CN112213106A - 一种直升机apu起动载荷模拟系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直升机APU起动载荷模拟系统，包括APU起动载荷模拟装置以及控制系统，所述APU起动载荷模拟装置包括APU起动液压马达和负载装置，所述负载装置包括扭矩转速传感器、惯量模拟机构、扭矩传感器以及加载液压马达；当APU起动液压马达以设定的角加速度启动后，惯量模拟装置将产生对应的惯性负载，并传递给APU起动液压马达；同时，惯量模拟装置将其高速端的输入转速按照设定的速比减少后输出到加载液压马达，加载液压马达将被动地跟随APU起动液压马达旋转；在转动过程中，控制系统将实时地检测APU液压马达的输出转速，以解算对应的模拟负载指令并发送给负载模拟器，由负载模拟器对加载液压马达的输出载荷进行控制，从而完成可设定负载的模拟。

Description

一种直升机APU起动载荷模拟系统
技术领域
本发明属于电液伺服控制设计领域，具体涉及一种直升机APU起动载荷模拟系统。
背景技术
辅助动力系统(简称APU：Auxiliary power unit)是装在直升机上的一套不依赖机外任何能源、自成独立体系的小型动力装置，用于地面起动主发动机(APU正常运转之后，APU的压气机压缩空气，将该空气输送到主发动机，用于起动主发动机)并为地面操作提供电源以及提供空中应急电源。在某型直升机上首次采用蓄压器驱动液压马达，从而带动APU至APU起动成功的液压起动方案，在液压系统地面全模拟试验中完成APU起动系统的性能参数检测、可靠性水平验证的地面试验具有十分重要的现实意义
APU液压起动系统中液压马达的负载即为APU，包括APU转动部分转动惯量、压气机工作时所需克服的空气阻力、摩擦阻力等。在液压系统地面全模拟试验台上安装机上APU，不仅大幅增加了试验成本而且严重影响试验进度会使试验周期延长，因此只要在地面试验室条件下能为APU起动液压系统完成相关试验提供所必需的负载，复现其近似的工作状态就可满足其试验要求，然而现有技术中尚没有此类的载荷模拟方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种直升机APU起动载荷模拟系统，用于在地面试验室条件下不安装机上APU时为APU起动系统相关试验完成负载模拟。
为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
一种直升机APU起动载荷模拟系统，包括APU起动载荷模拟装置以及控制系统；所述APU起动载荷模拟装置包括APU起动液压马达和负载装置，所述负载装置包括扭矩转速传感器、惯量模拟机构、扭矩传感器以及加载液压马达；所述APU起动液压马达为直升机上的APU起动单元中的液压马达，APU起动液压马达通过蓄压器驱动起动后，带动所述APU起动负载装置运转；所述APU起动负载装置用于模拟APU转动部分的转动惯量、压气机工作时所需克服的空气阻力、摩擦阻力等；所述扭矩转速传感器用于反映APU起动单元所承受的模拟外负载，包括模拟机构产生的扭矩和加载液压马达加载的载荷谱扭矩；所述惯量模拟机构用于模拟APU外负载的角惯量；所述惯量模拟机构包括惯量盘与减速器，其中惯量盘用于提供外负载的角惯量，减速器用于对加载液压马达输出的转速进行减速；所述扭矩传感器用于实现除惯量盘产生的扭矩之外的加载载荷谱扭矩，所述扭矩为加载液压马达所需要控制精度的扭矩；所述加载液压马达用于提供加载载荷谱扭矩，其中载荷谱扭矩是模拟由于压气机工作时所需克服的空气阻力、摩擦阻力而产生的扭矩；
当APU起动液压马达以设定的角加速度启动后，惯量模拟装置将产生对应的惯性负载，并传递给APU起动液压马达；同时，惯量模拟装置将其高速端的输入转速按照设定的速比减少后输出到加载液压马达，加载液压马达将被动地跟随APU起动液压马达旋转；在转动过程中，控制系统将实时地检测APU液压马达的输出转速，以解算对应的模拟负载指令并发送给负载模拟器，由负载模拟器对加载液压马达的输出载荷进行控制，从而完成可设定负载的模拟。
