CN115454007A

CN115454007A - 航空发动机燃油伺服的定压阀闭环控制系统及方法

Info

Publication number: CN115454007A
Application number: CN202211215928.2A
Authority: CN
Inventors: 赵文帅; 王曦
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2022-09-30
Filing date: 2022-09-30
Publication date: 2022-12-09

Abstract

本申请提供了航空发动机燃油伺服的定压阀闭环控制系统及方法，该系统中镇定控制器基于参考回油压力增量与被控对象控制装置在前一时刻输出的定压油压力增量的定压阀压差增量偏差，对定压阀进行控制，输出用于控制被控对象的控制数据；被控对象控制装置基于扰动输入的进口压力增量和变负载面积增量，以及控制数据，对被控对象进行控制，输出当前时刻的定压油压力增量。该系统揭示了定压阀的设计机理，且基于镇定控制器和被控对象控制装置对该系统的动态性能进行处理。

Description

航空发动机燃油伺服的定压阀闭环控制系统及方法

技术领域

本申请涉及航空发动机控制系统的设计领域，具体而言，涉及一种航空发动机燃油伺服的定压阀闭环控制系统及方法。

背景技术

航空发动机燃油伺服定压装置是航空发动机液压机械控制系统中最为基础也是最为重要的元件之一，它将工作范围很宽的泵后油压调节为符合系统要求的压力，以保证液压伺服系统和燃油计量系统的稳定工作。定压装置提供伺服基准压力，其性能直接影响控制系统的稳定性与动态性能，若定压装置工作不稳定，会导致输出燃油压力波动，造成发动机燃烧波动、转速波动等问题；若定压装置响应缓慢，会造成伺服压力调节不及时和不准确，会导致液压机械控制系统的功能丧失，引起发动机异常。

航空发动机控制系统中广泛使用的定压装置类似于工业过程控制系统中的直动式定压阀，目前，国内外学者对直动式定压阀的研究主要集中在建模、仿真、稳定性分析等方面，而在设计方面的研究极为少见。早期所建的动态模型局限在经典控制理论的传递函数方法上，很难揭示定压阀的设计机理。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种航空发动机燃油伺服的定压阀闭环控制系统及方法，用以解决了现有技术存在的无法揭示定压阀的设计机理的问题。

第一方面，提供了一种航空发动机燃油伺服的定压阀闭环控制系统，该系统可以包括：镇定控制器和被控对象控制装置；

所述镇定控制器，用于基于参考回油压力增量ΔP₀与被控对象控制装置在前一时刻输出的定压油压力增量ΔP_C的定压阀压差增量偏差e_u，对定压阀进行控制，输出用于控制被控对象的控制数据；

所述被控对象控制装置，用于基于扰动输入的进口压力增量ΔP_in和变负载面积增量ΔA_out2，以及所述控制数据，对被控对象进行控制，输出当前时刻的定压油压力增量ΔP_C。

在一个可选的实现中，所述控制数据包括进口节流孔流通面积增量ΔA_in和定压阀运动速度增量

在一个可选的实现中，所述镇定控制器包括定压阀动力学特性单元和增益单元；

所述定压阀动力学特性单元基于参考回油压力增量ΔP₀与被控对象控制装置在前一时刻输出的定压油压力增量ΔP_C的定压阀压差增量偏差e_u，对定压阀进行控制，输出定压阀运动位移增量Δx_y和定压阀运动速度增量

所述增益单元对所述定压阀运动位移增量Δx_y进行增益控制，输出所述进口节流孔流通面积增量ΔA_in。

在一个可选的实现中，所述镇定控制器的增益控制律由定压阀进口节流孔流通面积A_in与进口节流孔开度x_u的设计函数为A_in＝f_in(x_u)，决定，其偏差表示为ΔA_in＝-K_C·Δx_y，其中，所述进口节流孔开度增量Δx_u与负的定压阀运动位移增量Δx_y相等，所述镇定控制器的控制增益

在一个可选的实现中，所述定压阀闭环控制系统还包括频域分析单元；

所述频域分析单元，用于基于获取的镇定控制器和被控对象控制装置的状态空间模型，获取所述定压阀闭环控制系统的开环传递函数；所述开环传递函数包括3个极点、1个零点和开环增益组成；

