CN114109797B - 一种航空电动燃油泵测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空电动燃油泵测试系统及方法，系统包括：泵前压力控制单元，用于控制电动燃油泵泵前压力；泵后压力控制单元，用于控制电动燃油泵泵后压力；介质温度单元，用于控制电动燃油泵的介质温度；停车控制单元，用于在主控制单元的控制下，使燃油快速由泵后返回至泵前；流量测量单元，用于实时测量电动燃油泵的体积流量和质量流量控制结果；主控制单元，用于实现温度、压力、流量信号调理、采集和各执行机构的控制，人机交互，测试过程录波；测试计划算法单元，用于向电动燃油泵提供稳态或复合变量动态变化的测试环境；测试结果评估单元，用于综合评估电动燃油泵系统的控制性能；温度压力控制单元，用于实现温度压力的闭环伺服控制。

Description

一种航空电动燃油泵测试系统及方法

技术领域

本发明涉及对航空发动机中电动燃油泵系统的测试与高精度控制领域，具体涉及一种航空电动燃油泵测试系统及方法。

背景技术

航空电动燃油泵为航空发动机燃油控制系统中的关键附件，其燃油流量控制精度直接影响发动机转速控制精度，其抗扰动性直接影响发动机控制质量。实际工作过程中，油箱来油压力、燃油温度和泵后喷嘴压力等均为变化量，电动燃油泵控制器须抑制这些变化对流量控制造成的影响，以提高燃油流量控制精度。

为了降低试验风险，节约成本，电动燃油泵研制过程中，首先基于地面台架试验验证其控制性能，待试验成功，性能稳定之后再安装至发动机。现有电动燃油泵测试系统中，泵前压力、泵后压力和温度采用手动机械调节方式，虽可完成电动燃油泵的稳态与动态测试，但存在调节速度慢，调节不精准，难以按照预设曲线给定调节量，无法多个变量同时调节等缺陷，难以高度模拟航空发动机运行真实环境，对电动燃油泵控制器抗扰动性不能进行充分测试，导致其在装机后控制效果难以满足。

发明内容

本发明的目的是提供一种航空电动燃油泵测试系统及方法，用以解决现有航空电动燃油泵测试系统中难以高精度快速注入多变量扰动问题。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种航空电动燃油泵测试系统，包括：

泵前压力控制单元，用于控制电动燃油泵泵前压力，使其实时跟随控制指令值；

泵后压力控制单元，用于控制电动燃油泵泵后压力，使其实时跟随控制指令值；

介质温度单元，用于控制电动燃油泵的介质温度，使其实时跟随控制指令值；

停车控制单元，用于在主控制单元的控制下，使燃油快速由泵后返回至泵前；

流量测量单元，用于实时测量电动燃油泵的体积流量和质量流量控制结果；

主控制单元，用于实现温度、压力、流量信号调理、采集和各执行机构的控制，人机交互，测试过程录波；

测试计划算法单元，用于向电动燃油泵提供稳态或复合变量动态变化的测试环境；

测试结果评估单元，用于综合评估电动燃油泵系统的控制性能；

温度压力控制单元，用于实现温度压力的闭环伺服控制。

进一步地，所述泵前压力控制单元包括依次连接的氮气瓶a、手动减压阀a、电控减压阀a、油箱a、压力传感器a；泵后压力控制单元包括依次连接的电磁溢流阀b、压力传感器b和可调喷嘴b；介质温度单元包括电控加热器c、电控冷却器c、温度传感器c；停车控制单元包括停车电磁阀d和停车活门d；流量测试单元包括FT流量计e、科里奥利流量计e；主控制单元包括控制模块f以及分别与控制模块f连接的功率驱动模块f、传感器信号调理模块f、人机交互模块f、存储模块f；测试计划算法单元包括测试计划配置模块g、稳态测试模块g、复合变量动态扰动测试模块g；测试结果评估单元包括伺服性能评估模块h、抗扰动性能评估模块h，控制精度评估模块h；温度压力控制单元包括泵前压力控制模块i、泵后压力控制模块i，介质温度控制模块i。

