CN102252854B - 一种高空模拟系统及其发动机进、排气压力控制方法 - Google Patents

Abstract

一种高空模拟系统中发动机进、排气压力控制方法，其特征在于：该方法针对形如图1的航空发动机高空模拟试验系统，具体包括以下几步：步骤一：初始化。步骤二：给定需要模拟的高度H，获得该高度的大气压力P。步骤三：运用人工智能控制算法联合控制发动机排气压力P2与进气压力P1稳定在P附近，同时继续监测各参数的变化，以便及时进行相应的调节。本发明的优势在于P1与P2的跟随性较好，控制过程平稳、快速，有利于保护发动机和其他试验设备，并能够有效提高试验的效率。

Description

一种高空模拟系统及其发动机进、排气压力控制方法

技术领域

本发明涉及一种高空模拟系统及其发动机进、排气压力控制方法，属于环境模拟及控制技术领域。

背景技术

在航空发动机高空模拟技术中，需要保证发动机进气的静压和排气的背压相一致，并且等于需要模拟高度的标准大气压力。发动机进、排气压力不仅受发动机本身工作状态的影响，还受高空模拟设备的约束。对于这种发动机进、排气压力的双参数耦合以及多控制器控制的问题是一个难点，因为传统的PID（比例、积分、微分）控制难免会使压力产生较大波动甚至震荡，对发动机造成损害。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种高空模拟系统，其特征在于包括：

发动机；

设置在发动机上游的第一调节阀，用于对发动机的进气压力进行调压；

设置在发动机下游的第二调节阀；用于对发动机的排气压力进行调压；

抽真空机组，用于对经过所述第二调节阀调压的排气进行增压，增压后的排气被排入大气；

设置在真空机组上游的大气补气支管；

设置在大气补气支管上的第三调压阀，用于与第二调节阀联合调节发动机排气压力。

根据本发明的一个进一步的方面，上述发动机进、排气压力控制系统进一步包括：

设置在发动机与第二调节阀之间的冷却设备，用于对发动机的排气进行降温。

根据本发明的一个进一步的方面，上述发动机进、排气压力控制系统进一步包括：

设置在第二调节阀与真空机组之间的止回阀，用于防止当真空机组意外停机时空气倒流。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于上述高空模拟系统的发动机进、排气压力控制方法，其特征在于包括：

比较测得的排气压力与一个预定值，

若测得的排气压力与所述预定值之差为正值且超出了第一个给定的误差范围，则检测并判断第二调节阀的开度是否已达到一个第二预定开度，

如果“否”，则开大第二调节阀，

如果“是”，关小第三调节阀，以减少大气补气量；

若测得的排气压力与所述预定值之差为负值且超出了第一个给定的误差范围，则检测并判断第三调节阀的开度是否已达到一个第三开度，

如果“否”，则开大第三调节阀，以增加大气补气量，

如果“是”，则关小第二调节阀。

若测得的排气压力与一个预定值之差在预定误差范围内，则不需要调节排气压力。

排气压力执行一次检测和初步调节之后，进行进气压力的检测和调节。为保证进气压力与一个预定值一致，只需保证进气压力与排气压力一致即可。

比较测得的进气压力与排气压力之差，

若测得进气压力与排气压力之差在第二个给定的误差范围内，则无需对进气压力进行调节。

若测得进气压力与排气压力之差为正值且超出了第二个给定的误差范围，则需关小第一调节阀；若测得进气压力与排气压力之差为负值且超出了第二个给定的误差范围，则需开大第一调节阀；执行一次调节之后均返回继续检测进气压力与排气压力的差值并对第一调节阀进行相应的调节，直至进气压力与排气压力的差值达到第二个给定的误差范围。

返回继续检测排气压力与一个预定值之差，根据测得的排气压力与所述预定值之差进行相应的一次调节后，检测进气压力与排气压力之差并进行相应的调节，使得进气压力与排气压力之差在第二个给定的误差范围内。

如此进行上述的动态循环检测和调节直至系统稳定至某一状态。

附图说明

图1是应用根据本发明的一个实施例的发动机高空模拟系统示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的发动机进、排气控制算法流程示意图。

附图标记：

1—恒压进气管，2—进气调节阀（组），3—发动机进气静压P1传感器，4—发动机，5—发动机排气静压P2传感器，6—发动机排气冷却设备，7—排气调节阀（组），8—止回阀，9—真空机组，10—真空机组排气管，11—补气调压阀（组），12—大气补气调压进气管