基于所述镇定控制器的控制增益K_C，对所述定压阀闭环控制系统的开环增益和开环传递函数中零点对应的频域曲线的转折频率ω₃的大小进行控制。

在一个可选的实现中，所述频域分析单元，还用于：

若检测到

则基于弹簧弹性模量K，对所述定压阀闭环控制系统的开环增益、开环传递函数中第一极点和第二极点对应的频域曲线的转折频率ω₁与转折频率ω₂的大小进行控制；其中，K_f为粘性摩擦系数，M_y为定压阀运动质量；

在一个可选的实现中，所述频域分析单元，还用于：

若检测到

则基于定压腔体积V₀，对所述定压阀闭环控制系统的开环传递函数中第四极点对应的频域曲线的转折频率ω₄的大小进行控制。

第二方面，提供了一种航空发动机燃油伺服的定压阀闭环控制系统方法，应用于第一方面所述的系统中，所述方法包括：

镇定控制器基于参考回油压力增量ΔP₀与被控对象控制装置在前一时刻输出的定压油压力增量ΔP_C的定压阀压差增量偏差e_u，对定压阀进行控制，输出用于控制被控对象的控制数据；

被控对象控制装置基于扰动输入的进口压力增量ΔP_in和变负载面积增量ΔA_out2，以及所述控制数据，对被控对象进行控制，输出当前时刻的定压油压力增量ΔP_C。

第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述第二方面中的方法步骤。

本申请实施例提供的航空发动机燃油伺服的定压阀闭环控制系统中镇定控制器基于参考回油压力增量ΔP₀与被控对象控制装置在前一时刻输出的定压油压力增量ΔP_C的定压阀压差增量偏差e_u，对定压阀进行控制，输出用于控制被控对象的控制数据；被控对象控制装置基于扰动输入的进口压力增量ΔP_in和变负载面积增量ΔA_out2，以及控制数据，对被控对象进行控制，输出当前时刻的定压油压力增量ΔP_C。该系统揭示了定压阀的设计机理，且基于镇定控制器和被控对象控制装置对该系统的动态性能进行处理。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种定压阀的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种航空发动机燃油伺服的定压阀闭环控制系统的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种定压阀控制回路设计的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种Bode图的曲线示意图；

图5为本申请实施例提供的一种航空发动机燃油伺服的定压阀闭环控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本申请实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供的航空发动机燃油伺服的定压阀闭环控制方法针对定压阀的设计问题，分为三个部分内容：

(1)提出了一种线性增量描述分析法，由容腔压力描述被控对象的被控对象控制系统和由闭环反馈运动活门描述的镇定控制器，构建了定压阀闭环控制系统，通过推导容腔压力动力学方程和闭环反馈运动活门动力学方程，建立了定压阀状态空间模型和频域响应模型；

(2)基于频域回路成型的分析方法，分析了关键结构参数-控制增益对系统动态性能和稳定性的影响规律；

(3)在此基础上，提出了一种控制增益的频域设计方法，同时给出了进口节流型孔面积和开口度的设计方法，明确了定压阀进口节流型孔面积和开口度的特征函数关系，具有重大的工程意义。

图1为本申请实施例提供的一种定压阀的结构示意图，如图1所示，P_in为进口压力，P_C为定压油压力，P₀为回油压力；A_in为进口节流流通面积，A_out1为固定出口流通面积，A_out2为变负载流通面积；V₀为控制腔容积；x_y为活门位移。x_y0为活门初始位置。

需要说明的是，下文描述的各物理量的增量是指后一时刻的某一物理量的值与前一时刻相应物理量的值的差值(或称偏差)。

对于定压阀的线性增量的描述方面中，如图2所示介绍了本申请实施例提供的一种航空发动机燃油伺服的定压阀闭环控制系统，该系统可以包括：镇定控制器和被控对象控制装置。

镇定控制器，用于基于参考回油压力增量ΔP₀与被控对象控制装置在前一时刻输出的定压油压力增量ΔP_C的定压阀压差增量偏差e_u，对定压阀进行控制，输出用于控制被控对象的控制数据；该控制数据可以包括进口节流孔流通面积增量ΔA_in和定压阀运动速度增量

被控对象控制装置，用于基于扰动输入的进口压力增量ΔP_in和变负载面积增量ΔA_out2，以及所述控制数据，对被控对象进行控制，输出当前时刻的定压油压力增量ΔP_C。