进一步地，在主控制单元中的功率驱动模块f分别与停车控制单元中的停车电磁阀d，介质温度单元中的电控加热器c和电控冷却器c，泵后压力控制单元中的电磁溢流阀b，泵前压力控制单元中的电控减压阀a连接；传感器信号调理模块f分别与介质温度单元中的温度传感器c，泵后压力控制单元中的压力传感器b，泵前压力控制单元中的压力传感器a，流量测量单元中的FT流量计e、科里奥利流量计e连接；所述的温度压力控制单元、测试结果评估单元均连接至控制模块f。

进一步地，泵前压力传感器a、泵后压力传感器b、介质温度传感器c、FT流量计e、科里奥利流量计e输出的电压信号，均输入主控制单元中的传感器信号调理模块f，由传感器信号调理模块f依据各信号特征，分别进行调理；控制模块f依据控制指令值和各单元中传感器的反馈信号，按照控制计划对各被控量实施闭环控制，输出PWM信号至功率驱动单元f，由功率驱动单元进行功率放大后，输出至电控减压阀a、电磁溢流阀b、电控加热器c、电控冷却器c、停车电磁阀d。

进一步地，传感器信号调理模块f包括依次连接的差分转单端电路、阻抗匹配器、电压放大器、有源滤波器和信号限幅器，其中：

差分转单端电路将各传感器输出的差分信号转换为单端信号，阻抗匹配器为前级和后级运放之间的阻抗转换，电压放大器是将幅值较小的信号调理为接近微处理器最大量程范围的信号；有源滤波器用于弱化或消除信号中叠加的高频噪声对信号的影响；信号限幅器用于防止输入信号中叠加的强正或负脉冲对微处理器造成的损害。

进一步地，所述功率驱动模块f包括依次连接的高速电磁隔离器、板桥预驱动器、功率半桥电路和电流传感器，其中：

控制模块f输出的PWM信号，使用高速电磁隔离器进行电气隔离，再由半桥预驱动器驱动功率半桥电路中的MOSFET器件进行功率放大，半桥输出信号经电流传感器后，驱动执行机构动作；所述电流传感器用于监测执行机构和半桥电路工作可靠性，作为系统故障监测与诊断的依据。

一种航空电动燃油泵测试方法，包括以下步骤：

步骤1，通过人机交互模块输入稳态测试计划，设定泵前压力、泵后压力和介质温度；

步骤2，主控制单元将各设定的泵前压力、泵后压力和介质温度分别下发至泵前压力控制单元、泵后压力控制单元、介质温度单元，各单元依据单元内传感器的反馈信号，实施压力和介质温度的闭环伺服控制；

步骤3，测试计划算法模块根据测试计划，计算测试计划中设定的燃油流量的指令曲线，主控制单元将指令曲线下发至航空电动燃油泵，实时测量FT流量计e反馈的体积流量和科里奥利流量计e反馈的质量流量，由测试结果结果评估单元对航空电动燃油泵的动态、稳态和超调性能进行综合评估，生成评估报告，结束稳态测试；

步骤4，通过人机交互模块，输入扰动测试计划，设定泵前、泵后压力、介质温度的动作曲线；

步骤5，测试计划算法模块依据测试计划，计算测试计划中设定的燃油流量的指令曲线，主控制单元将指令曲线下发至航空电动燃油泵，在流量指令的动态和稳态测试阶段，进行扰动注入，实时测量FT流量计e反馈的体积流量和科里奥利流量e计反馈的质量流量，由测量结果评估单元给出电动燃油泵的抗扰动性能，生成评估报告，结束抗扰动测试。

