CN112696374B - 一种航空发动机喘振信号的气压模拟系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的是一种航空发动机喘振信号的气压模拟系统及其控制方法，其目的在于设计一种低成本、低风险、高置信度的喘振信号模拟系统，保证传感器参与试验的前提下，将实测的压气机喘振动态压力数字信号还原成真实的动态压力，实现宽范围脉动压力幅值及频率的气压和气压差模拟，真实再现各类发动机的喘振压力信号。其结构包括气压调控腔、充气阀组、放气阀组、高压气源及控制单元。气压调控腔包括内部结构完全一致的脉动调控腔和基准调控腔，保证了喘振检测装置的实验条件和工作条件的一致性。放气阀组包括放气比例阀、幅值调节比例阀和高频脉动旋转阀，利用阀组切换实现低频脉动气压精细模拟与高频脉动气压宽范围模拟。
Description
技术领域
本发明涉及一种航空发动机喘振信号的气压模拟系统及其控制方法，可用于发动机控制系统半物理模拟试验，属于航空发动机气动稳定性控制技术领域。
背景技术
喘振作为发动机的典型气动不稳定流态，是存在于整个压缩系统内的轴对称不稳定流动，表现为通过系统的流量和压气机出口压力等参数都随着时间在发动机轴向上作低频脉动。这种脉动使得发动机的效率和性能大大降低，在严重的情况下，还将引起发动机故障甚至破坏，从而导致灾难性的后果，因此消喘控制已成为现代航空发动机控制系统的一个重要组成部分。
消喘控制首先需要判别发动机是否进入喘振，因此喘振检测装置的有效性和可靠性对保障航空发动机稳定可靠运行有着重大意义。
目前工程上验证喘振检测装置有效性主要有两种方式：一是基于压气机逼喘试验或历史实验数据，直接验证喘振判定方法。然而压气机逼喘试验是一种高难度、高消耗、高风险和长周期的试验项目，难以对喘振检测装置进行多次验证。二是将逼喘的实验数据采取电信号模拟的方法，直接对控制系统输入一系列可变周期的脉冲信号来模拟发动机喘振，但发动机实际工况中的喘振本质为气流振荡，电信号难以保证符合实际喘振时的特征。此外，这两种方式均未有传感器的参与，只是单一的验证喘振检测的判断逻辑。
专利CN203630543U公开了一种喘振模拟装置，通过气流的通断来模拟发动机喘振，但控制气流通断仅能模拟喘振信号的频率特征，其脉动幅度、脉动规律无法控制；专利CN102636247A公开了一种压气机喘振检测装置的实验方法，通过气缸内气体体积的改变以产生接近数字信号的动态压力，该方法由于并未考虑活塞-气缸结构的限制，难以模拟出稳定的高频气压信号，具有一定局限性。
发明内容
本发明提出的是一种航空发动机喘振信号的气压模拟系统及其控制方法，其目的在于设计一种低成本、低风险、高置信度的喘振信号模拟系统，保证传感器参与试验的前提下，实现宽范围脉动压力幅值及频率的气压和气压差模拟，真实再现各类发动机的喘振压力信号，直接使用传感器数据对喘振检测装置验证其有效性。
本发明的技术解决方案：
一种航空发动机喘振信号的气压模拟系统，其结构包括气压调控腔、充气阀组、放气阀组、高压气源及控制单元。高压气源连通充气阀组，充气阀组通过开孔连接气压调控腔；气压调控腔开孔处连接放气阀组，放气阀组连通大气；
所述控制单元包括控制器、压力传感器组、阀组驱动板；压力传感器组与所述控制器通讯连接，控制器的信号输出端连接阀组驱动板的信号输入端；所述压力传感器组连接气压调控腔，检测气压调控腔的压力Pm；所述阀组驱动板信号输出端连接充气阀组和放气阀组的信号输入端。
气压调控腔包括脉动调控腔和基准调控腔；所述脉动调控腔与基准调控腔分别与充气阀组、放气阀组、压力传感器组相连通。
