某型高速水力测功器模型辨识方法研究

文/李峰 赵俊

水力测功器是一种功率消耗装置，广泛用于动力输出负载装置，本文所研究的水力测工器主要用于高速发动机动力轴吸功装置，其工作原理如图1所示。

水力测功器机械本体静子通过轴承固定在安装座上，转子通过轴承支撑在静子上，在静子和转子之间充水，发动机动力涡轮轴带动转子旋转，水在静子和转子之间产生摩擦力吸收发动机的机械功，根据作用力与反作用的原理，测扭盘测量出静子产生的扭矩即是转子施加给静子的扭矩，也就是发动机的输出扭矩，再通过安装在转子上的测速音轮测量转子转速，即可计算出发动机的输出功率。通过调节进、出水阀门的开度，改变通过测功器本体的水流量，从而控制测功器的驱动扭矩。

1 水力测功器控制原理

水力测功器在工作过程中，与发动机动力输出轴保持功率平衡，此外，根据发动机控制需求，水力测功器具有四种控制模式：阀门位置控制模式（开环控制模式），恒转速控制模式，恒扭矩控制模式，恒功率控制模式，其控制原理如图2所示。

表1：进水阀和出水阀与负载对应关系

如图2所示，水力测功器通过外部输入选择控制模式，根据控制模式，控制器根据相应的控制算法，输出进水阀和出水阀控制信号给阀门机构控制盒，控制盒自动闭环控制出水阀和进水阀开度，从而实现水力测功器的工作状态控制。

在水力测工器测控系统设计过程中，通常情况下，水力测工器进水阀和出水阀的特性设计与水力测工器的特性变化基本一致，即进水阀开度变化与出水阀关度变化引起的水力测工器状态变化基本一致，因此，在调节过程中，为对进水阀和出水阀实现解耦控制和降低调节过程复杂度，通常设置进水阀调节开度为50%～100%，出水阀关度调节范围为0～100%，且调节过程中，进水阀调节量值与出水阀调节量值为等量调节。

2 水力测功器模型分析

根据水力测工器控制原理可知，水力测工器工作过程中，水力测工器吸收的功率始终与发动机输出功率保持平衡，在恒转速、恒扭矩、恒功率控制模式下，水力测工器的转速、扭矩、功率在控制模式选定后为给定量，因此，水力测工器的模型可确定为阀门开度与功率的关系，而对于位置控制模式，水力测工器的模型为阀门开度与扭矩关系。

图1：水力测功系统工作原理图

根据工程经验，在水力测工器控制器参数诊断和验证过程中，一般控制对象的模型逼真度不应该低于85%，才能保证诊断的控制参数能够满足水力测工器控制要求。

根据发动机的调节规律，高速发动机用水力测工器在工作过程中，通常采用恒转速控制模式，因此，水力测工器模型宜采用恒转速控制模式下的初步调试数据进行系统辨识，所辨识的模型为阀门开度与功率对应的关系，根据上述分析可知，该模型可用于恒转速、恒扭矩和恒功率控制模式下的模型，而针对位置控制模式，可根据水力测工器设计准则进行评估。

图2：水力测功器控制原理

图3：恒转速控制模式1

图6：模型辨识结果

图7：模型校验数据选取

图8：模型校核数据

3 水力测功器试验数据分析

高速水力测工器恒转速控制模式试验，具体如下：

如图3和图4所示，在此控制模式下，水力测功器与发动机输出功率平衡，水力测功器转速跟随发动机输出轴转速，当发动机输出轴转速达到100%时，水力测功器通过调节阀门开度，改变负载，使水力测功器扭矩跟随发动机输出扭矩。同时，在调节水力测功器阀门的过程中，首先对进水阀和出水阀设置初始值（进水阀开度105%，出水阀关度10%），然后在动态调节过程中，同步同比例等量调节进水阀开度和出水阀开度，从而调节水力测功器负载。

4 水力测功器模型辨识

4.1 水力测功器功率模型辨识

根据上述分析，水力测功器模型可描述为功率与阀门开度的关系，即：

其中，y(s)为功率输出，u(s)为阀门位置变化。其中，阀门位置变化为进水阀位置变化与出水阀位置变化之和。

在系统辨识中，选取典型试验数据进行辨识，然后通过其它过程验证模型的有效性。根据试验数据的质量，选取恒转速控制模式2 中加速到地面慢车的数据进行辨识，如图5所示，并通过MATLAB 模型辨识工具，辨识结果如图6所示。

图9：水力测功器校验模型

其辨识模型为：

从辨识结果可知，模型逼真度为85.02%。

模型校验：

在此，选取发动机减速过程过程进行校验，选取数据段如图7、图8所示。

校验结果如下：

如图9，在模型校验中，需要充分考虑原模型对试验数据振荡过程中的残差对逼真度评判的影响，根据辨识的结果和不同功率阶段校核的结果，该模型能反应水力测功器的工作状态，校核逼真度为87.94%，因此，该模型为有效模型。

同样，选取其他数据段进行验证，亦可以得到较高的逼真度，从而充分验证模型的有效性。

4.2 水力测功器负载模型

当水力测功器选择位置控制模式时，水力测功器的负载与进水阀和出水阀之间的关系根据水力测功器的参数进行近似，当水力测功器进水阀全开（开度为100%）和出水阀接近全关（关度为50%）时，对应的扭矩为1000N.m（222%），假设负载与水门开度为线性关系，则负载模型对应的关系近似如表1所示。

即水力测功器的负载模型为：

其中，a 为水力测功器进水阀开度，单位为%；b为水力测功器出水阀的关度，单位为%；Tq 为水力测功器的负载扭矩，单位为%。

采用位置控制模式时，通常只需要验证水力测工器部分工作点，以满足发动机控制要求，因此，此模型为近似模型，可以根据实际试验情况进行调整。

5 结论

本文根据某高速发动机用水力测工器工作原理和控制原理，分析了水力测工器模型建立方法，针对水力测工器初始试验数据，通过系统辨识的方法建立水力测工器模型，并进行了验证，验证结果表明，所建立的模型满足逼真度能够满足工程要求。