进一步地，所述综合评估结果由指令曲线与实际流量曲线进行互相关运算生成。

与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：

1.可制订并实施合理的控制计划，自动完成对电动燃油泵的稳态和动态控制性能测试；

2.可制订并实施基于复合变量的扰动注入计划，并自动完成对电动燃油泵的抗扰动控制性能测试；

3.可高度模拟电动燃油泵装机后的运行环境，使台架试验结果更具可信度，降低了航空发动机燃油系统控制风险；

4.采用高速执行机构，对泵前压力、泵后压力和介质温度可同时实施高精度闭环实时控制，拓宽了电动燃油泵测试系统的自由度和灵活性，降低了人为误操作风险。

附图说明

图1为本发明测试系统的整体结构示意图；

图2为传感器信号调理模块f的结构示意图；

图3为功率驱动模块f的结构示意图。

具体实施方式

参见附图1至图3，本发明提供了一种航空电动燃油泵测试系统及方法，应用高精度高频率响应传感器、具有快速响应特性的执行机构、闭环反馈控制、人机交互、多通道信号采集与数字信号处理方法等，解决现有航空电动燃油泵测试系统中难以高精度快速注入多变量扰动问题。采用本发明的系统和方法，可高度模拟航空发动机中电动燃油泵的真实运行环境，提升对电动燃油泵的测试效率。

参见附图1，本发明的一种航空电动燃油泵测试系统，包括：

泵前压力控制单元，用于控制电动燃油泵泵前压力，使其高速实时跟随控制指令值；泵前压力控制单元包括依次连接的氮气瓶a、手动减压阀a、电控减压阀a、油箱a、压力传感器a。

泵后压力控制单元，用于控制电动燃油泵泵后压力，使其高速实时跟随控制指令值；泵后压力控制单元包括电磁溢流阀b、压力传感器b和可调喷嘴b。

介质温度单元，用于控制电动燃油泵的介质温度，使其高速实时跟随控制指令值；介质温度单元包括电控加热器c、电控冷却器c、温度传感器c。

停车控制单元，用于在主控制单元的控制下，使燃油快速由泵后返回至泵前；停车控制单元包括停车电磁阀d、停车活门d。

流量测量单元，用于快速实时测量电动燃油泵的体积流量和质量流量控制结果；流量测试单元包括FT流量计e、科里奥利流量计e。

主控制单元，用于实现温度、压力、流量信号调理、采集和各执行机构的控制，人机交互，测试过程录波；主控制单元包括控制模块f，以及分别与控制模块f连接的功率驱动模块f、传感器信号调理模块f、人机交互模块f、存储模块f；在主控制单元中，功率驱动模块f分别与停车控制单元中的停车电磁阀d，介质温度单元中的电控加热器c和电控冷却器c，泵后压力控制单元中的电磁溢流阀b，泵前压力控制单元中的电控减压阀a连接；传感器信号调理模块f分别与介质温度单元中的温度传感器c，泵后压力控制单元中的压力传感器b，泵前压力控制单元中的压力传感器a，流量测量单元中的FT流量计e、科里奥利流量计e连接；所述的温度压力控制单元、测试结果评估单元均连接至控制模块f。

测试计划算法单元，用于向电动燃油泵提供稳态或复合变量动态变化的测试环境；测试计划算法单元包括测试计划配置模块g、稳态测试模块g、复合变量动态扰动测试模块g。

测试结果评估单元，用于综合评估电动燃油泵系统的控制性能；测试结果评估单元包括伺服性能评估模块h、抗扰动性能评估模块h，控制精度评估模块h。

温度压力控制单元，用于实现温度压力的闭环伺服控制；温度压力控制单元包括泵前压力控制模块i、泵后压力控制模块i，介质温度控制模块i。

在图1中，泵前压力传感器a、泵后压力传感器b、介质温度传感器c、FT流量计e、科里奥利流量计e输出的电压信号，均输入主控制单元中的传感器信号调理模块f，由传感器信号调理模块f依据各信号特征，分别进行调理。控制模块f(微处理器)依据控制指令值和各单元中传感器的反馈信号，按照控制计划对各被控量实施闭环控制，输出PWM信号至功率驱动单元f，由功率驱动单元进行功率放大后，输出至电控减压阀a、电磁溢流阀b、电控加热器c、电控冷却器c、停车电磁阀d；测试计划算法单元、测量结果评估单元和温度压力控制单元中的模块，均为运行于控制模块f中的微处理器中的软件或算法模块。

