CN111413867B - 一种在Flowmaster平台上液压控制机构等效控制器快速建模及优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于流体机械控制系统一维动态换热仿真领域，提供一种在Flowmaster平台上液压控制机构等效控制器快速建模及优化方法。能够精确地模拟齿轮泵、离心泵以及回油活门组件构成的回路油温变化，对比AMESim建模得到很大简化，并且能得到理想的温度、压力和流量分析；同时，提出的回油组合活门拆解建模方案对其他机械液压系统热仿真建模有很大指导性；本发明提出的与MATLAB/Simulink联合仿真，不仅可以优化控制器参数，可快速利用软件自带PID控制器建模，还可以把Simulink上成熟的控制策略直接应用到Flowmaster平台上，这有很大的普适性，可以为其他类型发动机燃调系统热温模型仿真提供参考。

Description

一种在Flowmaster平台上液压控制机构等效控制器快速建模 及优化方法

技术领域

本发明涉及一种基于发动机燃油调节机械液压系统的Flowmaster软件快速建模方法，包括齿轮泵、离心泵数据建模，组合阀件等效建模，建模后进行换热模拟仿真，属于流体机械控制系统一维动态换热仿真领域。

背景技术

本发明依托背景为某型航空发动机燃油调节系统机械液压换热仿真的Flowmaster模型。

航空发动机是飞机最重要的部件，为飞机提供稳定飞行的动力，安全性必须得到多重保证。燃油调节系统，可以视为发动机的“发动机”，重要性不言而喻。航空发动机的燃油调节系统包括离心泵、齿轮泵和回油组合活门，计量活门、定压活门、高压关活门等。随着飞机所需要的功率愈来愈大，燃调系统供油量也将会更大。其中，燃油的调节范围变得更宽，燃油调节系统在低供油量下，必然伴随着大量回油，这些回油在经过降压后会产生大量的热量，引起温度急剧升高。过度的温升引起燃油变质、齿轮泵润滑变差，累积高温回油经过的精密阀件产生一定破坏，严重影响着供油系统安全性能。需要快速建立包括回油在内的燃油调节系统换热模型，一方面分析影响温度升高的因素；另一方面在不同解决方案间进行模拟温度降低百分比。因此，燃油调节系统建立机械液压温度拟合仿真模型，对燃油温升故障存在着分析指导意义，在理论上得到最优化的解决方案。

根据现有文献，对燃油调节系统机械液压仿真模型大多数在AMESim平台上进行仿真，并且可以转换为换热仿真模型，与Flowmaster软件仿真模型相比，建模更加精确、细致。缺点是齿轮泵和离心泵模型建模比较粗糙，这也是我们需要着重分析的因素，不能简化。Flowmaster软件能快速建立模型，进行温度动态仿真分析。缺点是建立机械结构模型不如AMESim建模方便直观，需要设计较复杂的控制方案实现。建模之后机械液压部件间相互影响使得系统存在滞后响应，采用增加惯性环节，同时抵消高频干扰；模型在使用包含积分项的PI控制器时，产生饱和积分现象，采用冻结积分方案解决；模型在反复对比试验中要多次控制器调参，采用一定优化策略进行联合仿真优化参数，实现燃油调节系统的温度仿真。

发明内容

为了实现航空发动机燃油调节系统的回油温度仿真，针对燃油调节系统回油组合活门难以直观建模问题，离心泵、齿轮泵一维建模过于简化问题，本文提出了一种基于Flowmaster软件的发动机供油调节系统的快速建模方法。

本发明的技术方案：

一种在Flowmaster软件平台上燃调系统热仿真快速建模和控制器调参方法，包括以下步骤：

S1：根据实际燃油调节系统结构，采用拆解方式，对发动机燃油调节系统回油组合活门进行搭建模型，包括回油活门、计量活门和压差活门等效机构；

S1.1：首先确定打开回油活门方式，通过计量前后压差，控制回油活门开度，压差活门起到中间传递和控制作用，直接设计位移控制器进行等效替代建模；

S1.2：在采集计量前后压差的传感器上设计输出限幅，控制器输出也有限幅，在控制器误差输入后加入一个判定环节，判定输入为控制器输出X₀，经过限幅后X₁；

x＝|X₀-X₁|

式中，若x大于0，改控制器积分项输入为0，等效阀门最大开度；

S1.3：设计切换控制器参数配置策略，采用和MATLAB/Simulink联合仿真，Flowmaster程序在Simulink里是S-Function函数，使用M文件调用程序迭代，联合仿真环境合理配置接口即可进行；