充气阀组包括充气比例阀1、充气开关阀3、基准充气比例阀7；放气阀组包括放气比例阀2、基准放气比例阀8以及脉动放气单元。高压气源通过充气比例阀1和充气开关阀3连接脉动调控腔，脉动调控腔通过放气比例阀2和脉动放气单元连通大气；高压气源通过基准充气比例阀7连接基准调控腔，基准调控腔通过基准放气比例阀8连通大气。
进一步地，所述基准调控腔与脉动调控腔内部结构完全相同；充气比例阀1与基准充气比例阀7接收的动作命令完全一致；放气比例阀2与基准放气比例阀8接收的动作命令完全一致。
作为优选方案，所述脉动放气单元为低频脉动开关阀4。
作为优选方案，所述脉动放气单元为高频脉动旋转阀6。
作为优选方案，所述脉动放气单元结构包括低频脉动开关阀4和高频脉动旋转阀6,低频脉动开关阀4、高频脉动旋转阀6和脉动调控腔通过T型管连接。
进一步地，所述高频脉动旋转阀6结构包括外壳6-1、旋转圆盘6-2、卡簧6-3及驱动电机；驱动电机连接控制单元阀组驱动板，带动旋转圆盘6-2高频转动；外壳6-1和旋转圆盘6-2通过卡簧6-3配合转动连接；旋转圆盘6-2上设有若干个大小相同的通孔，各通孔到旋转圆盘6-2圆心的距离相同；外壳6-1上设有一个开孔，开孔大小与旋转圆盘6-2通孔一致，位置与所述通孔相对应，保证旋转阀工作时，各通孔实际通量上没有偏差。利用驱动电机带动旋转圆盘6-2转动，可使旋转圆盘6-2的通孔与外壳6-1的开孔实现周期性的重合与分离如同阀的通断，实现周期性放气。
进一步地，所述高频脉动旋转阀6与脉动调控腔之间通过幅值调节比例阀5连接。
进一步地，所述压力传感器组包括设备监控压力传感器和喘振探测传感器；设备监控压力传感器经调理电路连接控制器输入端；所述喘振探测传感器为发动机用真实喘振压力传感器，具体为气压式或压差式。
一种航空发动机喘振信号的气压模拟系统，其控制方法包括以下步骤：
1)控制器输入拟模拟喘振气压信号，对数据信号进行时频分析，获取拟模拟喘振气压信号的基准压力值Pst、脉动压力频率f及脉动压力幅值φ；
2)充气比例阀1与基准充气比例阀7开度调为零，放气比例阀2与基准放气比例阀8开到最小开度S2min；根据压力传感器组反馈信号及基准压力值Pst，控制器利用PID算法输出模拟电压通过阀组驱动板，从而调节控制充放气阀组比例阀的开度，使得传感器采集电压为Pst，即调节气压调控腔压力至基准压力值；
3)模拟脉动压力，根据脉动压力频率值，控制器决策出低频模式或高频模式；
4)低频模式：利用充气开关阀3、低频脉动开关阀4实现精细控制，控制器根据拟模拟喘振气压拟合波形的压力值与压力传感器采集的压力值差值给出合适占空比的PWM(脉冲宽度调制)信号，使得脉动调控腔的脉动压力及幅值跟随拟模拟喘振气压；
5)高频模式：利用幅值调节比例阀5、高频脉动旋转阀6配合充气开关阀3实现对喘振气压的脉动压力幅值及频率进行模拟，控制器根据拟模拟喘振气压脉动频率以及圆盘开孔个数确定驱动电机的转速，实现脉动压力的模拟；控制器根据压力传感器采集的压力值与拟模拟喘振气压脉动值的相对关系控制幅值调节比例阀5的开口大小，从而实现在脉动调控腔中对脉动幅值的模拟。
当脉动频率较低时，高频脉动旋转阀6单独用作放气阀时存在脉动幅值增大；同理，脉动频率较高时，脉动幅值减小；通过调节幅值调节比例阀5的来控制脉动幅值，解决旋转阀单独作为放气阀时存在的脉动频率与脉动幅值的耦合问题。
考虑到旋转阀的漏气问题，会导致基准压力值Pst的下降，通过控制的充气比例阀1与放气比例阀2的开度的调整从而实现对基准压力补偿。
本发明的有益效果：利用阀组切换实现低频脉动气压精细模拟与高频脉动气压宽范围模拟。本发明针对不同的发动机的喘振特点，实现宽范围的脉动压力幅值以及频率模拟，将实测的压气机喘振动态压力数字信号还原成真实的动态压力，解决了依靠压气机逼喘试验获取喘振信号的试验难度大、消耗成本高等问题，并且保证了喘振检测装置的实验条件和工作条件的一致性。
附图说明
