现代航空发动机液压机械控制器的仿真研究

秦宇峰

（东方航空公司技术有限公司山西分公司航线车间，山西 太原 030092）

在现代液压系统的设计环节中，运用液压仿真技术进行性能强化与改进，已经日益发挥着巨大的作用，被世界各国的相关领域所重视和使用。通过现代航空发动机液压机械控制器，可以有效完成许多比较繁琐的控制任务，为人们深入进行航空设计提供更多的参考资料

1 航空发动机液压机械控制器仿真技术的相关概况

近年来，我国的现代制造行业搭上了世界第4次工业革命的快车，制造的创新与变化让全世界为之震惊。作为高新技术产业的重要组成部分，航空发动机产业是现代航空产业中的核心产业，对中国航空技术的改革与发展起着举足轻重的作用。当前，航空技术与智能化、仿真化的融合，是当前航空产业发展的关键所在，如何运用好智能化和仿真化技术，使航空发动机制造在信息化时代下取得跨越式发展，是促进航空发动机研究和开发制造的重中之重。其中的虚拟仿真技术通过提供一个强大的数字建模和仿真环境，借助计算机系统进行产品规划、设计、制造、装配、检验、保养、维修等各项模拟操作，不仅使相关的设计更加优化和便捷，还能够帮助企业在设计阶段就能够充分全面地了解产品的生产制造全过程，从而预测产品的基本性能及可能存在的缺陷，使产品设计与制造更加精准高效，减少产品试生产中所造成的资源浪费。例如，波音777飞机就是通过虚拟制造技术，从飞机的整体设计一直到不同环境下的模拟试飞，使开发周期大大缩短，设计方案的修改更加灵活、快捷，有效降低了飞机的设计成本。

机械液压式控制器，是航空推进系统的传统设备，其随着航空推进系统的发展而不断更新换代，特别是随着航空技术对控制功能需求的日益加大，机械液压式控制器的设计和制造技术也在飞速演进。截至目前，机械液压式控制器已经演变成为一台高控制精度的计算装置，能够进行相对较为繁琐复杂的发动机控制规律运算和推演，从而有效地进行航空设备控制。与飞机的整机制造相比，航空发动机的性能和结构更加复杂、繁琐，同时也具有更高的精度要求，因此具有更大的设计和控制难度。通过虚拟仿真技术，不仅可以显示产品的外形和内部构造，还可以模拟产品的使用过程和装配、维修的情况，从而在动态中不断发现发动机液压机械控制器的工作实效，通过反复的评测来修改设计中的不当之处。借助于物理和化学理论，虚拟仿真技术还可以试验不同条件下控制器的使用情况及承载能力，比如在高温、低温、高压等相对恶劣的环境下，控制器能够正常工作。如何在现实中进行这样的试验，势必会造成大量生产原料的消耗，而且未必能够准确掌握全部的数据资料。而借助虚拟仿真技术，可以进行全方位、反复的模拟试验，从而最大限度地发挥材料的潜在能力，对产品进行最合理的设计。

2 航空发动机液压机械控制器的仿真研究

2.1 液压仿真平台的建模

仿真系统，就是将客观实际的系统，通过物理模型或者数学模型的形式进行建构，对模型进行试验和研究，进而将获取的研究试验结果应用于实际系统中。仿真研究的基础前提，首先就是必须找到最合适的仿真平台，从而为接下来的建模奠定良好的基础。目前市场上最为常用的液压建模平台主要有Matlab、ADAMS等，这类建模平台相对较为简单，主要是提供一个可以创建特定液压仿真框架，具有大众化的效果，但专业性不够强。而HYPNEU以及EASY5等专业的液压仿真平台，则可以提供直接进行液压仿真的专用仿真包，更加具有专业性、实用性。然而，由于后者的仿真包比较复杂，而且考虑到市场需求，主要适用于大型地行机械的液压仿真使用，并不符合航空发动机液压机械控制器这类的高精尖设备。因此，进行基础的对照和比较后，Matlab可以进行机、电、液压等不同子模块的创建和编辑，同时还与其他仿真平台有兼容的接口，具有十分强大的适应性，最为适合航空发动机液压机械控制器的仿真建模。利用Matlab创建液压仿真库后，我们能够借助平台的窗口界面，进行可视化的系统仿真操作，比如运用Scope等图形模块，在对液压机械控制器进行仿真虚拟的同时，就可以同步观察到仿真的效果，然后再运用Matlab的存储和编辑指令，对仿真结果进行储存以及操作处理。