图2为传感器信号调理模块f的结构图，在图2中，差分转单端电路将传感器输出的差分信号转换为单端信号，阻抗匹配器为前级和后级运放之间的阻抗转换，其输入阻抗大、输出阻抗小、保证前级信号尽可能不失真的传递至后级电压放大器。电压放大器是将幅值较小的信号调理为接近微处理器最大量程范围的信号，达到不损失AD转换器位数目的；有源滤波器用于弱化或消除信号中叠加的高频噪声对信号的影响；信号限幅器用于防止输入信号中叠加的强正或负脉冲对微处理器造成的损害。

图3为功率驱动模块f的结构图，在图3中，首先将控制模块f输出的PWM信号，使用高速电磁隔离器进行电气隔离，再由半桥预驱动器驱动功率半桥电路中的MOSFET器件进行功率放大，半桥输出信号经电流传感器后，驱动执行机构动作。电流传感器用于监测执行机构和半桥电路工作可靠性，作为系统故障监测与诊断的依据。

在上述技术方案的基础上，本发明进一步提供了一种航空电动燃油泵测试方法，包括以下步骤：

步骤1，通过人机交互模块输入稳态测试计划，设定泵前压力、泵后压力和介质温度。

步骤2，主控制单元将各设定的泵前压力、泵后压力和介质温度分别下发至泵前压力控制单元、泵后压力控制单元、介质温度单元，各单元依据单元内传感器的反馈信号，实施压力和介质温度的闭环伺服控制；

步骤3，测试计划算法模块根据测试计划，计算测试计划中设定的燃油流量的指令曲线，主控制单元将指令曲线下发至航空电动燃油泵，实时测量FT流量计e反馈的体积流量和科里奥利流量计e反馈的质量流量，由测试结果结果评估单元对航空电动燃油泵的动态、稳态和超调性能进行综合评估(指令曲线与实际流量曲线进行互相关运算)，生成评估报告，结束稳态测试；

步骤4，通过人机交互模块，输入扰动测试计划，设定泵前、泵后压力、介质温度的动作曲线；

步骤5，测试计划算法模块依据测试计划，计算测试计划中设定的燃油流量的指令曲线，主控制单元将指令曲线下发至航空电动燃油泵，在流量指令的动态和稳态测试阶段，进行扰动注入，实时测量FT流量计反馈的体积流量和科里奥利流量计反馈的质量流量，由测量结果评估单元给出电动燃油泵的抗扰动性能，生成评估报告，结束抗扰动测试。

本发明可应用于航空发动机电动燃油泵性能的试验测试，能高度模拟航空发动机上电动燃油泵的实际工作环境，对电动燃油泵进行自动稳态、动态及抗扰动测试，并对测试结果进行综合评估，提高测试系统的可信度。

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 (6)

1.一种航空电动燃油泵测试系统，其特征在于，包括：

泵前压力控制单元，用于控制电动燃油泵泵前压力，使其实时跟随控制指令值；

泵后压力控制单元，用于控制电动燃油泵泵后压力，使其实时跟随控制指令值；

介质温度单元，用于控制电动燃油泵的介质温度，使其实时跟随控制指令值；

停车控制单元，用于在主控制单元的控制下，使燃油快速由泵后返回至泵前；

流量测量单元，用于实时测量电动燃油泵的体积流量和质量流量控制结果；

主控制单元，用于实现温度、压力、流量信号调理、采集和各执行机构的控制，人机交互，测试过程录波；

测试计划算法单元，用于向电动燃油泵提供稳态或复合变量动态变化的测试环境；

测试结果评估单元，用于综合评估电动燃油泵系统的控制性能；

温度压力控制单元，用于实现温度压力的闭环伺服控制；

所述泵前压力控制单元包括依次连接的氮气瓶a、手动减压阀a、电控减压阀a、油箱a、压力传感器a；泵后压力控制单元包括依次连接的电磁溢流阀b、压力传感器b和可调喷嘴b；介质温度单元包括电控加热器c、电控冷却器c、温度传感器c；停车控制单元包括停车电磁阀d和停车活门d；流量测量单元包括FT流量计e、科里奥利流量计e；主控制单元包括控制模块f以及分别与控制模块f连接的功率驱动模块f、传感器信号调理模块f、人机交互模块f、存储模块f；测试计划算法单元包括测试计划配置模块g、稳态测试模块g、复合变量动态扰动测试模块g；测试结果评估单元包括伺服性能评估模块h、抗扰动性能评估模块h，控制精度评估模块h；温度压力控制单元包括泵前压力控制模块i、泵后压力控制模块i，介质温度控制模块i；