具体实施方式

下面结合附图，并以发动机在地面环境下启动然后逐步降低发动机进、排气压力并稳定在设定高空状态下的压力为实施例对本发明做详细的说明。

发动机高空模拟系统形如图1，具体为：恒压供气通过管1经第一调节阀（组）2调压后进入发动机4，发动机排气经冷却设备6降温后又经第二调节阀（组）7调压，再由抽真空机组9增压后经排气管10排入大气，真空机组前设置大气补气支管12，该管上安装用于补气的第三调压阀（组）11，用于与第二调节阀（组）7联合调节发动机排气压力。发动机4的进、排气静压P1和P2分别由压力传感器3和5进行测定。止回阀8用于防止当真空机组9意外停机时空气倒流。

对于形式如图1所示的航空发动机高空模拟试验系统，发动机4进气静压P1由调节阀(组)2进行控制，而发动机排气静压P2则由调节阀（组）7和大气补气调压阀（组）11联合进行控制，而P1和P2又受发动机4的工作状况相互影响，这是一个双参数耦合及多控制器控制的问题，难度较大。针对该问题，本发明提供了一种实用、有效、快捷的发动机进、排气压力控制方法。

本发明提供了一种高空模拟系统中发动机进、排气压力控制方法，其能够模拟人的思维和判断进行控制，实现人工智能控制。根据本发明的一个实施例的高空模拟系统中发动机进、排气压力控制流程包括：

A：初始化

保证供气管1有恒压供气，根据发动机地面开车的条件设定第一、第二、第三调节阀（组）2、7和11的初始开度量并发送，将它们打开到各自设定的开度。初始的开度量由系统手动调试经验获得，地面状态下开车的经验一般为第三调节阀（组）11全开，第二调节阀（组）7小开度，第一调节阀（组）2中小开度。设定需要模拟的高度H为0，也即地面状态。开启真空机组9，一切准备就绪后就可以开启发动机4开始热车。

B：给定需要模拟的高度H，获得该高度的大气压力P

待发动机热车完毕，设定需要模拟的高度H（H>0），根据标准大气表，或者标准大气的压力与高度的关联式获得需要模拟的高度H处的大气压力P，该压力P由程序自动运算获得，P即为该控制系统的输入量。

C：联合控制发动机排气压力P2与进气压力P1

由于发动机排气压力P2对于第二和第三调节阀（组）7和11的动作比较敏感，而发动机进气压力P1又与排气压力P2相关联，当P2变化时，P1也会有同方向小幅度的变化，因而优先对发动机排气压力P2进行一定幅度的调节，接着又对进气压力P1做相应的调节修正，使得P1-P2在允许的误差范围内。

该实例的具体的控制算法如下：

先比较传感器测得的压力P2与输入值P之间的误差，如果P2-P为正值且超出了给定的误差范围±0.5kPa，表示需要增大模拟的高度，则首先检测并判断第二调节阀（组）7的开度是否已达到90%，如果否，则开大第二调节阀（组）7；如果是，则表示第二调节阀（组）7已基本全部打开，再开大效果已不明显，此时需要关小第三调节阀（组）11，减少大气补气量。如果P2-P为负值且超出了±0.5kPa误差范围，表示需要降低模拟的高度，则先检测并判断第三调节阀（组）11的开度是否已达到95%，如果否，则开大第三调节阀（组）11，增加大气补气量；如果是，则表示第三调节阀（组）11已基本全部打开，再开大效果已不明显，此时需要关小第三调节阀（组）7。如果P2-P在±0.5kPa范围内，则排气压力P2不需调节。第二和第三调节阀（组）7和11每次的开关量与|(P2-P)/P|成正比，比例系数由整个系统和阀门本身确定，由手动操控时的经验获得。

由于初始时的高度为0，如果高度H设定足够大，则必有P2-P大于0且超出±0.5kPa范围，且初始状态第二调节阀（组）7的开度定未达90%。经过判定后将第二调节阀（组）7的开度增大|(P2-P)/P|·α（α>0，为阀门控制系数），完成了对P2的第一次初步调节。下面进行进气压力P1的检测和调节。

排气压力P2执行一次检测和初步调节之后，进行进气压力P1的检测和调节。为了保证P1与输入值P一致，只需保证P1与P2相一致即可。比较传感器测得的压力P1与P2之间的误差，如果P1-P2在±0.5kPa范围内，则无需对P1进行调节。如果P1-P2为正值且超出了±0.5kPa范围，则需关小进气第一调节阀（组）2；如果P1-P2为负值且超出了±0.5kPa范围，则需开大第一调节阀（组）2，然后均返回继续检测P1与P2的误差并对第一调节阀（组）2进行调节，直到P1-P2达到在±0.5kPa误差范围内。第一调节阀（组）2每次的开关量也与|(P1-P2)/P2|成正比，比例系数由整个系统和阀门本身确定，由手动操控时的经验获得。

