姚華廷，徐 敏，王 曦

(1.北京航空航天大學(xué)，北京100191；2.空軍裝備研究院總體所，北京100085；3.中航工業(yè)黎陽(yáng)公司，貴州平壩561102)

1 引言

第二代航空發(fā)動(dòng)機(jī)液壓機(jī)械控制器，采用保持低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n1、噴口面積及渦輪膨脹比不變(加力狀態(tài))，并限制高壓轉(zhuǎn)子最大轉(zhuǎn)速的控制規(guī)律。當(dāng)確定發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的油門(mén)位置不變時(shí)，通過(guò)主燃油泵的等壓差活門(mén)開(kāi)環(huán)供油調(diào)節(jié)n1(n1＜85%)和離心式轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器閉環(huán)調(diào)節(jié)(n1≥85%)保持n1不變。其轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)品質(zhì)可通過(guò)n1的擺動(dòng)量來(lái)衡量[1]。當(dāng)油門(mén)手柄位置一定時(shí)，允許的轉(zhuǎn)速擺動(dòng)量為：n1＜88%時(shí)不超過(guò)±0.5%，n1≥88%時(shí)不超過(guò)±0.3%。使用中，轉(zhuǎn)速擺動(dòng)量超過(guò)上述規(guī)定范圍時(shí)，不僅會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)的強(qiáng)烈振動(dòng)，損壞機(jī)件，而且在空中還會(huì)給飛行員的操縱帶來(lái)困難，危及飛行安全[2，3]。導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速擺動(dòng)的原因很多，但通常把由發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)引起的擺動(dòng)稱(chēng)為真擺動(dòng)，由指示系統(tǒng)造成的擺動(dòng)稱(chēng)為假擺動(dòng)。真擺動(dòng)屬于控制品質(zhì)問(wèn)題，是本文的主要研究方向。

轉(zhuǎn)速擺動(dòng)問(wèn)題一直受到工程人員和科研人員的重視，并做了大量研究工作。工程人員從密封、工藝、磨損和結(jié)構(gòu)等方面做了大量改進(jìn)，并取得一定成效?？蒲腥藛T對(duì)控制器建立了控制系統(tǒng)的線性數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了穩(wěn)定性分析和仿真計(jì)算，探索了分油活門(mén)重疊量、給定彈簧剛度及預(yù)壓縮量、離心飛重重量和反饋活門(mén)重疊量等因素對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)性能(特別是穩(wěn)定性)的影響[4～7]。但這些分析和仿真存在一些不足，對(duì)轉(zhuǎn)速控制器結(jié)構(gòu)的分析不夠充分和準(zhǔn)確，沒(méi)有找到擺動(dòng)故障的原因。

為此，本文針對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速擺動(dòng)問(wèn)題，對(duì)控制器的比例積分控制原理進(jìn)行了分析，采用AMESim建立液壓機(jī)械式轉(zhuǎn)速控制器燃油調(diào)節(jié)器的模型，對(duì)控制器原理進(jìn)行了仿真；詳細(xì)分析了轉(zhuǎn)速擺動(dòng)機(jī)理并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，給出了轉(zhuǎn)速擺動(dòng)問(wèn)題的解決思路。

2 閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制器模型

閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制器模型由機(jī)械離心飛重、帶襯套分油活門(mén)、帶反饋杠桿的反饋活塞、反向活門(mén)、中腔層板和隨動(dòng)活塞組成[8]，如圖1所示。當(dāng)調(diào)節(jié)器處于平衡位置時(shí)，反饋活塞的反向活門(mén)處于中立位置，即反向活門(mén)處于關(guān)閉中腔進(jìn)油路和出油路的位置，是一個(gè)閉死區(qū)間。與反饋杠桿相連接的分油活門(mén)襯套和分油活門(mén)也處于中立位置，且?guī)бr套分油活門(mén)的中立位置由反向活門(mén)的中立位置閉死區(qū)間決定，閉死區(qū)間越大，帶襯套分油活門(mén)的中立位置區(qū)間也越大，相應(yīng)的調(diào)節(jié)誤差就越大，系統(tǒng)的靈敏度變差，但穩(wěn)定性變好。作用在分油活門(mén)右端的換算離心力與左端的調(diào)準(zhǔn)彈簧力相等，分油活門(mén)穩(wěn)定在中立位置附近，通往隨動(dòng)活塞左腔的開(kāi)度與通往反饋活塞右腔的開(kāi)度基本相等，作用在隨動(dòng)活塞左腔的油壓力和斜盤(pán)反力與作用在反饋活塞右腔的油壓力和彈簧力平衡[8，9]。

