CN103235606B - 发动机试验入口压力闭环调节系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及发动机试验入口压力闭环调节系统及方法，包括燃料增压系统、氧化剂增压系统、燃料容器箱、氧化剂容器箱、压力测量装置以及闭环控制装置；容器箱均与发动机连接，燃料增压系统的输出端与燃料容器箱连接，氧化剂增压系统的输出端与氧化剂容器箱连接；压力测量装置包括采集装置和数据处理机，采集装置采集发动机入口压力、发动机入容器箱的箱压，采集装置将采集压力发送给数据处理机，数据处理机的输出端与闭环控制装置的输入端连接，闭环控制装置的输出端与增压系统连接。本发明解决了现有的发动机泵入口压力控制方式精度低、时滞大的技术问题。本发明通过调整贮箱压力来控制发动机泵入口压力，具有快速、连续、可靠的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种发动机试验入口压力闭环调节系统及方法。
背景技术
发动机试验时，发动机入口压力需要按照设定的曲线进行变化，并控制在一定的带宽范围之内。如果入口压力低于带宽下限，则容易引起泵气蚀；如果入口压力高于带宽上限，将使发动机处于高工况状态下工作。这两种情况均对发动机的正常工作将产生不利影响，甚至导致试车失败。如果入口压力波动过大则对发动机的转速、室压、推力、流量等关键参数均产生影响，十分不利于正确客观地评价发动机的性能。
目前，发动机泵入口压力为开环控制方式，主要通过控制箱压来调节入口压力。由于入口压力与箱压有一定的对应关系，首先设定好N2源减压器输出压力，然后根据入口压力设定曲线计算出箱压设定曲线和带宽，最后根据实测箱压与设定值的比对来控制主增压阀门的开/关，因此，对箱压实现了简单的开关式闭环控制。这样的控制方式导致增压偏差带大，时滞现象严重，试验过程中增压阀门将按预定的程序对容器进行增压，无法对减压器压力在试车过程中波动或发动机流量变化导致的入口压力变化进行补偿，常常会发生箱压符合要求但入口压力持续下降的现象。为了防止试验过程中减压器压力降低、发动机流量变大、系统流阻增大等干扰因素导致的增压能力不足，常人为地使调整计算得出的增压孔板能力偏大，但因此导致发动机在试验过程一直处于较高工况下工作，不利于发动机的正常工作。目前发动机地面试验过程中发动机泵入口压力的设定偏差波动范围为±0.025MPa，而实际的试验过程中发动机泵入口压力的偏差（SV-PV）波动范围为[-0.04，0.02]，精度低，时滞大。
发明内容
为了解决现有的发动机泵入口压力控制方式精度低、时滞大的技术问题，本发明提供一种发动机试验入口压力闭环调节方法。
本发明的技术解决方案：
发动机试验入口压力闭环调节系统，其特殊之处在于：包括燃料增压系统、氧化剂增压系统、燃料容器箱、氧化剂容器箱、压力测量装置以及闭环控制装置；
所述燃料容器箱与发动机连接，所述氧化剂容器箱与发动机连接，所述燃料增压系统的输出端与燃料容器箱连接，所述氧化剂增压系统的输出端与氧化剂容器箱连接；
所述压力测量装置包括相互连接的采集装置和数据处理机，所述采集装置采集发动机入口的氧化剂压力、发动机入口的燃料压力、氧化剂容器箱的箱压和燃料容器箱的箱压，所述采集装置将采集到的发动机入口的氧化剂压力、发动机入口的燃料压力、氧化剂容器箱的箱压和燃料容器箱的箱压发送给数据处理机，所述数据处理机的输出端与闭环控制装置的输入端连接，所述闭环控制装置的输出端与氧化剂增压系统和燃料增压系统连接，控制开度。
