压气机试验器排气节气门控制系统设计

2011-04-27乔玄

航空发动机 2011年1期

乔玄

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015）

1 引言

压气机气动试验特性是衡量压气机设计水平的重要依据之一。在试验中，当压气机保持某一设定转速不变时，连续改变试验器的进气与排气的节气门开度，可以测得换算流量、压比和效率等气动性能参数，从而获得压气机的试验特性；排气节气门的调节精度对于准确可靠地获得压气机气动试验特性十分重要。

本文对试验器的排气节气门调节系统进行了全新自主设计改造，使其原本繁杂的压气机试验状态调节变得十分简捷，同时有效保证了试验设备的可用性和可靠性。

2 排气节气门调节系统概述

压气机试验器进气与排气的节气门是控制压气机试验状态的关键部件。由于进气节气门调节单元结构简单，本文只介绍排气节气门调节系统的设计特点和改造方法。

试验器的排气节气门包括结构相同的内涵排气节气门和外涵排气节气门，如图1所示。排气节气门采用圆盘式结构，包括静盘和动盘2部分，2盘各沿圆周均布12个孔，通过高压油缸活塞杆推拉动盘转动，静盘和动盘重叠后形成的形孔面积即为排气节气门的开口面积。在试验中，通过控制油缸活塞杆的伸缩长度即可实现对排气节气门的开度调节。

3 机械液压系统设计

为实现对排气节气门的可靠控制，机械液压系统油源采用双余度供油设计。油源泵采用德国原装力士乐恒压变量泵A10VSO10DR/52R-PPA14N00，最大使用压力为28 MPa，排量为10 mL/s，采用4级电机，泵流量为14 L/min。在节气门稳定在指定位置后，在保持工作压力的情况下，油泵能基本做到零流量输出，减少了系统发热以及多余的功率损耗。机械液压系统原理如图2所示。

图2 机械液压系统原理

1，36—球阀；2，21—电机（7.5、1.5 kW）；3—联轴节；4—柱塞泵；5,34—溢流阀；6—高压过滤器；7—单向阀；8—测压接头；9—测压软管；10—压力表；11—压力传感器；12—安全阀组；13—隔膜式蓄能器；14—空气滤清器；15—双筒回油滤；16—加温器；17—回油滤；18—水冷冷却器；19—电磁水阀；20—吸油滤；22—齿轮泵；23—液位控制继电器；24—温度传感器；25—液位液温计；26—液压站油箱；27，28，32—电磁换向阀；29—蓄能器；30—板式液控单向阀；31—电液伺服阀；33—2位3通换向阀；35—油缸

系统中电-液转换部件选用BOSCH-REXROTH伺服阀。该阀100%输入,响应周期为10 ms。电-液伺服阀结构如图3所示。

4 控制系统设计

4.1 电气控制系统

排气节气门电气控制系统包括PLC控制单元和强电控制单元。选用SIEMENSS7-300系列可编程控制器(PLC)作为核心部件。该控制器可靠性高,抗干扰能力强,程序软件设计灵活,具有广泛的系统扩展能力。显示操作设备选用触摸屏操作面板HMI，在试验中用于完成人机交互操作和参数监视任务。进行压气机喘振试验时，喘振讯号通过喘振信号传感器及旋转失速变换器提取，然后将讯号发送到PLC，触发控制器进行退喘控制。电气控制系统组成如图4所示。

4.2 电磁兼容设计

合理设计电缆布局可实现整个系统的电磁兼容。采用隔离变压器和抗干扰滤波器，并正确接地，以此抑制外来电磁信号对控制系统的干扰和系统自身对外界的电磁干扰。控制系统原理接线如图5所示。

4.3 排气节气门的开度给定模式

（1）通过手动调节电位器控制节气门开度，给定分辨率不大于0.5%，选用进口精密多圈电位器。

（2）通过按键点动“增大”或“减小”来调节节气门开度，给定分辨率等于0.1%，由按键时间选择慢速或快速输入。

（3）在压气机转速小于±30 r/min时，系统随时间自动给定输入，给定速率可由程序更改，步长精度为0.1%。

（4）当PLC接收到压气机喘振讯号时，控制系统按节气门实际位置的预置比例(0～100%)控制节气门开度。系统复位后，节气门保持退喘后位置不变；如果此时压气机仍发生喘振，则控制器以该节气门位置为起点按预置比例重复计算新的节气门开度调节量，直至压气机退出喘振状态为止。