由此可知，當(dāng)分油活門(mén)處于中立位置時(shí)，轉(zhuǎn)速偏差為零。當(dāng)轉(zhuǎn)速指令(即彈簧力)或?qū)嶋H轉(zhuǎn)速(即離心飛重離心力)變化時(shí)，分油活門(mén)偏離中立位置，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速偏差e，分油活門(mén)通往左、右腔的開(kāi)度變化，流入左、右腔的流量變化，反饋活塞和隨動(dòng)活塞移動(dòng)到一新的位置(流量到位移為一積分環(huán)節(jié))。同時(shí)，隨動(dòng)活塞通過(guò)反饋杠桿帶動(dòng)分油活門(mén)襯套移動(dòng)，使分油活門(mén)兩邊開(kāi)度重新達(dá)到平衡。從偏差e到反饋活塞新位置為一慣性環(huán)節(jié)，穩(wěn)定時(shí)反饋活塞新位置與e成比例，實(shí)現(xiàn)比例控制，但反饋活塞的運(yùn)動(dòng)限制了最大比例控制的輸出值。同時(shí)，反向活門(mén)根據(jù)相應(yīng)偏差，打開(kāi)進(jìn)油孔和回油孔，改變流入或流出中腔的流量，使中腔長(zhǎng)度發(fā)生變化(流量到中間長(zhǎng)度為積分環(huán)節(jié))，從而控制隨動(dòng)活塞位置，實(shí)現(xiàn)積分控制，但最大積分系數(shù)受中腔層板限制。所以閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制器是一個(gè)帶比例積分最大值限制的比例積分控制器，其控制框圖見(jiàn)圖2。

通過(guò)以上分析可看出，為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，控制器設(shè)計(jì)時(shí)采取了以下幾項(xiàng)措施：①比例控制器由帶比例反饋的液壓放大器實(shí)現(xiàn)；②轉(zhuǎn)速指令值大于實(shí)際轉(zhuǎn)速時(shí)，限制比例控制器中的最大控制量，同時(shí)使用層板限制器限制最大積分控制輸出值；③限制積分控制器的最大控制量，且偏差較小時(shí)利用反向活門(mén)正重疊關(guān)閉積分控制器。

相反，為提高系統(tǒng)準(zhǔn)確性和靈敏度，也采取了一些措施：①采用較小的反向活門(mén)正重疊量，減小中立位置閉死區(qū)間；②增大反饋杠桿傳動(dòng)比值，減小分油油門(mén)中立位置閉死區(qū)間；③分油活門(mén)采用負(fù)重疊，保證穩(wěn)態(tài)時(shí)正常液壓油流動(dòng)；④用反饋活塞右腔彈簧力平衡柱塞泵斜盤(pán)反力。

采用AMESim建模，第一個(gè)難點(diǎn)是確定分油活門(mén)的中立位置，第二個(gè)難點(diǎn)是確定反饋活門(mén)的最大位移限制(即比例值的飽和限制)。根據(jù)以上分析，建立如圖3所示模型。

3 控制器原理仿真

模型調(diào)試按以上分析進(jìn)行。進(jìn)行開(kāi)環(huán)調(diào)試，給定一轉(zhuǎn)速偏差e，當(dāng)e在中立位置范圍內(nèi)時(shí)，反饋活塞的反向活門(mén)處于中立位置，層板節(jié)流器處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)e較大時(shí)，反饋活塞位移與e成比例，層板節(jié)流器處于打開(kāi)狀態(tài)，反饋活塞勻速運(yùn)動(dòng)。

圖4為不同偏差輸入時(shí)反饋活塞的位置變化曲線。輸入偏差為0時(shí)，反向活門(mén)處于中立位置，中腔與定壓油和低壓腔均未溝通。在不同偏差作用下，反饋活塞很快達(dá)到平衡位置，慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)很短，且平衡位置與偏差成比例，起到比例環(huán)節(jié)作用。

圖2 閉環(huán)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速控制器控制框圖Fig.2 Block diagram of closed-loop steady-state speed controller