在主控制单元中的功率驱动模块f分别与停车控制单元中的停车电磁阀d，介质温度单元中的电控加热器c和电控冷却器c，泵后压力控制单元中的电磁溢流阀b，泵前压力控制单元中的电控减压阀a连接；传感器信号调理模块f分别与介质温度单元中的温度传感器c，泵后压力控制单元中的压力传感器b，泵前压力控制单元中的压力传感器a，流量测量单元中的FT流量计e、科里奥利流量计e连接；所述的温度压力控制单元、测试结果评估单元均连接至控制模块f。

2.根据权利要求1所述的航空电动燃油泵测试系统，其特征在于，压力传感器a、压力传感器b、温度传感器c、FT流量计e、科里奥利流量计e输出的电压信号，均输入主控制单元中的传感器信号调理模块f，由传感器信号调理模块f依据各信号特征，分别进行调理；控制模块f依据控制指令值和各单元中传感器的反馈信号，按照控制计划对各被控量实施闭环控制，输出PWM信号至功率驱动模块f，由功率驱动模块f进行功率放大后，输出至电控减压阀a、电磁溢流阀b、电控加热器c、电控冷却器c、停车电磁阀d。

3.根据权利要求1所述的航空电动燃油泵测试系统，其特征在于，传感器信号调理模块f包括依次连接的差分转单端电路、阻抗匹配器、电压放大器、有源滤波器和信号限幅器，其中：

差分转单端电路将各传感器输出的差分信号转换为单端信号，阻抗匹配器为前级和后级运放之间的阻抗转换，电压放大器是将幅值较小的信号调理为接近微处理器最大量程范围的信号；有源滤波器用于弱化或消除信号中叠加的高频噪声对信号的影响；信号限幅器用于防止输入信号中叠加的强正或负脉冲对微处理器造成的损害。

4.根据权利要求1所述的航空电动燃油泵测试系统，其特征在于，所述功率驱动模块f包括依次连接的高速电磁隔离器、半桥预驱动器、功率半桥电路和电流传感器，其中：

控制模块f输出的PWM信号，使用高速电磁隔离器进行电气隔离，再由半桥预驱动器驱动功率半桥电路中的MOSFET器件进行功率放大，半桥输出信号经电流传感器后，驱动执行机构动作；所述电流传感器用于监测执行机构和功率半桥电路工作可靠性，作为系统故障监测与诊断的依据。

5.一种利用权利要求1-4中任一所述航空电动燃油泵测试系统进行航空电动燃油泵测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，通过人机交互模块输入稳态测试计划，设定泵前压力、泵后压力和介质温度；

步骤2，主控制单元将各设定的泵前压力、泵后压力和介质温度分别下发至泵前压力控制单元、泵后压力控制单元、介质温度单元，各单元依据单元内传感器的反馈信号，实施压力和介质温度的闭环伺服控制；

步骤3，测试计划算法单元根据测试计划，计算测试计划中设定的燃油流量的指令曲线，主控制单元将指令曲线下发至航空电动燃油泵，实时测量FT流量计e反馈的体积流量和科里奥利流量计e反馈的质量流量，由测试结果评估单元对航空电动燃油泵的动态、稳态和超调性能进行综合评估，生成评估报告，结束稳态测试；

步骤4，通过人机交互模块，输入扰动测试计划，设定泵前、泵后压力、介质温度的动作曲线；

步骤5，测试计划算法单元依据测试计划，计算测试计划中设定的燃油流量的指令曲线，主控制单元将指令曲线下发至航空电动燃油泵，在流量指令的动态和稳态测试阶段，进行扰动注入，实时测量FT流量计e反馈的体积流量和科里奥利流量e计反馈的质量流量，由测量结果评估单元给出电动燃油泵的抗扰动性能，生成评估报告，结束抗扰动测试。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述综合评估结果由指令曲线与实际流量曲线进行互相关运算生成。