上述氧化剂增压系统包括多个氧化剂孔板组成的孔板矩阵以及与氧化剂孔板一一对应的多个氧化剂电磁阀，所述氧化剂孔板一端与氮气源连接，另一端通过氧化剂电磁阀与氧化剂容器箱连接，多个氧化剂电磁阀的控制端分别与闭环控制装置的输出端连接；
所述燃料增压系统包括多个燃料孔板组成的孔板矩阵以及与多个燃料孔板一一对应的多个燃料电磁阀，所述燃料孔板一端与氮气源连接，另一端通过燃料电磁阀与燃料容器箱连接，多个燃料电磁阀的控制端分别与闭环控制装置的输出端连接。
上述闭环控制装置包括控制中心、工控机、定时器模块、光电隔离输入模块以及继电器输出模块；
所述工控机用于为控制中心、定时器模块、光电隔离输入模块以及继电器输出模块提供运行平台；
所述光电隔离输入模块用于实现对发动机开车、紧急停车信号的采集，并通过控制中心对定时器模块进行开始计时或停止计时的触发；
所述定时器模块用于在得到开始计时触发后进行计时，输出时序信号；或在得到停止计时触发后，停止计时；
所述控制中心包括数据接收单元、控制单元和显示单元，所述数据接收单元用于实时接收数据处理机发送的测量数据，并将测量数据输出给显示单元；所述控制单元根据定时器模块输出的时序信号去周期性地从数据接收单元获取测量数据，同时进行判断、控制和记录，从而输出控制信号给继电器输出模块和显示单元；所述显示单元用于对测量数据和控制信号进行显示；
所述继电器输出模块用于根据控制中心的控制单元输出的控制信号，对燃料电磁阀和氧化剂电磁阀进行输出控制。
上述氧化剂孔板为5个，它们的面积比为16：8：4：2：1。
上述燃料孔板为4个，它们的面积比为8：4：2：1。
发动机试验入口压力闭环调节系统的调节方法，包括以下步骤：
1】搭建调节系统；
2】参数配置：根据用户需求给定时器模块配置时序信号；
3】控制单元根据用户需求和定时器模块的时序信号配置各个时间点发动机入口的氧化剂压力设定值、发动机入口的燃料压力设定值、氧化剂容器箱的箱压设定值和燃料容器箱的箱压设定值以及各个压力设定值对应的调整阈值；
4】启动系统，载入参数配置信息，然后等待开车信号；
压力测量装置的采集单元采集发动机入口的氧化剂压力、发动机入口的燃料压力、氧化剂容器箱的箱压和燃料容器箱的箱压，同时发送给数据处理机进行数据处理，处理后的数据发送给控制中心的数据接收单元，并通过显示单元进行实时显示；
5】光电隔离输入模块采集到发动机的开车信号，同时触发定时器模块在进行计时，定时器模块输出时序信号；
6】控制单元根据定时器模块输出的时序信号去周期性地从数据接收单元获取测量数据，控制单元将测量数据与同一时刻的设定值进行比对，根据比对结果输出控制信号给继电器输出模块和显示单元；
7】继电器输出模块根据控制信号控制各电磁阀的开或关，实现压力闭环调节，同时显示单元显示控制信号；
8】光电隔离输入模块采集到发动机的紧急停车信号，同时触发定时器模块停止计时，控制单元停止工作。
上述氧化剂孔板为5个，它们的面积比为16：8：4：2：1。
上述燃料孔板为4个，它们的面积比为8：4：2：1。
本发明所具有的优点：
1、本发明通过调整贮箱压力来控制发动机泵入口压力，快速、连续、可靠，能够适应发动机试验增压系统要求。
2、本发明采用孔板矩阵的方式虽然管路及设备较多，系统复杂，但各增压孔板独立控制，控制精度取决于最小增压孔板，不存在控制死区；响应速度取决于单个电磁阀的响应速度；各增压孔板相互独立，风险分散。