從圖5中不同偏差下反饋活塞與隨動(dòng)活塞的位移看，1.0～2.0 s時(shí)，實(shí)際轉(zhuǎn)速比指令轉(zhuǎn)速偏大，且偏差較大時(shí)，反饋活塞位移量與誤差成正比，偏差不變，反饋活塞位移不變，反向活門(mén)通低壓腔，隨動(dòng)活塞在積分控制作用下向右移動(dòng)。2.0～3.0 s時(shí)，實(shí)際轉(zhuǎn)速比指令轉(zhuǎn)速偏小，反饋活塞位移量與偏差成正比，偏差不變，反饋活塞位移不變，且誤差較大時(shí)反向活門(mén)通低壓油，隨動(dòng)活塞在積分控制作用下向左移動(dòng)。另外，中腔層板流量不影響反饋活塞運(yùn)動(dòng)，只會(huì)作用于隨動(dòng)活塞，反饋活塞位移只與偏差有關(guān)，積分作用大小不影響比例反饋，保證比例控制正常工作。圖6示出了不同偏差下各腔壓力變化?？梢?jiàn)，中腔壓力由左腔和右腔中壓力較低的腔壓決定，保證了積分控制器的正常工作。

上述仿真和分析說(shuō)明，閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制器為一個(gè)比例積分控制器，反饋活塞的位移輸出進(jìn)行比例控制，反向活門(mén)的流量進(jìn)行積分控制。

4 轉(zhuǎn)速擺動(dòng)機(jī)理分析

假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)模型為一階慣性環(huán)節(jié)，將圖2中的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速控制器和發(fā)動(dòng)機(jī)模型閉環(huán)起來(lái)，如圖7所示。

圖6 不同偏差下前、中、后腔壓力變化Fig.6 Pressure of left,middle and right chamber with different deviation

圖7 閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制器與發(fā)動(dòng)機(jī)閉環(huán)模型Fig.7 Block diagram of controller and engine

從圖中可得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：

特征方程特征根的實(shí)部為-(KPKtH+1)/2Tt，系統(tǒng)穩(wěn)定。增大比例控制量，特征根實(shí)部遠(yuǎn)離虛軸，穩(wěn)定性變好；增大比例控制系數(shù)KP，減小積分系數(shù)KI，阻尼系數(shù)ξ增大，抗干擾能力增強(qiáng)。但在工程實(shí)踐中，除減小中腔層板流量來(lái)減小KI外，常通過(guò)減小控制量來(lái)解決或減小轉(zhuǎn)速擺動(dòng)，如通過(guò)減小分油活門(mén)凸邊倒角、減小分油活門(mén)直徑等來(lái)減小比例控制量，反而降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以從提高穩(wěn)定性和抗干擾能力的方向考慮解決轉(zhuǎn)速擺動(dòng)穩(wěn)定性的思路行不通，需另行考慮。

4.1 開(kāi)環(huán)頻率特性仿真與分析

在仿真分析轉(zhuǎn)速擺動(dòng)過(guò)程中，從發(fā)動(dòng)機(jī)輸出端加入各種頻率的轉(zhuǎn)速脈動(dòng)信號(hào)，但觀察信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)速控制器后反饋活塞端輸出時(shí)，高頻信號(hào)幾乎被濾掉，低頻信號(hào)也被衰減。由前文可知，比例控制器由帶比例反饋的液壓放大器實(shí)現(xiàn)，若忽略慣性力，帶比例反饋的液壓放大器為一慣性環(huán)節(jié)，具有低通特性；如果交接頻率變高，某些頻率段的擺動(dòng)沒(méi)有有效衰減，很可能造成轉(zhuǎn)速擺動(dòng)?？紤]慣性力，反饋活塞和分油活門(mén)套筒是典型的質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，帶比例反饋的液壓放大器會(huì)表現(xiàn)出二階振蕩環(huán)節(jié)特性，當(dāng)阻尼系數(shù)小于某值時(shí)，幅頻特性會(huì)出現(xiàn)諧振峰值，諧振頻率附近的擾動(dòng)信號(hào)會(huì)被放大，也會(huì)引起轉(zhuǎn)速擺動(dòng)。為此，對(duì)帶比例反饋的液壓放大器進(jìn)行頻率響應(yīng)仿真就十分必要。頻率響應(yīng)仿真模型如圖8所示，輸入為分油活門(mén)位移，給定一定頻率的正弦信號(hào)，輸出為反饋活塞位移。

根據(jù)圖8中模型，分別輸入頻率從0.1 Hz到2.4 Hz，間隔頻率0.1 Hz，幅值0.3 mm的分油活門(mén)位移偏差信號(hào)，輸出的反饋活塞位移幅值如表1所示。