S2：对高压关断活门进行建模

S2.1：采用解析方式，把高压关断分开建模，作动部分使用弹簧和作动筒配合建模，输入为高压关断活门入口高压P1，离心泵出口低压P2；输出距离即为活门位移；

S2.2：在输出位移和高压关断中间加入一阶惯性环节，在Flowmaster软件内直接搭建，如下：

式中，Ts为惯性时间常数，合理选取数值能有效的消除建模毛刺现象；

S3：对离心泵进行建模

S3.1：首先取得离心泵额定数据，包括转速、流量、扬程和扭矩；采用归一化方法，对离心泵扬程流量曲线、扭矩流量曲线各转速下折合到额定转速下，折合公式如下；

式中，n、Q、H、T分别表示任意工况下的转速、流量、扬程和扭矩；n_r、Q_r、H_r、T_r表示额定转速、额定流量、额定扬程和额定扭矩；

S3.2：取得离心泵需要仿真工况附近的数据，流量Q、扬程H、转速n，扭矩T，扭矩与效率η直接相关具体公式如下，进行数据处理，得到平滑数据线，完成建模；

式中，η表示离心泵总效率，ω表示离心泵角速度，Δp表示离心泵压差；

S4：对齿轮泵建模

S4.1：齿轮泵建模分为机械效率和容积效率建模，关系如下公式表述；

η＝η_v*η_m

式中，总效率η，包括容积效率η_v，机械效率η_m；

S4.2：采用数据建模方式，对齿轮泵容积效率和机械效率建模，公式如下：

式中，Δp表示进出口压差，N_s表示齿轮泵额定转速，V_r表示额定排量，齿轮泵输入轴功率为P₀，体积流量Q_v；

S4.3：得到不同工况点下数据，易于获得的参数包括总效率η和齿轮泵增压压差Δp，进行插值法建模，得到全工况点下的数据，再利用如下计算公式得到发热功率P_h，加热到齿轮泵通过燃油；

式中，Δp表示进出口压差，齿轮泵发热功率P_h，流量Q_v，机械效率η_m；

S4.4：插值法进行预测建模，根据转速与实际测得数据标准转速线做比，根据压差和实际系统逆推压差做比，然后再根据压差比得到2个效率，再根据转速比得到所求效率；

η＝x*Δp+y

式中，总效率η和压差Δp成一次线性关系，f(x,y)表示转速比，转速比不同时，斜率x和初值y均不同，N表示任意转速，N_s表示额定转速。

本发明的有益效果：本发明提出了一种航空发动机燃油调节系统机械液压回油热仿真在Flowmaster平台建模方法，能够精确地模拟齿轮泵、离心泵以及回油活门组件构成的回路油温变化，对比AMESim建模得到很大简化，并且能够得到理想的温度、压力和流量分析；同时，提出的回油组合活门拆解建模方案对其他机械液压系统热仿真建模有很大指导性；本发明提出的与MATLAB/Simulink联合仿真，不仅可以优化控制器参数，可以快速利用软件自带PID控制器建模，还可以把Simulink上成熟的控制策略直接应用到Flowmaster平台上，这有很大的普适性，可以为其他类型发动机燃调系统热温模型仿真提供参考。

附图说明

图1为本发明的总体建模示意图；

图2联合仿真Simulink端处理策略示意图；

图3为粒子群迭代Flowmaster控制器元件更新示意图；

图4为在工况点转速N＝5300，Q＝270，本文方法动态仿真控制器输出即活门开度面积变化结果示意图；

图5为在工况点转速N＝5300，Q＝270，本文方法动态仿真回油温度变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图及技术方案，对本发明实施例做进一步详细说明。