附图1是航空发动机喘振气压模拟系统结构示意图；
附图2是高频脉动旋转阀部件图和结构示意图；
附图3是拟模拟喘振信号图；
附图4是高频脉动压力控制流程图。
附图中1是充气比例阀，2是放气比例阀，3是充气开关阀，4是低频脉动开关阀，5是幅值调节比例阀，6是高频脉动旋转阀，6-1是外壳，6-2是旋转圆盘，6-3是卡簧，7是基准充气比例阀，8是基准放气比例阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术方案做进一步解释说明。
对照附图1，一种航空发动机喘振信号的气压模拟系统，其结构包括气压调控腔、充气阀组、放气阀组、高压气源及控制单元。气压调控腔包括脉动调控腔和基准调控腔，基准调控腔与脉动调控腔内部结构完全相同；所述脉动调控腔与基准调控腔分别与充气阀组、放气阀组、压力传感器组相连通。
控制单元包括控制器、压力传感器组、阀组驱动板；压力传感器组与所述控制器通讯连接，控制器的信号输出端连接阀组驱动板的信号输入端；所述压力传感器组连接气压调控腔，检测气压调控腔的压力Pm；所述阀组驱动板信号输出端连接充气阀组和放气阀组的信号输入端。
压力传感器组包括设备监控压力传感器和喘振探测传感器；设备监控压力传感器经调理电路连接控制器输入端；所述喘振探测传感器为发动机用真实喘振压力传感器，具体为气压式或压差式。
充气阀组包括充气比例阀1、充气开关阀3、基准充气比例阀7；放气阀组包括放气比例阀2、基准放气比例阀8以及脉动放气单元。高压气源通过充气比例阀1和充气开关阀3连接脉动调控腔，脉动调控腔通过放气比例阀2和脉动放气单元连通大气；高压气源通过基准充气比例阀7连接基准调控腔，基准调控腔通过基准放气比例阀8连通大气。充气比例阀1与基准充气比例阀7接收的动作命令完全一致；放气比例阀2与基准放气比例阀8接收的动作命令完全一致。
脉动放气单元结构包括低频脉动开关阀4和高频脉动旋转阀6,低频脉动开关阀4、高频脉动旋转阀6和脉动调控腔通过T型管连接；高频脉动旋转阀6与脉动调控腔之间通过幅值调节比例阀5连接。
对照附图2，高频脉动旋转阀6结构包括外壳6-1、旋转圆盘6-2、卡簧6-3及驱动电机；驱动电机连接控制单元阀组驱动板，带动旋转圆盘6-2高频转动；外壳6-1和旋转圆盘6-2通过卡簧6-3配合转动连接；旋转圆盘6-2上设有若干个大小相同的通孔，各通孔到旋转圆盘6-2圆心的距离相同；外壳6-1上设有一个开孔，开孔大小与旋转圆盘6-2通孔一致，位置与所述通孔相对应，保证旋转阀工作时，各通孔实际通量上没有偏差。利用驱动电机带动旋转圆盘6-2转动，可使旋转圆盘6-2的通孔与外壳6-1的开孔实现周期性的重合与分离如同阀的通断，实现周期性放气。
一种航空发动机喘振信号的气压模拟系统，其控制方法包括以下步骤：
1)控制器输入拟模拟喘振气压信号，对数据信号进行时频分析，获取拟模拟喘振气压信号的基准压力值Pst、脉动压力频率f及脉动压力幅值φ；
2)充气比例阀1与基准充气比例阀7开度调为零，放气比例阀2与基准放气比例阀8开到最小开度S2min；根据压力传感器组反馈信号及基准压力值Pst，控制器利用PID算法输出模拟电压通过阀组驱动板，从而调节控制充放气阀组比例阀的开度，使得传感器采集电压为Pst，即调节气压调控腔压力至基准压力值；
3)模拟脉动压力，根据脉动压力频率值，控制器决策出低频模式或高频模式；
4)低频模式：利用充气开关阀3、低频脉动开关阀4实现精细控制，控制器根据拟模拟喘振气压拟合波形的压力值与压力传感器采集的压力值差值给出合适占空比的PWM(脉冲宽度调制)信号，使得脉动调控腔的脉动压力及幅值跟随拟模拟喘振气压；
