核心功能包括稳态控制、过渡态控制、计量燃油、几何型面调节等，主要组成部分包括转速控制器、转速传感器、压差控制器、压力传感器、温度传感器、指令形成装置、高压导叶控制器、低压导叶控制器、计量活门、加速活门以及最大压力限制器、最小供油量限制器、超前机构活塞等。其主要组件模块结构如图1所示。其中，转速控制器和温度传感器完成稳态控制功能；转速传感器、温度传感器、压力传感器和加速活门完成过渡态控制功能；计量活门和压差控制器完成计量燃油功能；指令形成装置、高压导叶控制器和低压导叶控制器完成几何型面调节功能；最大压力限制器、最小供油量限制器、超前机构活塞等完成极限值限制功能。

3 联合仿真模型

AMESim是1款多学科领域复杂系统建模仿真软件，可以直接面向液压机械元部件进行图形化建模，适合对复杂液压机械控制系统进行建模仿真。主控制系统中有很多杠杆组，杠杆之间的传动关系以及凸轮型面非常复杂，鉴于建模对象中存在一些非常规部件而无法用AMESim中的标准库实现，可以利用AMESim和Matlab的接口在Simulink中实现这些非常规部件的功能[5]。

主控制系统的液压机械部分在AMESim下建模，控制部分在Simulink下建模。通过在Simulink下连接主控制系统和使用C++建立并打包为Simulink模块的涡扇发动机非线性模型，完成主控制系统和发动机的联合仿真，这样可以充分利用2个软件在液压机械系统建模仿真与数据处理能力方面的优势对系统进行仿真分析。同时，为保证主控制系统模型特性与该型发动机主控制系统特性吻合，已对各组件模块的控制功能进行了测试，并和实际试车数据进行了对比，所得数据均与试车数据吻合；此外还测试了杠杆比、弹簧初始预紧力和弹性系数等关键零/部件参数对系统性能的影响[4，6，7]。

整体仿真模型如图2～4所示，Simulink控制模块主要包括油门杆凸轮、温度凸轮、转速传感器反馈凸轮、P2传感器凸轮、流量反馈凸轮、3维凸轮、高压导叶反馈凸轮、低压导叶反馈凸轮。通过这些控制模块完成控制算法功能。

4 仿真分析

模拟发动机在地面标准大气条件下，油门杆从慢车15°推到大车65°时主控制系统和发动机的工作状况。通过测试反映发动机工作状态的各变量以及主控制系统关键参数的变化来验证该型发动机主控制系统的核心功能。

4.1 燃油流量变化

燃油流量从慢车到最大状态加速过程的变化情况如图5所示。从慢车时的550 kg/h上升到最大状态的5510 kg/h，上述指标符合该型发动机在相应状态下的性能指标。

4.2 主泵转速变化

主泵转速变化情况如图6所示。从图中可以看出慢车到最大状态的加速时间约为3 s，与该型发动机的加速性能参数一致。在从慢车到最大状态加速过程中，转速平稳上升，并迅速稳定在最大状态。

4.3 加速活门开度变化

主控制系统内部加速活门开度的变化情况如图7所示。从图中可以清晰看出从慢车到最大状态加速过程，以及转速控制器和自动加速器的切换过程。在将油门杆由慢车推到最大状态后，加速活门迅速左移，打开回油口。此时，自动加速器通过限制转速控制器所调节的供油量来调节加速供油量，使发动机在加速过程中不喘振、不超温，且调节时间短。随着转速的上升，当发动机快要达到最大状态时，加速活门右移，在第2秒遮蔽回油口，自动加速器退出工作，转速控制器接替完成控制功能，使发动机平缓上升到最大状态。加速活门开度变化翔实数据在试验中难以直接测量，联合仿真为获取控制系统内部参数的实时变化提供了非常有效的手段。

4.4 几何通道调节系统导叶角度变化

发动机几何通道调节系统导叶角度的变化情况如图8、9所示。从图可见，从慢车到最大状态加速过程，随着高压转子换算转速的增大，高、低压压气机进口导流叶片负角度增大，使发动机进气量相应增大，保证进口导流叶片角度与发动机状态相适应。

4.5 发动机工作状态变化

从慢车到最大状态加速过程和发动机工作状态部分参数的变化情况如图10所示。联合仿真模型不仅可以直观地获取控制系统内部参数的实时变化情况，而且可以很直观地得到发动机工作状态各参数的实时变化情况。

5 结论

在深入分析国产某新型涡扇发动机主控制系统工作原理及物理结构的基础上，使用AMESim建立主控制系统液压机械部分数学模型，使用Simulink建立控制部分数学模型，通过在Simulink下连接主控制系统和使用C++建立并打包为Simulink模块的涡扇发动机非线性模型，完成主控制系统和发动机的联合仿真。仿真结果表明，该主控制系统模型特性与该型发动机主控制系统特性吻合，且可以完成该型发动机主控制系统的稳态控制、过渡态控制、计量燃油、几何型面调节等核心功能的全状态、全过程仿真。利用该模型一方面可以指导产品调试，降低实际试车的成本和风险；另一方面可以指导产品的改进改型，最大限度地发挥该型发动机的性能效益。

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