附图说明
图1为发动机试验入口压力闭环调节系统的原理图；PS1为氧化剂N2源减压器出口压力PS2为燃料N2源减压器出口压力
图2为闭环控制装置的结构视图；
图3为闭环控制装置的工作过程示意图；
图4为数据设定值曲线示意图。
具体实施方式
要实现发动机泵入口压力闭环调节需要解决以下问题：发动机泵入口压力实时控制方法、泵入口压力测量数据实时获取、执行机构可快速连续调节。
本发明发动机试验入口压力闭环调节系统原理图如图1所示，包括燃料增压系统、氧化剂增压系统、燃料容器箱、氧化剂容器箱、压力测量装置以及闭环控制装置；燃料容器箱和氧化剂容器箱均与发动机连接，燃料增压系统的输出端与燃料容器箱连接，氧化剂增压系统的输出端与氧化剂容器箱连接；压力测量装置包括相互连接的采集装置和数据处理机，采集装置采集发动机入口的氧化剂压力、发动机入口的燃料压力、氧化剂容器箱的箱压和燃料容器箱的箱压，采集装置将采集到的发动机入口的氧化剂压力、发动机入口的燃料压力、氧化剂容器箱的箱压和燃料容器箱的箱压发送给数据处理机，所述数据处理机的输出端与闭环控制装置的输入端连接，闭环控制装置的输出端与氧化剂增压系统和燃料增压系统连接，控制开度。
其中闭环控制装置，如图2所示，包括控制中心、工控机、定时器模块、光电隔离输入模块以及继电器输出模块；工控机用于为控制中心、定时器模块、光电隔离输入模块以及继电器输出模块提供运行平台；光电隔离输入模块用于实现对发动机开车、紧急停车信号的采集，并通过控制中心对定时器模块进行开始计时或停止计时的触发；定时器模块用于在得到开始计时触发后进行计时，输出时序信号；或在得到停止计时触发后，停止计时；控制中心包括数据接收单元、控制单元和显示单元，数据接收单元用于实时接收数据处理机发送的测量数据，并将测量数据输出给显示单元；控制单元根据定时器模块输出的时序信号去周期性地从数据接收单元获取测量数据，同时进行判断、控制和记录，从而输出控制信号给继电器输出模块和显示单元；显示单元用于对测量数据和控制信号进行显示；继电器输出模块用于根据控制中心的控制单元输出的控制信号，对燃料电磁阀和氧化剂电磁阀进行输出控制。
为了控制的精准，本发明采用孔板矩阵作为压力闭环控制系统的执行机构，燃料增压系统和氧化剂增压系统采用了如下的结构：氧化剂增压系统包括多个氧化剂孔板组成的孔板矩阵以及与氧化剂孔板一一对应的多个氧化剂电磁阀，氧化剂孔板一端与氮气源连接，另一端通过氧化剂电磁阀与氧化剂容器箱连接，多个氧化剂电磁阀的控制端分别与闭环控制装置的输出端连接；燃料增压系统包括多个燃料孔板组成的孔板矩阵以及与多个燃料孔板一一对应的多个燃料电磁阀，燃料孔板一端与氮气源连接，另一端通过燃料电磁阀与燃料容器箱连接，多个燃料电磁阀的控制端分别与闭环控制装置的输出端连接。
氧化剂孔板为5个，它们的面积比为16：8：4：2：1。以此设计增压能力呈1：2：4：8：16增长的孔板，形成增压能力可连续调节的孔板矩阵。通过选取特征试验数据进行分析，获取增压精度要求的最小孔板尺寸。控制阀门选用电磁阀，可快速打开、关闭。
燃料孔板也可为4个，它们的面积比为8：4：2：1。采用孔板矩阵的方式虽然管路及设备较多，系统复杂，但各增压孔板独立控制，控制精度取决于最小增压孔板，不存在控制死区；响应速度取决于单个电磁阀的响应速度；各增压孔板相互独立，风险分散。
燃料孔板也可为其他数量，只要它们的面积比依次减小2倍。