进一步的，图2中镇定控制器可以包括定压阀动力学特性单元和增益控制单元；

定压阀动力学特性单元，用于基于参考回油压力增量ΔP₀与被控对象控制装置在前一时刻输出的定压油压力增量ΔP_C的定压阀压差增量偏差e_u，对定压阀进行控制，输出定压阀运动位移增量Δx_y和定压阀运动速度增量

增益控制单元，用于对所述定压阀运动位移增量Δx_y进行增益控制，输出所述进口节流孔流通面积增量ΔA_in。

其中，镇定控制器的增益控制律由定压阀进口节流孔流通面积A_in与节流开度x_u的设计函数为A_in＝f_in(x_u)，决定，其偏差表示为ΔA_in＝-K_C·Δx_y，其中，f_in(x_u)表示定压阀进口节流孔流通面积A_in与节流开度x_u的函数关系，进口节流孔开度增量Δx_u与负的定压阀运动位移增量Δx_y相等，镇定控制器的控制增益

具体的：根据其线性化的增益特性：

以及Δx_u＝-Δx_y(2)，可获得镇定控制器的增益控制律为：ΔA_in＝-K_C·Δx_y(3)；其中，流通面积梯度为

进一步的，定压阀闭环控制系统还包括频域分析单元；

频域分析单元基于获取的镇定控制器和被控对象控制装置的状态空间模型，获取定压阀闭环控制系统的开环传递函数；开环传递函数包括3个极点、1个零点和开环增益组成；并基于镇定控制器的控制增益K_C，对定压阀闭环控制系统的开环增益和开环传递函数中零点对应的频域曲线的转折频率ω₃的大小进行控制。

若检测到

则频域分析单元可以基于弹簧弹性模量K，对定压阀闭环控制系统的开环增益、开环传递函数中第一极点和第二极点对应的频域曲线的转折频率ω₁与转折频率ω₂的大小进行控制；其中，K_f为粘性摩擦系数，M_y为定压阀运动质量；

同时，频域分析单元还可以基于定压腔体积V₀，对定压阀闭环控制系统的开环传递函数中第四极点对应的频域曲线的转折频率ω₄的大小进行控制。

1、建立定压阀的动力学方程：

(1)被控对象

定压阀主流路容腔压力微分-流量非线性动力学方程描述为：

其中，V₀为定压阀容腔容积，B为液体弹性模量，ρ为液体密度，C_q为节流孔流量系数。以A_in,A_out2,P_in,

P_C为变量，在稳态点对式(5)进行小偏差线性化，得压力微分-流量线性动力学方程：

其中，进口节流孔面积增益为：

进口节流孔压力增益为：

出口节流孔面积增益为：

出口节流孔压力增益为：

则，被控对象的状态空间模型为：

其中，

C＝[1],D＝[0 0],H＝[0 0](12)

(2)镇定控制器

建立活门运动局部坐标系，即以稳态工作点x_y0＝0为阀芯的局部坐标原点，x_y为阀芯的相对位移，其箭头方向为局部坐标系正方向。

设定压阀运动质量为M_y，粘性摩擦系数为K_f，弹簧弹性模量为K，活门两端承压面积为A_y，弹簧初始压缩力为F_L，则定压阀运动非线性动力学方程为：

以P_C,x_y,

为变量，对定压阀运动非线性动力学方程稳态点进行小偏差线性化，得定压阀运动线性动力学方程：

考虑到控制增益特性，则镇定控制器的状态空间模型为：

其中，

C_S＝[-K_C0],D_S＝[0](16)

2、设计定压阀闭环系统频域模型

设L为系统开环传递函数，定压阀控制回路设计的方块图，如图3所示。

(1)开环传递函数

已知定压阀开环状态空间模型为：

其中：C_open＝[1 0 0],D_open＝[0],H_open＝[0 0](18)

系统开环传递函数为：

(2)扰动输入传递函数：定义

则，ΔP_in对ΔP_C的开环干扰传递函数为：

同理，ΔA_out2对ΔP_C的开环干扰传递函数为：

(3)控制输出传递函数

定义闭环灵敏度函数为：

设ΔP₀＝0，则系统闭环传递函数为：

ΔP_C＝S·G_Pin-Pc·ΔP_in+S·G_Aout2-Pc·ΔA_out2(24)