进一步地，所述控制系统包括负载模拟器，负载模拟器包括复合控制器、伺服阀、试验控制器，其中，复合控制器通过伺服阀调节加载液压马达，试验控制器通过人机接口获取设定的载荷曲线，并获取扭矩传感器采集的扭矩信息、扭矩转速传感器采集的扭矩转速信息发送给复合控制器，以使得复合控制器进行闭环控制。
进一步地，所述复合控制器进行闭环控制的过程包括：
复合控制器根据当前状态扭矩转速传感器反馈的转速信息，解算得到当前状态下期望APU起动液压马达输出载荷的控制量，对控制量进行D/A转换及功率放大后发送给伺服阀，由伺服阀根据控制量对加载液压马达输出的实际载荷实现差值的精确控制和变化；扭矩传感器检测的扭矩作为加载液压马达给出的需要控制精度的扭矩，扭矩转速传感器检测的扭矩作为APU起动液压马达的实际输出力矩监测，根据测试到的数据结合加载载荷谱实现闭环控制。
进一步地，在对加载液压马达进行控制的过程中，对于APU起动液压马达在转速上存在波动而导致输出载荷存在多余力偏差，通过复合控制器根据扭矩转速传感器反馈的信息进行计算后得到补偿控制量，利用该补偿控制量去消除或减小多余力引起的控制误差。
进一步地，由安装在阀块上并与加载液压马达进回油腔相连的安全保护阀通过卸压实现安全保护功能。
进一步地，试验控制器、复合控制器及安全保护阀协调运行，实时监测试验过程的状态，对系统提供切实有效的安全保障措施。
进一步地，所述安全保护阀可由计算机控制柜的急停按钮或复合控制器激活，其中急停按钮为人工操纵，复合控制器为自动方式；复合控制器只会在输出载荷、转速等物理量的实际值超出设定的安全值后启动激活指令。
进一步地，加载液压马达和APU液压马达采取对扭方式加载，加载载荷模拟依靠加载液压马达来实现，加载力的大小由电液伺服阀控制管路压力来完成。
进一步地，将扭矩转速传感器放置在APU起动液压马达的近端，可较为真实的反映APU起动单元所承受的惯量盘产生的扭矩和加载马达加载载荷谱扭矩；将扭矩传感器放置在加载液压马达的近端，可实现除惯量盘产生的扭矩之外的加载载荷谱扭矩，这是加载马达给出的需要控制精度的扭矩。
与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：
1.本发明可在地面试验室条件下不安装机上APU时为APU起动系统相关试验完成负载模拟，同时可以进行参数计算及调整、安全保护、试验控制等，并对APU液压马达的速度负载特性、最大承载能力、速度刚性、功率特性及效率等参数或特性进行检测，快速地根据APU蓄压器液压起动系统中液压马达的高转速状态实时给出对应的外负载，复现了其近似的工作状态。
2.本发明采用模块化设计原则，设计通用性好、可靠性高，解决了高速运转状态下的载荷控制、瞬间启动或换向时的强迫流量冲击问题，对系统提供了切实有效的安全保障措施，降低了试验成本、缩短了试验周期、提高了试验效率。
附图说明
图1为本发明的直升机APU起动载荷模拟系统的结构示意图；
图2为本发明系统的原理框图。
具体实施方式
参见图1，本发明公开了一种直升机APU起动载荷模拟系统，包括APU起动载荷模拟装置以及控制系统，其中：
所述APU起动载荷模拟装置包括APU起动液压马达和负载装置，所述负载装置包括扭矩转速传感器、惯量模拟机构、扭矩传感器以及加载液压马达；所述APU起动液压马达为直升机上的APU起动单元中的液压马达，APU起动液压马达通过蓄压器驱动起动后，带动所述APU起动负载装置运转；所述APU起动负载装置用于模拟APU转动部分的转动惯量、压气机工作时所需克服的空气阻力、摩擦阻力等；所述扭矩转速传感器用于反映APU起动单元所承受的模拟外负载，包括模拟机构产生的扭矩和加载液压马达加载的载荷谱扭矩；所述惯量模拟机构用于模拟APU外负载的角惯量；所述惯量模拟机构包括惯量盘与减速器，其中惯量盘用于提供外负载的角惯量，减速器用于对加载液压马达输出的转速进行减速；所述扭矩传感器用于实现除惯量盘产生的扭矩之外的加载载荷谱扭矩，该扭矩为加载液压马达所需要控制精度的扭矩；所述加载液压马达用于提供加载载荷谱扭矩，其中载荷谱扭矩是模拟由于压气机工作时所需克服的空气阻力、摩擦阻力而产生的扭矩。
所述控制系统包括负载模拟器，负载模拟器包括复合控制器、伺服阀、试验控制器。