发动机试验入口压力闭环调节系统的调节方法，包括以下步骤：
1】搭建调节系统；
2】参数配置：根据用户需求给定时器模块配置时序信号；
3】控制单元根据用户需求和定时器模块的时序信号配置各个时间点发动机入口的氧化剂压力设定值、发动机入口的燃料压力设定值、氧化剂容器箱的箱压设定值和燃料容器箱的箱压设定值以及各个压力设定值对应的调整阈值；
如图4所示，控制单元根据用户需求和定时器模块的时序信号配置各个时间点发动机入口的氧化剂压力设定值、发动机入口的燃料压力设定值、氧化剂容器箱的箱压设定值和燃料容器箱的箱压设定值以及各个压力设定值对应的调整阈值；各种设定值显示为参数曲线。
4】启动系统，载入参数配置信息，等待开车信号；
压力测量装置的采集单元采集发动机入口的氧化剂压力、发动机入口的燃料压力、氧化剂容器箱的箱压和燃料容器箱的箱压，同时发送给数据处理机进行数据处理，处理后的数据发送给控制中心的数据接收单元，并通过显示单元进行实时显示；
5】如图3所示，光电隔离输入模块采集到发动机的开车信号，同时触发定时器模块在进行计时，定时器模块输出时序信号；
6】控制单元根据定时器模块输出的时序信号去周期性地从数据接收单元获取测量数据，控制单元将测量数据与同一时刻的设定值进行比对，根据比对结果输出控制信号给继电器输出模块和显示单元；
7】继电器输出模块根据控制信号控制电磁阀的开或关，实现压力闭环调节，同时显示单元显示控制信号；
8】光电隔离输入模块采集到发动机的紧急停车信号，同时触发定时器模块停止计时，控制单元停止工作。
以氧化剂系统为例，首先，孔板按照增压能力设计，5个孔板的增压能力依次为16：8：4：2：1变化，以此实现增压能力的快速连续调节。5个孔板分别由5个继电器控制的电磁阀控制，打开对应的电磁阀，则气体通过对应的孔板对容器进行增压，孔板越大，增压能力越大。控制单元将测量数据与同一时刻的设定值进行比对，根据比对结果输出控制信号给继电器输出模块，根据控制信号5个孔板可以组成0～31种增压能力，每种电磁阀组合称为一种模式，则共有0～31，增压能力按照0模式增压能力为0，模式31代表了最大的增压能力来表示。每一种模式对应一种阀门组合，如表1所示：
表1为5个氧化剂孔板对应的电磁阀的开合与增压能力的关系列表。
继电器打开，则对应的阀门打开，气体通过该管路对应的孔板以一定的增压能力对容器进行增压。
燃料系统孔板数量为4个，孔板增压能力按照8：4：2：1变化，控制方法与氧化剂系统相同。
Claims (6)
1.发动机试验入口压力闭环调节系统，其特征在于：包括燃料增压系统、氧化剂增压系统、燃料容器箱、氧化剂容器箱、压力测量装置以及闭环控制装置；
所述燃料容器箱与发动机连接，所述氧化剂容器箱与发动机连接，所述燃料增压系统的输出端与燃料容器箱连接，所述氧化剂增压系统的输出端与氧化剂容器箱连接；
所述压力测量装置包括相互连接的采集装置和数据处理机，所述采集装置采集发动机入口的氧化剂压力、发动机入口的燃料压力、氧化剂容器箱的箱压和燃料容器箱的箱压，所述采集装置将采集到的发动机入口的氧化剂压力、发动机入口的燃料压力、氧化剂容器箱的箱压和燃料容器箱的箱压发送给数据处理机，所述数据处理机的输出端与闭环控制装置的输入端连接，所述闭环控制装置的输出端与氧化剂增压系统和燃料增压系统连接，控制开度；