本发明的流程示意图如图1所示，具体步骤如下：

S1：根据已知的燃油调节系统结构原理图，对发动机燃油调节系统回油组合活门进行搭建模型，主要包括回油活门、计量活门和压差活门等效机构；

S1.1：首先确定打开回油活门方式，通过计量前后压差，控制回油活门开度，压差活门起到中间传递和控制作用，有下面公式；

式中，μ表示流量系数，ρ为流过流体密度，Δp为流过流体两端压差推出下面公式:

式中，X为回油活门动作位移，Q1为供油流量，K为供油和回油开度反比系数

压差活门和回油活门关系根据不同工况采用切换PI参数控制器策略进行调节控制，根据高低转速、高低供油量两个组合切换控制，给出的PI参数采用插值法平滑切换；

S1.2：切换控制器输出和限幅后，引出一个比较环节，控制器输出X0，经过限幅后X1，若判定做差结果绝对值大于0，强制控制器累积项(积分项)输入为0；

S1.3：切换PI控制器需要进行调参，搭建Flowmaster和MATLAB/Simulink联合仿真模型(见图2)，采用已有的粒子群优化方案，编写m文件程序，使用SIM函数调用Simulink联合仿真模型优化Flowmaster模型里的PI控制器参数,粒子群公式如下：

V(k+1)＝ωV(k)+c₁r₁(P_b-X(k))+c₂r₂(P_g-X(k))

X(k+1)＝X(k)+V(k+1)

式中，V(k)表示更新方向和速度，X(k)表示迭代一次位置值，P_b表示个体中最优，P_g表示整体中最优，c₁，c₂表示学习因子，ω表示权重。

S2：对高压关断活门进行建模

S2.1：采用解析方式，把高压关断分开建模，作动部分使用弹簧和作动筒配合建模，输入为高压关断活门入口高压P1，离心泵出口低压P2；输出距离即为活门位移；

式中，k₀为弹簧劲度系数，S为作用面积，F₀为初始预紧力

S2.2：在输出位移和高压关断中间加入一阶惯性环节，在Flowmaster软件内直接搭建,原理如下公式既可以完成建模；

式中，T为惯性时间常数

S3：对离心泵进行建模

S3.1：首先取得离心泵额定数据和出厂标定试验数据，还包括包括额定流量Q_r、额定扬程H_r、额定转速n_r和额定扭矩T_r。采用归一化方法，对离心泵扬程流量曲线、扭矩流量曲线各转速下折合到额定转速下，具体算式如下表格1(便于查阅，取额定转速3100)；

表格1 离心泵归一化数据处理

	转速rpm	流量10<sup>3</sup>*m<sup>3</sup>/s	扬程m	效率％	扭矩N*m
						任意工况	2973	0.32887	18.287	11.51	9.8537948
归一化处理	3100	0.34292	19.8827	-----	11.171304

S3.2：取得离心泵需要仿真工况附近的数据，绘制流量扬程曲线、流量扭矩曲线,使用MATLAB进行数据处理，得到平滑数据线，完成建模；

S4：对齿轮泵建模

S4.1：齿轮泵建模分为机械效率和容积效率建模，关系如下公式表述；

η＝η_v*η_m

式中，总效率η，包括容积效率η_v，机械效率η_m

S4.2：采用数据建模方式，对齿轮泵容积效率和机械效率建模，主要原理如下公式；

式中，Δp表示进出口压差，N_s表示齿轮泵额定转速,V_r表示额定排量，齿轮泵输入轴功率为P₀，体积流量Q_v

S4.3：得到不同工况点下数据，易于获得的参数包括总效率η，和齿轮泵增压压差Δp，进行插值法建模，得到全工况点下的数据，再利用如下计算公式得到发热功率P_h，加热到齿轮泵通过燃油；

式中，Δp表示进出口压差，齿轮泵发热功率P_h，流量Q_v，机械效率η_m

S4.4：插值法进行预测建模，根据系统逆推计算数值，得到齿轮泵转速、压差，对两种曲线进行插值寻找。实际齿轮泵转速划分标准转速区域，每个分界线转化成两条关系曲线，齿轮泵压差与转速曲线、效率与压差曲线；