2.2 构建液压元件模型库

液压元件模型库，是建立发动机控制器模型的基础素材库，只有先建立并完善好齐全的元件模型库，才能快速有效地进行控制器仿真模型的建设。特别是随着现代科技产品的组成结构日趋复杂，功能日益多样化，元件之间的耦合关系变得愈发紧密，建模对于产品仿真来说十分重要。以航空机电系统为例，在能量、控制、功能等多个层面上，综合系统的燃油、液压、电气等系统之间的关系较实际相比更加密切，各系统协调合作，从而保障能源的优质高效利用。如图1所示，通过供配用电综合网络，飞机架构上机电系统的联系更加紧密。因此，液压机械控制器的仿真建模，必须要首先建立好一套完整的元件模型库，并保证各元件模型之间能够进行高质量的数据交互，从而形成多模型联合仿真的效果。

图1 飞机综合机电系统

根据控制器的不同部件功能，元件模型库可包括给定元件、比较元件、液压放大元件、测量元件、反馈元件等装置。如果根据具体元件类型进行区分，元件模型库则主要由机械元件和液压元件两个部分共同组成。其中，机械元件的核心在于质量模块，是一个反映机械运动动态特性的二阶模型，有位置限制、摩擦系数、质量等属性，而杠杆、齿轮、凸轮、弹簧等只有传递的作用，并没有太多的重要价值，但这些元件将影响到各模块的参数及其对应情况，因此，机械元件仍然需要对初始值进行设置和调整。液压元件则是根据进出的液体流量及压缩腔体积计算压力的变体积压缩腔为重点，是一个反映液体压缩特性的一阶模型。

2.3 建立发动机控制器模型

航空发动机液压机械控制器的仿真，离不开发动机控制器模型的建立。通常情况下，液压机械控制器包括敏感元件、放大元件、执行元件几种基本的功能模块，在此基础上又可以细分为定压油源、层流板节流器等数十种构件。在Matlab中，可以分别对这些构件进行模型建立，然后再按照液压机械控制器的整体构造进行装配，使其完成仿真设置。此外，控制器根据功能还可以划分为转速调节器、加力燃油等独立模块。这些独立的模块，又可以进一步的细分，例如加速控制器可以细分为温度放大器、转速测量元件、压力测量元件、随动活塞执行机构、连杆机构等，这些元件多半都带有负反馈的液压伺服机构，以此作为基本的元件，可以有效保证功能的独立性。发动机控制器模型，就是建立上述不同类型的构件，并建立各构件之间的接口模型，使之成为一个整体，然后再建立模块化的数学模型，搭建出控制器的虚拟仿真模型。

2.4 发动机液压控制器的仿真

通过上述的元件库构建和模型建立，液压控制器的仿真已经基本完成基础的构建工作，余下的部分主要是模型的仿真操作，即调试和验证。这段仿真操作，是建模中最困难的工作，同时也是最重要的环节。虚拟仿真操作，其目的主要是为了模仿实际操作的情形，因而必须要完全参照实际控制器的调试和实验方式，进行虚拟仿真的稳态及动态调试。所谓稳态调试，就是要将控制器的稳态点调整到调试大纲所明确的数据范围以内，对控制器仿真模式的实际稳态进行实验调试。在调试过程中，还需要建立模型的调整接口，并配置好可以随时用来更换的元件，使调试完全对应实际试验的情景。稳态调试结束后，再对控制器进行动态仿真调试，特别是控制器与发动机之间的磨合情况，对调试的结果进行分析，并将其与实际数据进行比对，确保控制器在实际运行过程中能够符合标准的性能指标，从而验证好模型的正确。

3 结语

通过建立现代航空发动机液压机械器仿真模型库，构建与实际控制器完全一致的虚拟仿真模型，可以有效对控制器进行高效精准建模，然后再结合仿真模型进行数据调试，确保仿真数据与实际数据基本符合。在调试过程中，工作人员结合仿真模型进一步了解控制器的内部工作规律，发现控制器在常规情况下和运行过程中的特性，以及可能在实际操作中出现的问题和不足，在此基础上进行航空发动机液压机械控制器的实际设计，对于控制器的设计、制造与维修等各项工作有着重要意义，有助于控制器的设计、生产和改进，为现代航空技术发展作出更多的贡献。