CN116220921A - 一种喷口控制回路执行机构动态特性评估指标生成方法 - Google Patents

一种喷口控制回路执行机构动态特性评估指标生成方法 Download PDF

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Abstract

本申请属于航空发动机喷口控制领域，特别涉及一种喷口控制回路执行机构动态特性评估指标生成方法。包括：步骤一、基于航空发动机喷口控制回路执行机构，构建喷口控制回路模型；步骤二、对所述喷口控制回路模型进行集成处理，得到喷口控制回路等效模型，并从所述喷口控制回路等效模型中提取影响动态特性的关键参数，并基于所述关键参数构建动态特性评估指标；步骤三、对所述动态特性评估指标进行试验验证。本申请将动态特性评估的指标作为新增的产品指标对产品动态特性进行约束，可以提升双流水执行机构产品特性一致性，达到统一控制参数、提升控制品质的目的。

Description

一种喷口控制回路执行机构动态特性评估指标生成方法
技术领域
本申请属于航空发动机喷口控制领域，特别涉及一种喷口控制回路执行机构动态特性评估指标生成方法。
背景技术
常规的航空涡扇发动机控制变量主要包括燃油流量Wf、风扇进口可调叶片角度a1、压气机进口可调叶片角度a2、喷口喉道面积A8等。当前采用数字电子控制的方式，各个控制回路都是闭环控制方案，各个控制回路在控制架构组成上略有差异。比如，主燃油流量主要控制计量活门，而各几何角度控制主要控制对象为作动筒。用于几何角度控制作动筒，其控制方案可以有两种：带有分油活门和不带分油活门的方案。由于燃油流量需求大，许多几何角度的执行机构部分采用了分油活门、作动筒的方案。本文喷口控制采用分油活门的控制方案，分油活门位移用Ln表示。
典型航空涡扇发动机喷口控制回路的方案如图1所示。数字电子控制器接收指令，进行控制规律和控制算法的计算，驱动电液伺服阀进行执行机构控制，执行机构部分包括电液伺服阀、分油活门、作动筒。作动筒的位移有内置或者外置不同的方案，传感器将作动筒的位移信号提供给数字电子控制器进行闭环控制。通常分油活门内置LVDT传感器向数字电子控制器提供分油活门实际位移用于进行闭环控制。喷口控制系统设计时，通过分解指标，对带有分油活门的执行机构提出技术指标，从而约束产品的动态特性。比如，提出喷口分油活门全程移动时间、作动筒全程移动时间、上升时间、超调量、跟随误差、滞后时间等。这些技术指标或者是系统级指标过于宽泛(如全程移动时间、作动筒全程移动时间)，对执行机构特性的约束不足，导致在当前设计指标约束下两个厂家生产的双流水执行机构产品特性之间存在较大的差异。喷口控制参数设计时双流水执行机构产品特性的差异，需要匹配不同的控制参数。控制器进行控制参数匹配时很难兼顾这么大的特性差异，在发动机外场使用时，需要频繁的调整控制参数，若控制参数调整不到位则会出现参数摆动现象，影响工作效率和发动机试车安全。
因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。
发明内容
本申请的目的是提供了一种喷口控制回路执行机构动态特性评估指标生成方法，以解决现有技术存在的至少一个问题。
本申请的技术方案是：
一种喷口控制回路执行机构动态特性评估指标生成方法，包括：
步骤一、基于航空发动机喷口控制回路执行机构，构建喷口控制回路模型；
步骤二、对所述喷口控制回路模型进行集成处理，得到喷口控制回路等效模型，并从所述喷口控制回路等效模型中提取影响动态特性的关键参数，并基于所述关键参数构建动态特性评估指标；
步骤三、对所述动态特性评估指标进行试验验证。
在本申请的至少一个实施例中，所述喷口控制回路模型包括：
数字电子控制器模块，所述数字电子控制器模块包括：
第一控制子模块，包括依次连接的第一A/D转换单元、第一A8标定线单元、第一滤波单元以及第一表决单元；
第二控制子模块，包括依次连接的第二A/D转换单元、第二Ln标定线单元、第二滤波单元以及第二表决单元；
控制算法单元，用于接收所述第一表决单元的第一表决信号A8，以及接收所述第二表决单元的第二表决信号Ln，并进行处理得到输出控制信号；