其中，ΔP_in对ΔP_C的闭环干扰传递函数为：

其稳定增益为：

同理，ΔA_out2对ΔP_C的闭环干扰传递函数为

其稳态增益为：

进一步的，控制增益对系统开环频域特性影响及对闭环稳定性分析

1、系统开环频域特性转折频率计算

由式(19)可知，开环传递函数由3个极点、1个零点和开环增益组成，其频域曲线的转折频率计算如下。

(1)当

时，二阶环节为欠阻尼振荡环节，其极点分别为：

定义其转折频率分别为：

(2)当

时，二阶环节为过阻尼非振荡环节，其极点分别为：

定义其转折频率分别为：

第3个极点为：

定义其转折频率为：

零点为：

定义其转折频率为：

其中，ω₄>>ω₁,ω₂,ω₃，且ω₁、ω₂与ω₃相近。

开环增益为：

系统的频域响应特性：由开环增益和四个转折频率决定，其中，控制增益K_C影响ω₃及开环增益，弹簧弹性模量K设计影响ω₁与ω₂及开环增益，定压腔体积V₀影响ω₄。

定压阀的设计问题是如何设计四个转折频率的值，使得系统满足需要的稳态、动态性能，且具有良好的鲁棒性能，如：

(1)要增强系统的稳定裕度，应该增大转折频率ω_1,2，使得相角曲线上移，包括：1)减小活门质量M_y；2)增大活门阻尼系数K_f。

(2)要增强系统的响应性能，应该增大转折频率ω₃，或者增大开环增益K_open，使得幅值曲线右移和上移，包括：1)增大控制增益K_C；2)减小弹簧弹性模量K；3)减小定压阀面积A_y。

2、控制增益对系统开环频域特性的影响

K_C对系统频域特性的影响，分析如下。

假设

其他参数不变，仅改变K_C的Bode图曲线如图4所示。增大K_C，则ω₃相应增大，开环增益也随之增大，穿越频率增大，相位裕度变小；反之，减小K_C，则ω₃相应变小，开环增益也随之减小，穿越频率减小，相位裕度变大。

对闭环稳定性分析：

闭环系统特征多项式为：

即d(s)＝a₀·s³+a₁·s²+a₂·s+a₃(39)

其中：a₀＝1(40)

根据三阶系统稳定的充分必要条件：特征方程所有系数均为正，且a₁a₂>a₀a₃，得到：

最后，定压阀频域成型设计方法

在进口压力干扰变化范围P_in∈[P_inl,P_inh]和可变流通面积干扰变化范围A_out2∈[A_out2l,A_out2h]内，系统需要满足以下稳态性能要求和动态性能要求：

稳态性能要求：控制腔压力稳态误差不大于ΔP_C，即控制腔压力设计值P_C0∈[P_Cl,P_Ch]，幅值裕度大于MdB，相位裕度大于N度；

动态性能要求：调节时间不大于t_s，超调量不大于σ。

1、约束条件

(1)约束条件1

根据主流路容腔稳态工作原理，可得被控对象稳态流量平衡方程：

则，进口面积开度需满足：

进而得到参数K_Ain、K_Pin、K_Aout和K_Pout。

1)根据系统稳定性要求，控制增益需满足：K_C<K_Cmax(47)

2)根据系统回路开环传递函数L成型要求和控制增益动态性能要求动态调节要求，控制增益需满足：K_C∈[K_Cl,K_Ch](48)

(2)约束条件2

根据活门运动的稳态平衡条件，获得稳态时活门弹簧压缩量：

考虑到稳态性能要求，即P_C∈[P_Cl,P_Ch]，则，稳定时弹簧压缩量变化范围应满足：

当设计的定压阀的位移变化量Δx_y小于弹簧压缩量变化Δx_s0时，能够满足稳态性能要求。由于Δx_u＝-Δx_y＝-Δx_s(51)

则，进口节流孔开度的变化量Δx_u应小于设计的弹簧压缩量的变化量Δx_s0，即：|Δx_u|≤|Δx_s0|(52)

即对应的进口节流孔开度变化量满足：

式(47)表明，K越小，弹簧压缩量变化范围越大，控制增益的设计范围也就越大，设计自由度相对较大，但系统超调会增大，调节时间增长。

2、迭代设计算法

迭代设计算法：通过上述分析，在给定的定压阀结构设计方案中，给出带约束条件的定压阀频域成型设计的迭代算法如下：

Step1.选择一种定压阀结构设计方案，确定弹簧压缩量变化范围Δx_s0；

Step2.按照扰动输入P_in和A_out2变化范围选取n×m个稳态点，在每一稳态点计算A_in、K_Ain、K_Pin、K_Aout、K_Pout等模型特性参数，获得开环传递函数与控制增益的函数关系，即：L_i＝f(K_C,i),i＝1,…,n×m(51)