当APU起动液压马达以设定的角加速度启动后，惯量模拟装置将产生对应的惯性负载，并传递给APU起动液压马达；同时，惯量模拟装置将其高速端的输入转速按照设定的速比减少后输出到加载液压马达，加载液压马达将被动地跟随APU起动液压马达旋转；在转动过程中，控制系统将实时地检测APU液压马达的输出转速，以解算对应的模拟负载指令并发送给负载模拟器，由负载模拟器对加载液压马达的输出载荷进行控制，从而完成可设定负载的模拟(可设定负载用于模拟等效阻尼、摩擦等其他负载，可设定的形式包括恒载、标准载荷及自定义载荷等)；具体过程如下：
试验控制器通过人机接口获取设定的载荷曲线(所述的载荷曲线例如可以为试验过程的速度－载荷曲线，曲线类型可为自定义曲线或标准载荷曲线或恒载曲线)的数据信息并发送给复合控制器，同时通过第一测试模块从扭矩传感器获取扭矩信息，通过第二测试模块从扭矩转速传感器获取扭矩和转速信息，将所述扭矩信息、扭矩和转速信息发送给复合控制器；复合控制器根据当前状态扭矩转速传感器反馈的转速信息，解算得到当前状态下期望APU起动液压马达输出载荷的控制量，对控制量进行D/A转换及功率放大后发送给伺服阀，由伺服阀根据控制量对加载液压马达输出的实际载荷实现差值的精确控制和变化；扭矩传感器检测的扭矩作为加载液压马达给出的需要控制精度的扭矩，扭矩转速传感器检测的扭矩作为APU起动液压马达的实际输出力矩监测，根据测试到的数据结合加载载荷谱实现闭环控制。
在对加载液压马达进行控制的过程中，由于APU起动液压马达在转速上存在波动或角加速度的可能，这会导致输出载荷存在多余力偏差，该多余力偏差也是通过复合控制器根据扭矩转速传感器反馈的信息进行计算后得到补偿控制量，通过该补偿控制量去消除或减小多余力引起的控制误差。
在试验过程中，为了保护实验人员和被试设备的安全，由安装在阀块上并与加载液压马达进回油腔相连的安全保护阀通过卸压实现安全保护功能；试验控制器、复合控制器及安全保护阀将协调运行，实时监测试验过程的状态，对系统提供切实有效的安全保障措施。安全保护阀可由计算机控制柜的急停按钮或复合控制器激活，其中急停按钮为人工操纵，复合控制器为自动方式；复合控制器只会在输出载荷、转速等物理量的实际值超出设定的安全值后启动激活指令，但其响应速度非常快。
本发明可以以工业控制计算机作为伺服控制平台，根据设定的载荷谱实现对加载液压马达输出扭矩的精确控制，对APU起动液压马达施加对应的扭矩模拟载荷，完成液压系统地面全模拟试验中APU起动液压系统的相关试验。加载液压马达和APU液压马达采取对扭方式加载，加载载荷模拟依靠加载液压马达来实现，加载力的大小由电液伺服阀控制管路压力来完成。
在其他类型试验中，对载荷的控制原理是基本相同的，只是对APU的运行操作模式存在不同，当APU运行特性存在改变时，则需要根据运行特性利用试验控制器和复合控制器会对控制过程进行修正。
在本方案进行试验过程中，APU起动液压马达高速运转状态下，加载液压马达也要跟随其高速转动，同时还需给APU马达提供模拟载荷。当采用惯量模拟机构来进行功率传动后，可降低加载液压马达的速度要求；在系统压力保持不变的情况下，便能大幅降低伺服阀开口的流量要求，同时也能使伺服阀尽量工作在小开口状态，这是对载荷控制是有利的。采用惯量模拟机构降低运行速度传动，APU起动液压马达的转速大波动体现在加载液压马达端便是较小的波动，这对载荷控制及多余力校正是有利的。因此，系统的载荷控制主要是解决加载液压马达旋转跟踪APU起动液压马达高速旋转运动情况下，伺服阀开口流量快速变化时，力矩控制闭环的稳定性和快速性，这是一对矛盾的特性。通过选取频带较高，合适流量的伺服阀予以一定程度的改善。
在APU起动系统启动的瞬间或模拟载荷换向的瞬间，由于伺服阀工作特性及闭环响应的原因，伺服阀阀芯会从零开口位置向正或负方向快速运动，从而引起加载液压马达两腔油液强迫流量的变化，这体现在外部的现象则是对减速器和APU起动装置的载荷冲击，这一冲击载荷的量级还是比较大的。在力矩控制闭环响应速度足够快的情况下，可有效的减小这一冲击载荷，选取预开口的伺服阀、降低连接传动机构的刚性对抑制这一冲击也是有利的。