S5：对建好的模型进行联合仿真优化，得到不同工况和特殊状态下的PI控制器参数，仿真收敛效果如图3所示，在迭代一定步数后停止迭代，粒子群算法足以满足优化需求；

S6：根据得到的参数，进行Flowmaster模型仿真，给出阶跃输入，n＝5300,Q＝270,得到如图4的曲线，回油活门变化符合实际数据变化精度；然后得到温度仿真曲线如图5，对标后符合要求。

综上，采用以上方法，可以满足Flowmaster软件平台上燃调系统热仿真建模，温度仿真结果和变化趋势达到要求，这种方法是可行的。能够实现两款软件各取优势，达到资源最大利用。

Claims (1)

1.一种在Flowmaster软件平台上燃调系统热仿真快速建模和控制器调参方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据实际燃油调节系统结构，采用拆解方式，对发动机燃油调节系统回油组合活门进行搭建模型，包括回油活门、计量活门和压差活门等效机构；

S1.1：首先确定打开回油活门方式，通过计量前后压差，控制回油活门开度，压差活门起到中间传递和控制作用，直接设计位移控制器进行等效替代建模；

S1.2：在采集计量前后压差的传感器上设计输出限幅，控制器输出也有限幅，在控制器误差输入后加入一个判定环节，判定输入为控制器输出X₀，经过限幅后X₁；

x＝|X₀-X₁|

式中，若x大于0，改控制器积分项输入为0，等效阀门最大开度；

S1.3：设计切换控制器参数配置策略，采用和MATLAB/Simulink联合仿真，Flowmaster程序在Simulink里是S-Function函数，使用M文件调用程序迭代，联合仿真环境合理配置接口即可进行；

S2：对高压关断活门进行建模

S2.1：采用解析方式，把高压关断分开建模，作动部分使用弹簧和作动筒配合建模，输入为高压关断活门入口高压P1，离心泵出口低压P2；输出距离即为活门位移；

S2.2：在输出位移和高压关断中间加入一阶惯性环节，在Flowmaster软件内直接搭建，如下：

式中，Ts为惯性时间常数，合理选取数值能有效的消除建模毛刺现象；

S3：对离心泵进行建模

S3.1：首先取得离心泵额定数据，包括转速、流量、扬程和扭矩；采用归一化方法，对离心泵扬程流量曲线、扭矩流量曲线各转速下折合到额定转速下，折合公式如下；

式中，n、Q、H、T分别表示任意工况下的转速、流量、扬程和扭矩；n_r、Q_r、H_r、T_r表示额定转速、额定流量、额定扬程和额定扭矩；

S3.2：取得离心泵需要仿真工况附近的数据，流量Q、扬程H、转速n，扭矩T，扭矩与效率η直接相关具体公式如下，进行数据处理，得到平滑数据线，完成建模；

式中，η表示离心泵总效率，ω表示离心泵角速度，Δp表示离心泵压差；

S4：对齿轮泵建模

S4.1：齿轮泵建模分为机械效率和容积效率建模，关系如下公式表述；

η＝η_v*η_m

式中，总效率η，包括容积效率η_v，机械效率η_m；

S4.2：采用数据建模方式，对齿轮泵容积效率和机械效率建模，公式如下：

式中，Δp表示进出口压差，N_s表示齿轮泵额定转速，V_r表示额定排量，齿轮泵输入轴功率为P₀，体积流量Q_v；

S4.3：得到不同工况点下数据，易于获得的参数包括总效率η和齿轮泵增压压差Δp，进行插值法建模，得到全工况点下的数据，再利用如下计算公式得到发热功率P_h，加热到齿轮泵通过燃油；

式中，Δp表示进出口压差，齿轮泵发热功率P_h，流量Q_v，机械效率η_m；

S4.4：插值法进行预测建模，根据转速与实际测得数据标准转速线做比，根据压差和实际系统逆推压差做比，然后再根据压差比得到2个效率，再根据转速比得到所求效率；

η＝x*Δp+y

式中，总效率η和压差Δp成一次线性关系，f(x,y)表示转速比，转速比不同时，斜率x和初值y均不同，N表示任意转速，N_s表示额定转速。

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