D/A转换单元，用于接收所述输出控制信号进行D/A转换；
喷口调节装置模块，所述喷口调节装置模块包括：
电液伺服阀流量增益单元，用于接收经过D/A转换后的所述控制信号，并根据所述控制信号计算考虑滞后以及动态特性的电液伺服阀流量，用Kv1*F1(s)表示其传递函数特性；
分油活门位移积分增益单元，用于接收所述电液伺服阀流量，并根据所述电液伺服阀流量计算分油活门位移，其特性用积分环节KLn1/s表示其传递函数特性，还用于将所述分油活门位移发送给所述第二A/D转换单元；
分油活门流量增益单元，用于接收所述分油活门位移，并根据所述分油活门位移计算考虑滞后特性后的分油活门流量，用KLn2*F2(s)表示其传递函数特性；
A8作动筒模块，所述A8作动筒模块包括：
作动筒位移增益单元，用于接收所述分油活门流量，并根据所述分油活门流量计算作动筒位移，用KA8/s表示其传递函数，还用于将所述作动筒位移经过反馈传输单元发送给所述第一A/D转换单元。
在本申请的至少一个实施例中，所述喷口控制回路等效模型包括：
数字电子控制器模块，所述数字电子控制器模块包括：
第一控制子模块，包括依次连接的第一A/D转换单元、第一A8标定线单元、第一滤波单元以及第一表决单元；
第二控制子模块，包括依次连接的第二A/D转换单元、第二Ln标定线单元、第二滤波单元以及第二表决单元；
控制算法单元，用于接收所述第一表决单元的第一表决信号A8，以及接收所述第二表决单元的第二表决信号Ln，并进行处理得到输出控制信号；
D/A转换单元，用于接收所述输出控制信号进行D/A转换；
第一执行机构模块，所述第一执行机构模块包括：
第一特性单元，用于接收经过A/D转换后的所述控制信号，并对所述控制信号进行滞后以及动态特性处理；
分油活门运动速率单元，用于接收考虑滞后以及动态特性后的所述控制信号，并根据所述控制信号计算不同电流下的分油活门位置，其中，KvLn＝Kv1*KLn1表示分油活门运动速率，还用于将所述分油活门位移发送给所述第二A/D转换单元；
第二特性单元，用于接收所述分油活门位移，并对所述分油活门位移进行滞后与动态特性处理；
第二喷口执行机构模块，所述第二喷口执行机构模块包括：
作动筒运动速率单元，用于接收考虑滞后和动态特性的所述分油活门位移，并根据所述分油活门位移计算不同分油活门的位移下的作动筒位置，其中，Kv2＝KLn2*KA8，用于表示作动筒运动速率，还用于将所述作动筒位移经过反馈传输单元发送给所述第一A/D转换单元。
在本申请的至少一个实施例中，从所述喷口控制回路等效模型中提取的影响动态特性的关键参数包括：所述分油活门运动速率KvLn以及所述作动筒运动速率Kv2。
在本申请的至少一个实施例中，基于所述关键参数构建的动态特性评估指标包括分油活门运动速率指标以及作动筒运动速率指标。
发明至少存在以下有益技术效果：
本申请的喷口控制回路执行机构动态特性评估指标生成方法，针对电液伺服阀、分油活门、作动筒执行机构结构建立喷口控制回路模型，提取影响动态特性的关键参数作为动态特性评估指标，将动态特性评估指标作为新增的产品指标对产品动态特性进行约束，可以提升双流水执行机构产品特性一致性，达到统一控制参数、提升控制品质的目的。
附图说明
图1是现有技术中带有分油活门、作动筒的伺服控制回路原理框图；
图2是本申请一个实施方式的喷口控制回路模型示意图；
图3是本申请一个实施方式的喷口控制回路等效模型示意图；
图4是本申请一个实施方式的Ln速率指标示意图；
图5是本申请一个实施方式的A8作动筒速率指标示意图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
下面结合附图2至图5对本申请做进一步详细说明。
本申请提供了一种喷口控制回路执行机构动态特性评估指标生成方法，包括以下步骤：
步骤一、基于航空发动机喷口控制回路执行机构，构建喷口控制回路模型；
步骤二、对喷口控制回路模型进行集成处理，得到喷口控制回路等效模型，并从喷口控制回路等效模型中提取影响动态特性的关键参数，并基于关键参数构建动态特性评估指标；