按表1數(shù)據(jù)繪制的轉(zhuǎn)速控制器的幅頻特性曲線如圖9所示。通過(guò)仿真得到的交接頻率范圍約為0.8～1.2 Hz。發(fā)動(dòng)機(jī)的自然頻率0.4～0.5 Hz，有效信號(hào)能順利通過(guò)液壓放大器，這也驗(yàn)證了用慣性環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)比例伺服控制的低通濾波作用。

分析發(fā)生過(guò)的轉(zhuǎn)速擺動(dòng)數(shù)據(jù)，一般是低頻擺動(dòng)，周期集中在0.5～1.5 s之間(相應(yīng)頻率0.66～2.00 Hz)，在1.0 s最為集中。而液壓伺服比例控制器交接頻率約0.8～1.2 Hz，轉(zhuǎn)速擺動(dòng)頻率分布在其兩端。研究這兩者的關(guān)系對(duì)于找到轉(zhuǎn)速擺動(dòng)原因意義重大。

表1 頻率響應(yīng)仿真數(shù)據(jù)Table 1 Data of frequency response simulation

在平衡點(diǎn)附近加入偏置幅值，在不同偏置幅值正弦信號(hào)作用下，液壓伺服比例機(jī)構(gòu)的頻率特性曲線會(huì)發(fā)生變化。特別是當(dāng)離中立平衡點(diǎn)偏置值越來(lái)越小時(shí)，原本表現(xiàn)出的典型一階慣性環(huán)節(jié)的頻率特性，會(huì)表現(xiàn)出二階振蕩欠阻尼時(shí)的頻率特性，且一階慣性環(huán)節(jié)的交接頻率與二階振蕩環(huán)節(jié)的諧振頻率基本相同。

假設(shè)轉(zhuǎn)速控制器中實(shí)現(xiàn)比例控制作用的比例伺服閥的特性與文獻(xiàn)[10]中的類(lèi)似：平衡點(diǎn)轉(zhuǎn)速偏置值大于±0.3%時(shí)，比例伺服閥的頻率特性表現(xiàn)為一階慣性環(huán)節(jié)；偏置值小于±0.3%時(shí)，頻率特性表現(xiàn)為欠阻尼的二階振蕩環(huán)節(jié)，諧振頻率約1.0 Hz左右。

按以上假設(shè)，當(dāng)轉(zhuǎn)速控制器與發(fā)動(dòng)機(jī)組成閉環(huán)后，在1.0 Hz頻率附近小于±0.3%的外界干擾信號(hào)會(huì)被放大，放大的干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)后頻率仍在1.0 Hz附近，再次通過(guò)離心飛重和伺服比例控制器放大，直至達(dá)到±0.3%。當(dāng)外界干擾動(dòng)信號(hào)大于±0.3%時(shí)，比例伺服閥會(huì)將其衰減，直至≤±0.3%。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速擺動(dòng)量就能控制到±0.3%。

如果比例伺服閥的頻率特性表現(xiàn)為欠阻尼二階振蕩環(huán)節(jié)的平衡點(diǎn)偏置值大于±0.3%，如達(dá)到±0.5%，則轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制精度只能達(dá)到±0.5%，就會(huì)在諧振頻率附近產(chǎn)生至少±0.5%的轉(zhuǎn)速擺動(dòng)量。同時(shí)，由于比例控制器的輸出(即反饋活塞位移)直接決定反向活門(mén)的打開(kāi)和關(guān)閉，擺動(dòng)量大小會(huì)通過(guò)積分控制器進(jìn)一步加強(qiáng)。由以上假設(shè)和分析可得出：轉(zhuǎn)速擺動(dòng)問(wèn)題歸根結(jié)底為伺服比例控制器的精度問(wèn)題，轉(zhuǎn)速擺動(dòng)頻率分布在伺服比例控制器交接頻率附近(在1.0 Hz處最為集中)。分析結(jié)論與實(shí)際故障數(shù)據(jù)吻合，故障現(xiàn)象得到很強(qiáng)的理論解釋。

按以上分析，發(fā)動(dòng)機(jī)閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制器的控制精度可通過(guò)比例伺服閥的開(kāi)環(huán)頻率特性得到。頻率仿真時(shí)，緩慢減小頻率信號(hào)相對(duì)平衡點(diǎn)的偏離值，直至伺服比例控制器表現(xiàn)出欠阻尼的二階振蕩環(huán)節(jié)特性，這時(shí)的偏離值即為轉(zhuǎn)速控制的精度值。

