程 波,馬 克,曾發(fā)全,趙 巍

(航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川 成都 610073)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪后排氣溫度Tt控制系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵控制系統(tǒng)，直接表征發(fā)動(dòng)機(jī)的推力；航空發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行試車調(diào)試、飛行試驗(yàn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)低壓渦輪后排氣溫度Tt擺動(dòng)的故障，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)在中間及加力狀態(tài)工作時(shí)容易引起推力脈動(dòng)、低壓渦輪后排氣溫度Tt超溫，從而損壞發(fā)動(dòng)機(jī)，危及飛行安全[1-2]。如果在地面試車調(diào)試過程中不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除低壓渦輪后排氣溫度控制系統(tǒng)故障，將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的推力性能，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)超溫?zé)龎陌l(fā)動(dòng)機(jī)部件等不可逆轉(zhuǎn)故障[3]，直接影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車安全和飛行安全。所以必須將此類故障排除在發(fā)動(dòng)機(jī)的地面調(diào)試過程并進(jìn)行試車驗(yàn)證，以確保發(fā)動(dòng)機(jī)后續(xù)使用安全。對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪后排氣溫度Tt控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，找出Tt擺動(dòng)的危害、故障機(jī)理，并開發(fā)基于虛擬儀器的航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪后排氣溫度Tt控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)，在仿真平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)典型擺動(dòng)故障及其抑制方法仿真。

虛擬儀器技術(shù)是近年來發(fā)展迅速的一種直觀高效的測(cè)控、仿真解決方案，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的不斷發(fā)展，虛擬儀器已經(jīng)具有了非常強(qiáng)大的可開發(fā)性和可擴(kuò)展性，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)控和實(shí)驗(yàn)室研究中[4-5]。其中，由NI公司出品的圖形化編程軟件LabVIEW是使用最廣泛的計(jì)算機(jī)虛擬儀器編程語言，具有直觀、生動(dòng)、界面友好、功能強(qiáng)大、兼容性好等眾多優(yōu)點(diǎn)。在國內(nèi)，南昌航空大學(xué)的陳松林[6]曾利用LabVIEW系統(tǒng)開發(fā)了針對(duì)旋翼系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及處理軟件。孔維萍等[7]則在LabVIEW環(huán)境下進(jìn)行了光纖慣組測(cè)試系統(tǒng)研究。

筆者從實(shí)際工作需求出發(fā)，應(yīng)用LabVIEW 2017開發(fā)了雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)故障模擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在仿真平臺(tái)上重現(xiàn)了實(shí)際試車過程低壓渦輪后排氣溫度出現(xiàn)擺動(dòng)的故障，根據(jù)仿真結(jié)果提出了排除故障的方法，并在虛擬儀器平臺(tái)上對(duì)提出的排故方法進(jìn)行仿真，可以指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際故障排除工作。

1 低壓渦輪后排氣溫度控制系統(tǒng)

典型的雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)其進(jìn)口總溫T0控制燃油流量Wf來實(shí)現(xiàn)中間狀態(tài)及加力狀態(tài)控制計(jì)劃，如式(1)～式(3)所示[8]。

nL=f(T0)

(1)

nH=f(T0)

(2)

Tt=f(T0)

(3)

式(1)～式(3)中，高、低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速nL、nH和渦輪后排氣溫度Tt是被控變量，主燃油流量是控制變量，在中間及加力狀態(tài)，電子式控制器根據(jù)nL、nH、Tt控制計(jì)劃計(jì)算所需的主燃油流量，并采用低選方式選擇被控變量。因此，被控變量的選取根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口總溫T0的變化來自動(dòng)切換，當(dāng)進(jìn)口總溫T0在一定的范圍內(nèi)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在中間及加力狀態(tài)將選擇渦輪后排氣溫Tt為被控變量，即以Tt為主控通道。