（5）在紧急状态下，通过点按“紧急退喘按钮”来实现排气节气门高速全部打开功能。

4.4 控制系统功能

（1）系统各给定模式的转换为无缝连接，电位器按键点动、自动给定模式相互切换时不会引起节气门位置的波动。在压气机喘振状态解除后，系统自动恢复到给定模式的选择状态。

（2）系统对液压站的双冗余油源泵的运行实行联锁控制，防止2台泵组同时工作。

（3）系统对液压站内液压油工作温度实行自动调节，使液压油介质处于最佳工作状态。根据使用温度设定值控制油箱加温器或冷却器工作。

（4）在系统显示屏上，可实时监视系统供油压力、油液温度、油箱液位、伺服阀和滤油器的工作情况。

（5）在试验过程中，控制系统通过HMI设备实现对试验时间、压气机转速、内涵和外涵节气门位置给定与反馈等重要参数的实时存储，并以Office Excel文件格式存储在USB移动盘中，便于数据后期处理；另外，通过HMI设备上的工业以太网通讯接口，可以完成全台试验设备的分布式网络化试验平台的综合管理。

4.5 排气节气门的闭环控制

控制系统采用PID闭环控制方式实现对内、外涵排气节气门开度位置控制，如图6所示。系统目标设定值为期望达到的高压油缸活塞杆伸缩位置(用于实现排气节气门动盘转动至指定位置)。闭环控制器的反馈值通过线位移传感器LVDT测量，并经过PLC中的A/D模块变换为数字量。目标设定值与反馈信号比较后，其偏差值被送入PID控制器，经运算后得到1个叠加的数字量。该数字量经过输出限幅处理后进行D/A变换，输出1个电压信号至电液伺服阀的功率放大器，以驱动伺服阀的力矩马达铁心移动，进而带动阀芯左右运动，控制高压液压油路接通液压油缸的有杆腔和无杆腔，并调节油缸活塞杆的伸缩长度，驱动排气节气门的动盘转动，最终实现排气节气门开口面积大小的控制。

5 PLC控制程序

PLC控制程序使用S7-300专用编程软件STEP7 V5.4设计，并采用语句表语言编程，以实现较为复杂的逻辑控制功能和PID调节运算。

排气节气门控制系统软件主要包括11个流程控制部分，软件组态结构如图7所示。

5.1 主循环组织块OB1程序

OB1程序用于循环处理，是用户程序中的主程序。主程序完成各种数据的采集和对系统的逻辑控制以及向触摸屏提供所采集和处理的数据，并执行触摸屏发出的各种指令。主循环组织块OB1程序流程如图8所示。

5.2 循环中断组织块OB35程序

循环中断组织块OB35程序用于按一定的时间间隔循环执行中断程序，周期性地执行闭环控制系统的PID运算程序。循环中断组织块OB35程序流程如图9所示。

在编程软件STEP7中，含有所需的系统功能块SFB41“CONT-C”(连续控制器)PID控制软件包，通过其专门负责的控制过程PID调节运算，可以很方便地实现模拟量的PID控制。根据排气节气门的实际使用情况，对系统功能块SFB41进行结构参数设定，构成排气节气门控制系统PID闭环控制器，其功能如图10所示。

5.3 硬件中断组织块OB40程序

硬件中断组织块OB40程序用于快速响应输入信号模块的信号变化。具有中断能力的输入模块将中断信号传送到CPU时，立即触发硬件中断，进行系统退喘控制。

5.4 油温监控功能块FB1程序

功能块FB1程序包含2个功能，即对液压站油箱内油液温度的监测和自动调节油温在工作允许范围内。它是系统控制程序的子程序，其程序流程如图11所示。

5.5 油压监测功能块FB2程序

功能块FB2程序的主要功能是监控液压站供油压力。它是系统控制程序的子程序，其程序流程如图12所示。

5.6 按键控制定时功能块 FC3、FC4程序

功能块FC3、FC4是关于点动输入给定脉冲量，用以控制内、外涵排气节气门位置的子程序。在程序中，内、外涵排气节气门位置的点动给定控制功能相互独立，因此，在试验时可同时调节内、外涵排气节气门的位置。另外，通过该程序可消除按键的抖动干扰，亦可通过长时间点按给定按钮来实现参数的高速设定。

6 触摸屏显示操作画面设计

HMI软件主要包括基于WindowsCE嵌入式操作系统和WinCCFlexible画面组态软件。触摸屏的显示操作画面包括起始画面、液压站运行情况监视画面、PID参数设置画面、退喘量设置画面、系统运行主画面和实时趋势画面等6个画面。

其中，起始画面为欢迎画面；液压站运行情况监视画面反映液压系统供油压力值、介质工作温度和一些必要的设备运行状态指示；PID参数设置画面用于设定内、外涵排气节气门的PID控制器参数；退喘量设置画面用于设置退喘时内、外涵排气节气门的打开幅度；实时趋势画面主要是以不同颜色的曲线来显示压气机转速、内涵和外涵排气节气门开度给定量与内涵和外涵排气节气门开度反馈值(即实际开度)的实时状态。

系统运行主画面是控制系统的主运行画面，可切换至上述各分画面中。在系统运行主画面中，主要显示控制系统的一些主要参数，以便让操作者了解整个系统的运行情况。该画面主要包括：内涵和外涵排气节气门控制给定模式和给定量、内涵和外涵排气节气门的实际位置反馈、电位器输入模式时的无扰动切换控制信息、试验件转速、供油压力、设备状态指示和一些触摸控制按钮等。