Step3.根据每一个L_i成型要求和系统稳定性约束条件式(41)和性能约束条件式(42)，确定K_C,i，i＝1,…,n×m；

Step4.根据进口节流孔几何特性ΔA_in＝K_C·Δx_u，获得开口度x_u,i与进口节流面积A_i、控制增益K_Ci的递推迭代方程：

Step5.若进口节流孔开度的变化量Δx_u满足式(47)，进到Step6；否则，返回Step1，重复上述过程。

Step6.确定初始参数。选择进口节流孔开度变化接近

的设计点作为初始参数的设计点，此设计点的型孔开度为x_u。设弹簧的初始压缩量为x_s0，稳定时活门位移为Δx_y，则稳态弹簧压缩量为：x_s＝x_s0+Δx_y(48)

则Δx_y＝x_s-x_s0(49)

则，活门进口节流孔初始开度为：x_u0＝x_u+Δx_y(50)

设计过程结束。

目前，本申请的定压阀分析、设计与实现方法已应用于某航空发动机燃油系统建模仿真与验证，为航空发动机燃油系统设计奠定重要的基础，支撑某航空发动机控制系统改造升级。因此，本申请在定压阀以及应用该系统的其他液压系统的建模与仿真方面具有重要的工程应用价值和重大的经济效益。

与上述方法对应的，本申请实施例还提供一种航空发动机燃油伺服的定压阀闭环控制方法，如图5所示，该方法包括：

步骤S510、镇定控制器基于参考回油压力增量与被控对象控制装置在前一时刻输出的定压油压力增量的定压阀压差增量偏差，对定压阀进行控制，输出用于控制被控对象的控制数据；

步骤S520、被控对象控制装置基于扰动输入的进口压力增量和变负载面积增量，以及所述控制数据，对被控对象进行控制，输出当前时刻的定压油压力增量。

本申请上述实施例提供的该方法的各方法步骤，可以通过上述各功能单元的功能来实现，因此，本申请实施例提供的该方法中的各方法步骤的具体工作过程和有益效果，在此不复赘述。

在本申请提供的又一实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述实施例中任一所述的航空发动机燃油伺服的定压阀闭环控制方法。

在本申请提供的又一实施例中，还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述实施例中任一所述的航空发动机燃油伺服的定压阀闭环控制方法。

本领域内的技术人员应明白，本申请实施例中的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请实施例中可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请实施例中可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请实施例中是参照根据本申请实施例中实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请实施例中的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请实施例中范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请实施例中实施例进行各种改动和变型而不脱离本申请实施例中实施例的精神和范围。这样，倘若本申请实施例中实施例的这些修改和变型属于本申请实施例中权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请实施例中也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种航空发动机燃油伺服的定压阀闭环控制系统，其特征在于，所述系统包括：镇定控制器和被控对象控制装置；

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制数据包括进口节流孔流通面积增量ΔA_in和定压阀运动速度增量

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述镇定控制器包括定压阀动力学特性单元和增益单元；

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述镇定控制器的增益控制律由定压阀进口节流孔流通面积A_in与进口节流孔开度x_u的设计函数为A_in＝f_in(x_u)，决定，其偏差表示为ΔA_in＝-K_C·Δx_y，其中，所述进口节流孔开度增量Δx_u与负的定压阀运动位移增量Δx_y相等，所述镇定控制器的控制增益

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述定压阀闭环控制系统还包括频域分析单元；

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述频域分析单元，还用于：

若检测到

则基于弹簧弹性模量K，对所述定压阀闭环控制系统的开环增益、开环传递函数中第一极点和第二极点对应的频域曲线的转折频率ω₁与转折频率ω₂的大小进行控制；其中，K_f为粘性摩擦系数，M_y为定压阀运动质量。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述频域分析单元，还用于：

若检测到

8.一种航空发动机燃油伺服的定压阀闭环控制系统方法，其特征在于，应用于权利要求1-7所述的系统中，所述方法包括：

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求8所述的方法步骤。