步骤三、对动态特性评估指标进行试验验证。
本申请的喷口控制回路执行机构动态特性评估指标生成方法，首先从喷口控制回路动态模型建模为出发点，建立喷口控制回路模型，对喷口控制回路执行机构部分进行集成和简化，得到影响动态特性的关键参数；对动态特性指标体系进行分析，给出了两个动态特性评估指标的意义；最后，针对新提出的动态特性指标，提出产品级试验验证方法。
在本申请的一个实施方式中，喷口控制回路模型，如图2所示，包括：
数字电子控制器模块，数字电子控制器模块包括：
第一控制子模块，包括依次连接的第一A/D转换单元、第一A8标定线单元、第一滤波单元以及第一表决单元；
第二控制子模块，包括依次连接的第二A/D转换单元、第二Ln标定线单元、第二滤波单元以及第二表决单元；
控制算法单元，用于接收第一表决单元的第一表决信号A8，以及接收第二表决单元的第二表决信号Ln，并进行处理得到输出控制信号；
D/A转换单元，用于接收输出控制信号进行D/A转换；
喷口调节装置模块，喷口调节装置模块包括：
电液伺服阀流量增益单元，用于接收经过D/A转换后的控制信号，并根据控制信号计算考虑滞后以及动态特性的电液伺服阀流量，用Kv1*F1(s)表示其传递函数特性；
分油活门位移积分增益单元，用于接收电液伺服阀流量，并根据电液伺服阀流量计算分油活门位移，其特性用积分环节KLn1/s表示其传递函数特性，还用于将分油活门位移发送给第二A/D转换单元；
分油活门流量增益单元，用于接收分油活门位移，并根据分油活门位移计算考虑滞后特性后的分油活门流量，用KLn2*F2(s)表示其传递函数特性；
A8作动筒模块，A8作动筒模块包括：
作动筒位移增益单元，用于接收分油活门流量，并根据分油活门流量计算作动筒位移，用KA8/s表示其传递函数，还用于将作动筒位移经过反馈传输单元发送给第一A/D转换单元。
本实施例中，采用“电液伺服阀、分油活门、作动筒”方案的喷口控制回路模型，其中，图2EEC的框中为数字电子控制器模型，包括控制器的硬件和软件，喷口调节装置以及A8作动筒为两个喷口执行机构。控制回路分为内环的Ln分油活门控制和外环的A8面积控制，内环反馈为KLn_feedback，外环反馈为KA8_feedback。模型参数的说明见表1。
表1
Figure BDA0004032966290000061
Figure BDA0004032966290000071
对图2中执行机构部分的模型进一步处理，得到图3所示的喷口控制回路等效模型。喷口控制回路等效模型包括：
数字电子控制器模块，数字电子控制器模块包括：
第一控制子模块，包括依次连接的第一A/D转换单元、第一A8标定线单元、第一滤波单元以及第一表决单元；
第二控制子模块，包括依次连接的第二A/D转换单元、第二Ln标定线单元、第二滤波单元以及第二表决单元；
控制算法单元，用于接收第一表决单元的第一表决信号A8，以及接收第二表决单元的第二表决信号Ln，并进行处理得到输出控制信号；
D/A转换单元，用于接收输出控制信号进行D/A转换；
第一执行机构模块，第一执行机构模块包括：
第一特性单元，用于接收经过A/D转换后的控制信号，并对控制信号进行滞后以及动态特性处理；
分油活门运动速率单元，用于接收考虑滞后以及动态特性后的控制信号，并根据控制信号计算不同电流下的分油活门位置，其中，KvLn＝Kv1*KLn1表示分油活门运动速率，还用于将分油活门位移发送给第二A/D转换单元；
第二特性单元，用于接收分油活门位移，并对分油活门位移进行滞后与动态特性处理；
第二喷口执行机构模块，第二喷口执行机构模块包括：
作动筒运动速率单元，用于接收考虑滞后和动态特性的所述分油活门位移，并根据所述分油活门位移计算不同分油活门的位移下的作动筒位置，其中，Kv2＝KLn2*KA8，用于表示作动筒运动速率，还用于将所述作动筒位移经过反馈传输单元发送给所述第一A/D转换单元。
本实施例中，图3的模型参数说明见表2。
表2
Figure BDA0004032966290000072
Figure BDA0004032966290000081