4.2 轉(zhuǎn)速擺動(dòng)分析試驗(yàn)驗(yàn)證

若單獨(dú)對(duì)閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制器中的伺服比例控制器進(jìn)行試驗(yàn)，輸入信號(hào)為分油活門(mén)位移相對(duì)中立位置平衡點(diǎn)偏置的頻率信號(hào)，測(cè)量反饋活塞對(duì)應(yīng)的輸出位移幅值將十分困難。且試驗(yàn)需單獨(dú)研制相關(guān)設(shè)備和殼體組件，并保證單獨(dú)試驗(yàn)的伺服比例控制器的工況與主燃油泵中的相同，調(diào)試伺服比例控制器分油活門(mén)至中立位置將十分繁雜且基本不具備工程可行性。因此，有必要找到一種工程可行的頻率特性試驗(yàn)方法，最好能在主燃油泵里進(jìn)行伺服比例控制器的頻率特性試驗(yàn)。

主燃油泵在工廠產(chǎn)品試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行整泵出廠試驗(yàn)中，閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制器調(diào)試時(shí)，輸入信號(hào)是帶動(dòng)離心飛重轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，觀測(cè)的輸出信號(hào)為油門(mén)開(kāi)關(guān)后的油壓。通過(guò)增加電機(jī)轉(zhuǎn)速，觀察油門(mén)開(kāi)關(guān)后油壓變化，調(diào)試油門(mén)桿角度對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)直接決定伺服比例控制器分油活門(mén)的位置。輸出的油門(mén)開(kāi)關(guān)后的油壓也能間接反映反饋活塞位移。調(diào)試油門(mén)桿角度對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速的過(guò)程中，通過(guò)微調(diào)可找到分油活門(mén)的中立平衡位置及中立平衡位置內(nèi)偏上的位置。所以，通過(guò)輸入一定幅值的正弦轉(zhuǎn)速信號(hào)就能得到伺服比例控制器分油活門(mén)的偏離信號(hào)輸入，通過(guò)觀測(cè)油門(mén)開(kāi)關(guān)后的油壓可間接獲取反饋活塞輸出。

試驗(yàn)前，對(duì)轉(zhuǎn)速電機(jī)電路做一定改造，在電機(jī)調(diào)整開(kāi)關(guān)上并聯(lián)一可調(diào)電阻分壓器，用一PLC可編程控制器精確控制繼電器通斷，接通和關(guān)閉可調(diào)電阻分壓器，模擬轉(zhuǎn)速的正弦頻率信號(hào)。試驗(yàn)步驟為：

(1)按試驗(yàn)轉(zhuǎn)速大小調(diào)整轉(zhuǎn)速擾動(dòng)量幅值。通過(guò)手動(dòng)開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)電機(jī)至試驗(yàn)轉(zhuǎn)速，接通繼電器，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻分壓器阻值，使轉(zhuǎn)速降低量滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

(2)將油門(mén)桿置于自始轉(zhuǎn)速以上某點(diǎn)(可事先設(shè)定，本文以3 500 r/min為例)。按調(diào)試大綱調(diào)試該油門(mén)桿角度對(duì)應(yīng)的協(xié)同轉(zhuǎn)速，調(diào)整到位后觀察油門(mén)開(kāi)關(guān)后的壓力，壓力降低后手動(dòng)略微減小轉(zhuǎn)速，使油門(mén)開(kāi)關(guān)后的壓力恒定。此時(shí)的位置對(duì)應(yīng)平衡轉(zhuǎn)速位置內(nèi)偏上的位置。

(3)啟動(dòng)可編程控制器，輸入頻率分別為0.1 Hz、0.5 Hz、1.0 Hz、2.0 Hz、5.0 Hz、10.0 Hz的開(kāi)關(guān)信號(hào)，接通和關(guān)閉可調(diào)電阻分壓器，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速正弦頻率信號(hào)。用數(shù)字示波記錄儀記錄油門(mén)開(kāi)關(guān)后壓力。