5)高频模式：利用幅值调节比例阀5、高频脉动旋转阀6配合充气开关阀3实现对喘振气压的脉动压力幅值及频率进行模拟，控制器根据拟模拟喘振气压脉动频率以及圆盘开孔个数确定驱动电机的转速，实现脉动压力的模拟；控制器根据压力传感器采集的压力值与拟模拟喘振气压脉动值的相对关系控制幅值调节比例阀5的开口大小，从而实现在脉动调控腔中对脉动幅值的模拟。
当脉动频率较低时，高频脉动旋转阀6单独用作放气阀时存在脉动幅值增大；同理，脉动频率较高时，脉动幅值减小；通过调节幅值调节比例阀5的来控制脉动幅值，解决旋转阀单独作为放气阀时存在的脉动频率与脉动幅值的耦合问题。
考虑到旋转阀的漏气问题，会导致基准压力值Pst的下降，通过控制的充气比例阀1与放气比例阀2的开度的调整从而实现对基准压力补偿。
实施例1
气压模拟系统中，充气比例阀1、放气比例阀2、幅值调节比例阀5、基准充气比例阀7、基准放气比例阀8为比例流量阀；充气开关阀3、低频脉动开关阀4采用双通螺线管高速开关阀，该双通螺线管高速开关阀能够达到100Hz的开关速度；设备监控压力传感器为标准外购件，输出4～20mA；所述控制器为NI公司生产的具有精确实时控制、模拟电压采集及输出、数字信号输出工业级实时嵌入式控制器NI cRIO-9074；控制器输出的信号包括控制放气比例阀2、幅值调节比例阀5、基准充气比例阀7、基准放气比例阀8的模拟信号，控制充气开关阀3、低频脉动开关阀4的PWM(脉冲宽度调制)信号，控制高频脉动旋转阀6电机转速的PWM(脉冲宽度调制)信号。控制器输入信号为设备监控压力传感器为标准外购件输出4～20mA经调理后的0～10V电压信号。
将存有拟模拟喘振压力信号的文件通过TCP/IP传输到控制器，对数据进行时频分析，结果如图3所示，获取拟模拟喘振压力信号的基准压力值Pst、脉动压力频率f及脉动压力幅值φ。
模拟基准压力时，首先控制器通过压力传感器检测气压调控腔的压力Pm，根据获取的基准压力值Pst，控制器通过阀驱动电路增大充气比例阀1的开度或降低放气比例阀2的开度使得气压调控腔的基准压力升高，控制器通过阀驱动电路增大开启放气比例阀2的开度或降低充气比例阀1的开度使得气压调控腔的基准压力降低。基准调控腔的调控中比例阀7的命令同步比例阀1，比例阀8的命令同步比例阀2从而调节气压调控腔压力至基准压力值：
1)将充气比例阀1开度调为零，放气比例阀2开孔开到最小开度S2min；
2)根据压力传感器反馈信号及基准压力值Pst的差值，控制器利用PID算法输出模拟电压通过阀驱动电路到充气比例阀1，从而调节控制充气比例阀1的开度，使得传感器采集电压为Pst。
模拟脉动压力时，根据脉动压力频率值，控制器决策出低频模式或高频模式；
低频模式：关闭幅值调节比例阀5，接通充气开关阀3、低频脉动开关阀4，实现喘振脉动压力频率及脉动压力幅值模拟。利用充气开关阀3、低频脉动开关阀4实现精细控制，即此模式下，不仅可以对喘振气压的脉动压力幅值及频率进行模拟还可以模拟其气压变化波形。该模式下，控制器根据拟模拟喘振气压拟合波形的压力值与压力传感器采集的压力值的差值e输出合适占空比的PWM(脉冲宽度调制)信号。如表1所示，根据误差e的大小给出不同的控制策略，其中u(3)、u(4)分别为控制器计算出的该阀对应的开启占空比通过阀驱动电路从而控制充气开关阀3、低频脉动开关阀4，使得脉动调控腔的脉动压力及幅值跟随拟模拟喘振气压。
| e≥Sp | St≤e＜Sp | -St≤e<St | St≤e＜Sp | e≤-Sp | |
| 充气开关阀3 | u(3) | u(3) | 关闭 | 关闭 | 关闭 |
| 低频脉动开关阀4 | 关闭 | 关闭 | 关闭 | u(4) | u(4) |
表1