所述氧化剂增压系统包括多个氧化剂孔板组成的孔板矩阵以及与氧化剂孔板一一对应的多个氧化剂电磁阀，所述氧化剂孔板一端与氮气源连接，另一端通过氧化剂电磁阀与氧化剂容器箱连接，多个氧化剂电磁阀的控制端分别与闭环控制装置的输出端连接；
所述燃料增压系统包括多个燃料孔板组成的孔板矩阵以及与多个燃料孔板一一对应的多个燃料电磁阀，所述燃料孔板一端与氮气源连接，另一端通过燃料电磁阀与燃料容器箱连接，多个燃料电磁阀的控制端分别与闭环控制装置的输出端连接；
所述闭环控制装置包括控制中心、工控机、定时器模块、光电隔离输入模块以及继电器输出模块；
所述工控机用于为控制中心、定时器模块、光电隔离输入模块以及继电器输出模块提供运行平台；
所述光电隔离输入模块用于实现对发动机开车、紧急停车信号的采集，并通过控制中心对定时器模块进行开始计时或停止计时的触发；
所述定时器模块用于在得到开始计时触发后进行计时，输出时序信号；或在得到停止计时触发后，停止计时；
所述控制中心包括数据接收单元、控制单元和显示单元，所述数据接收单元用于实时接收数据处理机发送的测量数据，并将测量数据输出给显示单元；所述控制单元根据定时器模块输出的时序信号去周期性地从数据接收单元获取测量数据，同时进行判断、控制和记录，从而输出控制信号给继电器输出模块和显示单元；所述显示单元用于对测量数据和控制信号进行显示；
所述继电器输出模块用于根据控制中心的控制单元输出的控制信号，对燃料电磁阀和氧化剂电磁阀进行输出控制。
2.根据权利要求1所述的发动机试验入口压力闭环调节系统，其特征在于：所述氧化剂孔板为5个，它们的面积比为16：8：4：2：1。
3.根据权利要求1或2所述的发动机试验入口压力闭环调节系统，其特征在于：燃料孔板为4个，它们的面积比为8：4：2：1。
4.一种根据权利要求1所述的发动机试验入口压力闭环调节系统的调节方法，其特征在于，包括以下步骤：
1】搭建权利要求1所述的调节系统；
2】参数配置：根据用户需求给定时器模块配置时序信号；
3】控制单元根据用户需求和定时器模块的时序信号配置各个时间点发动机入口的氧化剂压力设定值、发动机入口的燃料压力设定值、氧化剂容器箱的箱压设定值和燃料容器箱的箱压设定值以及各个压力设定值对应的调整阈值；
4】启动系统，载入参数配置信息，然后等待开车信号；
压力测量装置的采集单元采集发动机入口的氧化剂压力、发动机入口的燃料压力、氧化剂容器箱的箱压和燃料容器箱的箱压，同时发送给数据处理机进行数据处理，处理后的数据发送给控制中心的数据接收单元，并通过显示单元进行实时显示；
5】光电隔离输入模块采集到发动机的开车信号，同时触发定时器模块在进行计时，定时器模块输出时序信号；
6】控制单元根据定时器模块输出的时序信号去周期性地从数据接收单元获取测量数据，控制单元将测量数据与同一时刻的设定值进行比对，根据比对结果输出控制信号给继电器输出模块和显示单元；
7】继电器输出模块根据控制信号控制各电磁阀的开或关，实现压力闭环调节，同时显示单元显示控制信号；
8】光电隔离输入模块采集到发动机的紧急停车信号，同时触发定时器模块停止计时，控制单元停止工作。
5.根据权利要求4所述的发动机试验入口压力闭环调节系统的调节方法，其特征在于：所述氧化剂孔板为5个，它们的面积比为16：8：4：2：1。
6.根据权利要求4或5所述的发动机试验入口压力闭环调节系统的调节方法，其特征在于：所述燃料孔板为4个，它们的面积比为8：4：2：1。
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