以上实施例仅用于说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种直升机APU起动载荷模拟系统，其特征在于，包括APU起动载荷模拟装置以及控制系统；所述APU起动载荷模拟装置包括APU起动液压马达和负载装置，所述负载装置包括扭矩转速传感器、惯量模拟机构、扭矩传感器以及加载液压马达；所述APU起动液压马达为直升机上的APU起动单元中的液压马达，APU起动液压马达通过蓄压器驱动起动后，带动所述APU起动负载装置运转；所述APU起动负载装置用于模拟APU转动部分的转动惯量、压气机工作时所需克服的空气阻力、摩擦阻力等；所述扭矩转速传感器用于反映APU起动单元所承受的模拟外负载，包括模拟机构产生的扭矩和加载液压马达加载的载荷谱扭矩；所述惯量模拟机构用于模拟APU外负载的角惯量；所述惯量模拟机构包括惯量盘与减速器，其中惯量盘用于提供外负载的角惯量，减速器用于对加载液压马达输出的转速进行减速；所述扭矩传感器用于实现除惯量盘产生的扭矩之外的加载载荷谱扭矩，所述扭矩为加载液压马达所需要控制精度的扭矩；所述加载液压马达用于提供加载载荷谱扭矩，其中载荷谱扭矩是模拟由于压气机工作时所需克服的空气阻力、摩擦阻力而产生的扭矩；
当APU起动液压马达以设定的角加速度启动后，惯量模拟装置将产生对应的惯性负载，并传递给APU起动液压马达；同时，惯量模拟装置将其高速端的输入转速按照设定的速比减少后输出到加载液压马达，加载液压马达将被动地跟随APU起动液压马达旋转；在转动过程中，控制系统将实时地检测APU液压马达的输出转速，以解算对应的模拟负载指令并发送给负载模拟器，由负载模拟器对加载液压马达的输出载荷进行控制，从而完成可设定负载的模拟。
2.根据权利要求1所述的直升机APU起动载荷模拟系统，其特征在于，所述控制系统包括负载模拟器，负载模拟器包括复合控制器、伺服阀、试验控制器，其中，复合控制器通过伺服阀调节加载液压马达，试验控制器通过人机接口获取设定的载荷曲线，并获取扭矩传感器采集的扭矩信息、扭矩转速传感器采集的扭矩转速信息发送给复合控制器，以使得复合控制器进行闭环控制。
3.根据权利要求1所述的直升机APU起动载荷模拟系统，其特征在于，所述复合控制器进行闭环控制的过程包括：
复合控制器根据当前状态扭矩转速传感器反馈的转速信息，解算得到当前状态下期望APU起动液压马达输出载荷的控制量，对控制量进行D/A转换及功率放大后发送给伺服阀，由伺服阀根据控制量对加载液压马达输出的实际载荷实现差值的精确控制和变化；扭矩传感器检测的扭矩作为加载液压马达给出的需要控制精度的扭矩，扭矩转速传感器检测的扭矩作为APU起动液压马达的实际输出力矩监测，根据测试到的数据结合加载载荷谱实现闭环控制。
4.根据权利要求1所述的直升机APU起动载荷模拟系统，其特征在于，在对加载液压马达进行控制的过程中，对于APU起动液压马达在转速上存在波动而导致输出载荷存在多余力偏差，通过复合控制器根据扭矩转速传感器反馈的信息进行计算后得到补偿控制量，利用该补偿控制量去消除或减小多余力引起的控制误差。
5.根据权利要求1所述的直升机APU起动载荷模拟系统，其特征在于，由安装在阀块上并与加载液压马达进回油腔相连的安全保护阀通过卸压实现安全保护功能。
6.根据权利要求1所述的直升机APU起动载荷模拟系统，其特征在于，试验控制器、复合控制器及安全保护阀协调运行，实时监测试验过程的状态，对系统提供切实有效的安全保障措施。
7.根据权利要求1所述的直升机APU起动载荷模拟系统，其特征在于，所述安全保护阀可由计算机控制柜的急停按钮或复合控制器激活，其中急停按钮为人工操纵，复合控制器为自动方式；复合控制器只会在输出载荷、转速等物理量的实际值超出设定的安全值后启动激活指令。
8.根据权利要求1所述的直升机APU起动载荷模拟系统，其特征在于，加载液压马达和APU液压马达采取对扭方式加载，加载载荷模拟依靠加载液压马达来实现，加载力的大小由电液伺服阀控制管路压力来完成。
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