用兩臺(tái)泵做對(duì)比試驗(yàn)：一臺(tái)為性能合格的工藝泵，另一臺(tái)為故障泵(轉(zhuǎn)速擺動(dòng)范圍0.8%，擺動(dòng)頻率約1～2 s)。在3 500 r/min試驗(yàn)轉(zhuǎn)速下輸入幅值為21 r/min的模擬正弦頻率信號(hào)，觀測(cè)結(jié)果如圖10所示。可見(jiàn)，工藝泵頻率特性表現(xiàn)出一階慣性環(huán)節(jié)特性，能滿(mǎn)足0.6%(即±0.3%)的精度要求；而故障泵在1.0 Hz頻率處的輸出幅值明顯比0.5 Hz和2.0 Hz頻率處的大，不滿(mǎn)足±0.3%的精度要求，發(fā)生了轉(zhuǎn)速擺動(dòng)，擺動(dòng)頻率在1.0 Hz附近。

以上試驗(yàn)驗(yàn)證了前文對(duì)轉(zhuǎn)速擺動(dòng)原因分析的正確性。同時(shí)，這種開(kāi)環(huán)頻率特性的試驗(yàn)方法能檢測(cè)主燃油泵的閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制精度，使用開(kāi)環(huán)穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)就能方便地發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速擺動(dòng)征兆，具有非常強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值。

4.3 轉(zhuǎn)速擺動(dòng)問(wèn)題的解決思路

解決轉(zhuǎn)速擺動(dòng)問(wèn)題的思路可明確為三點(diǎn)：一是增大伺服比例控制器交接頻率，使擺動(dòng)頻率表現(xiàn)為高頻擺動(dòng)；二是提高伺服比例控制器精度，這是解決轉(zhuǎn)速擺動(dòng)問(wèn)題的“本”；三是在伺服比例控制器精度范圍內(nèi)，控制與反饋活塞一體的反向活門(mén)的閉死區(qū)間，減小積分環(huán)節(jié)開(kāi)啟對(duì)轉(zhuǎn)速擺動(dòng)量的影響，這是解決轉(zhuǎn)速擺動(dòng)問(wèn)題的“標(biāo)”。

增大伺服比例控制器交接頻率的方法即減小慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)，可采用改進(jìn)結(jié)構(gòu)的方法實(shí)現(xiàn)。第三代發(fā)動(dòng)機(jī)液壓機(jī)械轉(zhuǎn)速控制器中的比例控制器采用校正活塞實(shí)現(xiàn)，擺桿偏差通過(guò)液壓力變化快速比例作用到校正活塞彈簧，慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)小，交接頻率大，基本解決了轉(zhuǎn)速低頻擺動(dòng)問(wèn)題。

目前，工程中常用來(lái)提高分油活門(mén)式伺服機(jī)構(gòu)精度的方法包括：提高分油活門(mén)和襯套的配合精度；提高凸臺(tái)和窗口的銳邊尖度；加強(qiáng)工藝管理防止銳邊磨損。根據(jù)本文方法，可通過(guò)頻率特性試驗(yàn)方法定量研究銳邊尖度與伺服比例控制器精度間的關(guān)系。

另外，在保證控制穩(wěn)態(tài)精度的前提下，適當(dāng)加大反向活門(mén)的正重疊量，并提高凸臺(tái)與窗口的銳邊尖度，以此減小積分環(huán)節(jié)在擺動(dòng)過(guò)程中的開(kāi)啟，加大對(duì)轉(zhuǎn)速擺動(dòng)量的影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了某型發(fā)動(dòng)機(jī)閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制器的仿真模型，對(duì)閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制器的原理進(jìn)行了分析和仿真驗(yàn)證。提出了該液壓機(jī)械式閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制器采用了帶比例積分最大值限制的比例積分控制器，分析了控制系統(tǒng)穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)參數(shù)間的關(guān)系，并否定了用提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法來(lái)解決轉(zhuǎn)速擺動(dòng)問(wèn)題的思路。通過(guò)頻率特性研究，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制器中伺服比例控制器的截止頻率與轉(zhuǎn)速擺動(dòng)頻率基本接近。根據(jù)比例伺服機(jī)構(gòu)特性，分析得到轉(zhuǎn)速擺動(dòng)的根源是伺服比例控制器的精度，并能通過(guò)頻率特性仿真方法得到。根據(jù)主燃油泵穩(wěn)態(tài)調(diào)試臺(tái)現(xiàn)有條件，結(jié)合現(xiàn)有調(diào)試方法，設(shè)計(jì)了主燃油泵頻率特性試驗(yàn)。在同等輸入下，對(duì)故障泵和工藝泵分別進(jìn)行頻率特性試驗(yàn)，有力地驗(yàn)證了轉(zhuǎn)速擺動(dòng)原因分析的正確性。該試驗(yàn)方法具有很強(qiáng)的工程實(shí)用性。

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