高频模式：关闭低频脉动开关阀4，接通幅值调节比例阀5、高频脉动旋转阀6，实现对喘振气压的脉动压力幅值及频率进行模拟。首先需要考虑的问题为旋转阀的漏气问题。由于机械结构不可避免使得外壳6-1与旋转圆盘6-2之间存在漏气，会导致Pst的下降，该问题可通过增大充气比例阀1的开度从而实现对基准压力补偿调整。然后考虑到旋转阀6单独用作放气阀时存在当脉动频率较低时，会造成脉动幅值增大的问题，同理，脉动频率较高时，会造成脉动幅值减小的问题，可利用幅值调节比例阀5与高频脉动旋转阀6相结合，可通过幅值调节比例阀5的来控制脉动幅值，解决旋转阀单独作为放气阀时存在的脉动频率与脉动幅值的耦合问题。
具体实现过程如图4流程图所示，控制器根据拟模拟喘振气压脉动频率f＝120Hz以及圆盘开孔个数m＝8，可确定电机的转速为900r/min：
n＝f/m*60
通过阀组驱动电路调整电机转速从而实现脉动压力的模拟，控制器根据压力传感器采集的脉动压力幅值与拟模拟喘振脉动幅值相比控制比例阀的开口大小，从而实现在脉动调控腔中对脉动幅值的模拟。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种航空发动机喘振信号的气压模拟系统，其特征是系统包括气压调控腔、充气阀组、放气阀组、高压气源及控制单元；高压气源连通充气阀组，充气阀组通过开孔连接气压调控腔；气压调控腔开孔处连接放气阀组，放气阀组连通大气；气压调控腔包括脉动调控腔和基准调控腔；所述脉动调控腔与基准调控腔分别与充气阀组、放气阀组、压力传感器组相连通；所述控制单元包括控制器、压力传感器组、阀组驱动板；压力传感器组与所述控制器通讯连接，控制器的信号输出端连接阀组驱动板的信号输入端；所述压力传感器组连接气压调控腔，检测气压调控腔的压力Pm；所述阀组驱动板信号输出端连接充气阀组和放气阀组的信号输入端；
所述充气阀组包括充气比例阀(1)、充气开关阀(3)、基准充气比例阀(7)；放气阀组包括放气比例阀(2)、基准放气比例阀(8)以及脉动放气单元；高压气源通过充气比例阀(1)和充气开关阀(3)连接脉动调控腔，脉动调控腔通过放气比例阀(2)和脉动放气单元连通大气；高压气源通过基准充气比例阀(7)连接基准调控腔，基准调控腔通过基准放气比例阀(8)连通大气；
所述脉动放气单元结构包括低频脉动开关阀(4)和高频脉动旋转阀(6),低频脉动开关阀(4)、高频脉动旋转阀(6)和脉动调控腔通过T型管连接；高频脉动旋转阀(6)与脉动调控腔之间通过幅值调节比例阀(5)连接。
2.根据权利要求1所述的一种航空发动机喘振信号的气压模拟系统，其特征在于所述基准调控腔与脉动调控腔内部结构完全相同；充气比例阀(1)与基准充气比例阀(7)接收的动作命令完全一致；放气比例阀(2)与基准放气比例阀(8)接收的动作命令完全一致。
3.根据权利要求1所述的一种航空发动机喘振信号的气压模拟系统，其特征在于所述高频脉动旋转阀(6)结构包括外壳(6-1)、旋转圆盘(6-2)、卡簧(6-3)及驱动电机；驱动电机连接控制单元的阀组驱动板，带动旋转圆盘(6-2)高频转动；外壳(6-1)和旋转圆盘(6-2)通过卡簧(6-3)配合转动连接；旋转圆盘(6-2)上设有若干个大小相同的通孔，各通孔到旋转圆盘(6-2)圆心的距离相同；外壳(6-1)上设有一个开孔，开孔大小与旋转圆盘(6-2)通孔一致，位置与所述通孔相对应，保证旋转阀工作时，各通孔实际通量上没有偏差；利用驱动电机带动旋转圆盘(6-2)转动，可使旋转圆盘(6-2)的通孔与外壳(6-1)的开孔实现周期性的重合与分离如同阀的通断，实现周期性放气。
4.根据权利要求1所述的一种航空发动机喘振信号的气压模拟系统，其特征在于所述压力传感器组包括设备监控压力传感器和喘振探测传感器；设备监控压力传感器经调理电路连接控制器输入端；所述喘振探测传感器为气压式。
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