本实施例中，从喷口控制回路等效模型中提取的影响动态特性的关键参数包括：分油活门运动速率以及作动筒运动速率。基于关键参数构建的动态特性评估指标包括：分油活门运动速率指标以及作动筒运动速率指标。对其动态特性考核约束指标进行说明和对比分析，如表3为现有执行机构产品动态特性指标评估方法说明。
表3
Figure BDA0004032966290000082
如表3所示，现有执行机构主要以发动机数字电子控制器EEC+执行机构+反馈环节构成的闭环回路进行整个回路的设计指标进行约束，而执行机构产品主要以最大电流下的最大能力作为动态指标，缺少详细的动态指标的约束。如图4、5所示，最大电流下的Ln运动时间和A8作动筒全程运动时间对应动态特性图中的边界点特性(图4和图5框内的曲线端点)，而控制系统闭环使用时主要是在0点附近的点，从图4和图5可以看出，现有指标所提的设计指标约束比较宽松。用这个指标很难保证产品动态特性的一致性。
本申请的喷口控制回路执行机构动态特性评估指标生成方法，针对动态特性评估指标，进行产品级试验验证，其中，两个速率指标的试验方法如下：
根据建模仿真过程，试验数据对建模精度影响比较大，为了获得更为准确的模型现有的半物理试验方法需要提进一步的要求：
(a)半物理试验需要是尽量加载情况下的数据，这样与实际产品在发动机上的表现会更贴近；
(b)电流对Ln速度的试验数据。
在最大电流和最小电流试验基础上，补充平衡电流到最大电流、平衡位置到最小电流，以及其他不同电流，至少选5-10个中间点。考虑实际积分特性导致分油活门在某一个电流下，不会保持在固定位置，而是运动到某一机械止动位置，不能让两个同向运动的电流连续测试，否则第二个电流没有有效数据。本专利提出采用闭环开环切换的方式，如下表所示的试验验证项目。假定全程范围-0.5～0.5，可以保持-0.45闭环控，切换开环电流试验，设置为正向运动的电流，测试分油活门的正向移动速率，之后返回-0.45的位置进行闭环控，再换另一个开环电流，测试分油活门正向移动速率，之后返回-0.45位置进行闭环控制，依次测试多组电流下的分油活门正向移动速率。反向时，以0.45为闭环位置，切换为开环电流，测试分油活门反向移动速率，返回0.45为闭环位置，换另外一个开环电流，测试不同电流下分油活门的反向移动速率，依次反复循环。完成多组电流两个方向的分油活门速率测试试验项目。表4给出了内环分油活门速率试验项目建议，其中，“闭环”代表分油活门位置闭环控制模式，“开环”代表电流开环的控制模式。
表4
Figure BDA0004032966290000091
(c)Ln对D8的试验数据
与分油活门Ln类似，需要设计Ln对D8的试验项目，以获得不同Ln时D8的移动速率。假定D8在小闭环时以50-100cm按长度进行控制，那么可以采用表5所示的试验项目。如表所示，在D8作动筒最短位置附近进行闭环控，切换开环模式，测试作动筒伸出速率，需要注意方向性，此时给分油活门-0.1、-0.2、-0.3、-0.4、-0.5可以测试D8作动筒伸出速率。同样另外一侧的试验方法相同。
表5
Figure BDA0004032966290000101
本申请的喷口控制回路执行机构动态特性评估指标生成方法，提出电液伺服阀-分油活门速率以及分油活门-作动筒速率两个指标衡量执行机构的动态特性，在原有技术指标体系上进行了进一步扩充，且新增两个技术指标体现了产品线性度的要求和一致性的要求，对产品动态特性约束能力更强；本申请提出了电液伺服阀-分油活门速率以及分油活门-作动筒速率两个动态特性试验验证方法，在产品出厂阶段即可对动态特性进行摸底，加强了对动态特性考核能力，同时将执行机构动态特性的验证节点提前，提升了系统研制能力。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种喷口控制回路执行机构动态特性评估指标生成方法，其特征在于，包括：
步骤一、基于航空发动机喷口控制回路执行机构，构建喷口控制回路模型；
步骤二、对所述喷口控制回路模型进行集成处理，得到喷口控制回路等效模型，并从所述喷口控制回路等效模型中提取影响动态特性的关键参数，并基于所述关键参数构建动态特性评估指标；