由于P1与P2的耦合，第一调节阀（组）2的调节使得P2也发生了变化，或者第二和第三调节阀（组）7和11上一次的调节未达目的，需要返回继续检测P2与P的误差并进行相应的调节。如此循环检测判断并进行调节直至P2与P的误差、P1与P2的误差均分别达到各自允许的范围，则系统达到稳定，各阀门不需再进行调节，但仍需继续监测P2与P、P1与P2的误差的变化，随时准备着进行调节。

待稳定后，可以改变发动机4的工况（例如加大风门和（或者）扭矩），甚至同时再设定一个新的模拟高度值H，在应用该发明的发动机进、排气压力控制系统的调节下很快就会再次稳定到需要模拟高度。

需要注意的是前后两次设定的高度H值不宜相差太大，以防调节幅度过大，产生较大压力波动对发动机造成损害。

应当理解的是，以上叙述和说明对本发明所进行的描述（包括数据）只是示例性而非限定性的，且在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的前提下，可以对上述实施例进行各种变形、替换和/或修正。

本发明的优点在于：

（1）能够模拟人的思维和判断，逐步进行调节，先初步调节排气压力P2，再调节P1使其与P2相接近，这样在调节过程中使得P1始终跟随P2变化，能有效防止由于发动机进、排气压差过大而造成发动机状态异常甚至停车而对发动机造成损害；

（2）控制过程平稳、快速，有效避免过大的压力波动对发动机及试验设备造成的损害；

（3）能够有效提高试验的效率。

Claims (8)

1.一种高空模拟系统，其特征在于包括：

发动机（4）；

设置在发动机（4）上游的第一调节阀（2），用于对发动机（4）的进气压力（P1）进行调压；

设置在发动机（4）下游的第二调节阀（7）；用于对发动机（4）的排气压力（P2）进行调压；

抽真空机组（9），用于对经过所述第二调节阀（7）调压的排气进行增压，增压后的排气被排入大气；

设置在真空机组（9）上游的大气补气支管（12）；

设置在大气补气支管（12）上的第三调压阀（11），用于与第二调节阀（7）联合调节发动机排气压力。

2.根据权利要求1的高空模拟系统，其特征在于进一步包括：

设置在发动机与第二调节阀（7）之间的冷却设备（6），用于对发动机的排气进行降温。

3.根据权利要求1的高空模拟系统，其特征在于进一步包括：

设置在第二调节阀（7）与真空机组（9）之间的止回阀（8），用于防止当真空机组（9）意外停机时空气倒流。。

4.一种用于如权利要求1－3中任何一项所述的高空模拟系统的发动机进、排气压力控制方法，其特征在于包括：

比较测得的排气压力（P2）与一个预定值（P），

若测得的排气压力（P2）与所述预定值（P）之差为正值且超出了第一个给定的误差范围，则检测并判断第二调节阀（7）的开度是否已达到一个第二预定开度，

如果“否”，则开大第二调节阀（7），

如果“是”，关小第三调节阀（11），以减少大气补气量；

若测得的排气压力（P2）与所述预定值（P）之差为负值且超出了第一个给定的误差范围，则检测并判断第三调节阀（11）的开度是否已达到一个第三开度，

如果“否”，则开大第三调节阀（11），以增加大气补气量，

如果“是”，则关小第二调节阀（7）。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于：

若测得的排气压力（P2）与所述预定值（P）之差在所述第一个给定的误差范围内，则不需要调节排气压力（P2）。

6.根据权利要求4的方法，其特征在于：在对排气压力（P2）执行一次检测和初步调节之后，进行进气压力（P1）的检测和调节，其中，为保证进气压力（P1）与所述预定值（P）一致，只需保证进气压力（P1）与排气压力（P2）一致即可，

比较测得的进气压力（P1）与排气压力（P2）之差，

若测得进气压力（P1）与排气压力（P2）之差在第二个给定的误差范围内，则无需对进气压力（P1）进行调节，

若测得进气压力（P1）与排气压力（P2）之差为正值且超出了第二个给定的误差范围，则需关小第一调节阀（2）；若测得进气压力（P1）与排气压力（P2）之差为负值且超出了第二个给定的误差范围，则需开大第一调节阀（2）；执行一次调节之后均返回继续检测进气压力（P1）与排气压力（P2）的差值并对第一调节阀（2）进行相应的调节，直至进气压力（P1）与排气压力（P2）的差值达到第二个给定的误差范围。

7.根据权利要求6的方法，其特征在于进一步包括：

返回继续检测排气压力（P2）并确定测得的排气压力（P2）与所述预定值（P）之差，

根据测得的排气压力（P2）与所述预定值（P）之差进行相应的一次调节后，检测测得的进气压力（P1）与排气压力（P2）之差并进行如权利要求6所述的对进气压力（P1）的调节。

8.根据权利要求4的方法，其特征在于

所述第二预定开度为90%，

所述第三开度为95%。

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