步骤三、对所述动态特性评估指标进行试验验证。
2.根据权利要求1所述的喷口控制回路执行机构动态特性评估指标生成方法，其特征在于，所述喷口控制回路模型包括：
数字电子控制器模块，所述数字电子控制器模块包括：
第一控制子模块，包括依次连接的第一A/D转换单元、第一A8标定线单元、第一滤波单元以及第一表决单元；
第二控制子模块，包括依次连接的第二A/D转换单元、第二Ln标定线单元、第二滤波单元以及第二表决单元；
控制算法单元，用于接收所述第一表决单元的第一表决信号A8，以及接收所述第二表决单元的第二表决信号Ln，并进行处理得到输出控制信号；
D/A转换单元，用于接收所述输出控制信号进行D/A转换；
喷口调节装置模块，所述喷口调节装置模块包括：
电液伺服阀流量增益单元，用于接收经过D/A转换后的所述控制信号，并根据所述控制信号计算考虑滞后以及动态特性的电液伺服阀流量，用Kv1*F1(s)表示其传递函数特性；
分油活门位移积分增益单元，用于接收所述电液伺服阀流量，并根据所述电液伺服阀流量计算分油活门位移，其特性用积分环节KLn1/s表示其传递函数特性，还用于将所述分油活门位移发送给所述第二A/D转换单元；
分油活门流量增益单元，用于接收所述分油活门位移，并根据所述分油活门位移计算考虑滞后特性后的分油活门流量，用KLn2*F2(s)表示其传递函数特性；
A8作动筒模块，所述A8作动筒模块包括：
作动筒位移增益单元，用于接收所述分油活门流量，并根据所述分油活门流量计算作动筒位移，用KA8/s表示其传递函数，还用于将所述作动筒位移经过反馈传输单元发送给所述第一A/D转换单元。
3.根据权利要求2所述的喷口控制回路执行机构动态特性评估指标生成方法，其特征在于，所述喷口控制回路等效模型包括：
数字电子控制器模块，所述数字电子控制器模块包括：
第一控制子模块，包括依次连接的第一A/D转换单元、第一A8标定线单元、第一滤波单元以及第一表决单元；
第二控制子模块，包括依次连接的第二A/D转换单元、第二Ln标定线单元、第二滤波单元以及第二表决单元；
控制算法单元，用于接收所述第一表决单元的第一表决信号A8，以及接收所述第二表决单元的第二表决信号Ln，并进行处理得到输出控制信号；
D/A转换单元，用于接收所述输出控制信号进行D/A转换；
第一执行机构模块，所述第一执行机构模块包括：
第一特性单元，用于接收经过A/D转换后的所述控制信号，并对所述控制信号进行滞后以及动态特性处理；
分油活门运动速率单元，用于接收考虑滞后以及动态特性后的所述控制信号，并根据所述控制信号计算不同电流下的分油活门位置，其中，KvLn＝Kv1*KLn1表示分油活门运动速率，还用于将所述分油活门位移发送给所述第二A/D转换单元；
第二特性单元，用于接收所述分油活门位移，并对所述分油活门位移进行滞后与动态特性处理；
第二喷口执行机构模块，所述第二喷口执行机构模块包括：
作动筒运动速率单元，用于接收考虑滞后和动态特性的所述分油活门位移，并根据所述分油活门位移计算不同分油活门的位移下的作动筒位置，其中，Kv2＝KLn2*KA8，用于表示作动筒运动速率，还用于将所述作动筒位移经过反馈传输单元发送给所述第一A/D转换单元。
4.根据权利要求3所述的喷口控制回路执行机构动态特性评估指标生成方法，其特征在于，从所述喷口控制回路等效模型中提取的影响动态特性的关键参数包括：所述分油活门运动速率KvLn以及所述作动筒运动速率Kv2。
5.根据权利要求4所述的喷口控制回路执行机构动态特性评估指标生成方法，其特征在于，基于所述关键参数构建的动态特性评估指标包括分油活门运动速率指标以及作动筒运动速率指标。
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CN116820003A (zh) * 2023-06-27 2023-09-29 中国航发沈阳发动机研究所 一种喷口总线通讯控制时滞阈值确定方法

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