低壓渦輪后排氣溫度Tt控制系統(tǒng)由電子式數(shù)字控制器、機(jī)械液壓式主燃油調(diào)節(jié)器、燃油泵、熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線等組成。電子式數(shù)字控制器是實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)規(guī)律的軟件駐存設(shè)備，具備采集、運(yùn)算、驅(qū)動(dòng)放大、通信等功能，是整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的控制中心，機(jī)械液壓式燃油調(diào)節(jié)器、燃油泵等為主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)。典型的雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪后排氣溫度Tt控制系統(tǒng)原理[8]如圖1所示。

圖1 低壓渦輪后排氣溫度Tt控制系統(tǒng)原理

由圖1可知，低壓渦輪后排氣溫度Tt控制系統(tǒng)由內(nèi)外環(huán)控制系統(tǒng)組成，內(nèi)外環(huán)控制分別由PID控制規(guī)律實(shí)現(xiàn)[8]，其中，外環(huán)是溫度控制環(huán)，內(nèi)環(huán)為燃油流量控制環(huán)，如式(4)～式(9)所示。

yT(t)=ktvr(t)+b

(4)

eT(t)=rT(t)-yT(t)

(5)

(6)

rL(t)=wf(uout)

(7)

eL(t)=rL(t)-yL(t)

(8)

(9)

式中,vr為熱電偶電動(dòng)勢(shì);yT為熱電偶測(cè)得的排氣溫度;b為偏置；rT為排氣溫度控制指令;eT為指令與輸出的誤差；yL為位移傳感器測(cè)得的燃油活門位移;rL為活門位移指令;eL為活門位移指令與輸出的誤差;uiner和uout分別為內(nèi)外環(huán)PID控制器輸出；kpo、kdo、kio分別為外環(huán)比例系數(shù)、微分系數(shù)和積分系數(shù)；kpi、kdi、kii分別為內(nèi)環(huán)比例系數(shù)、微分系數(shù)和積分系數(shù)。內(nèi)環(huán)的燃油活門位置由位移傳感器實(shí)現(xiàn)位移到電壓轉(zhuǎn)換，在電子式數(shù)字控制器內(nèi)經(jīng)過模-數(shù)轉(zhuǎn)換，生成計(jì)算機(jī)所需的數(shù)字信號(hào)；控制系統(tǒng)外環(huán)的熱電偶傳感器測(cè)得的低壓渦輪后排氣溫度Tt在電子式數(shù)字控制器內(nèi)經(jīng)過模-數(shù)轉(zhuǎn)換生成計(jì)算機(jī)所需的數(shù)字信號(hào)，內(nèi)外環(huán)PID 控制算法在電子式數(shù)字控制器中由軟件實(shí)現(xiàn)。

外環(huán)控制將Tt設(shè)定值和熱電偶反饋的實(shí)際Tt進(jìn)行比較生成誤差，經(jīng)過外環(huán)PID控制器解算并輸出失調(diào)燃油流量信號(hào)，作為內(nèi)環(huán)控制的給定值，與內(nèi)環(huán)燃油流量活門位移傳感器的反饋值比較后生成誤差信號(hào)，經(jīng)過內(nèi)環(huán)PID控制器解算出占空比電磁閥的失調(diào)占空比信號(hào)，控制燃油活門動(dòng)作以滿足給定值，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室供油量等于給定值，最終實(shí)現(xiàn)低壓渦輪后排氣溫度Tt等于Tt設(shè)定值。

2 典型故障現(xiàn)象

低壓渦輪后排氣溫度典型故障模式為Tt擺動(dòng)故障，擺動(dòng)現(xiàn)象在Tt通道主控時(shí)呈現(xiàn)出周期性擺動(dòng)，或在進(jìn)入加力時(shí)出現(xiàn)不規(guī)則擺動(dòng)，故障示意圖如圖2所示。故障原因比較復(fù)雜，初步分析是由串入干擾引起的，但要定位故障具體原因需進(jìn)行進(jìn)一步分析。

圖2 進(jìn)加力后Tt擺動(dòng)故障示意圖

3 故障機(jī)理分析

發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)后，在靜態(tài)調(diào)試和動(dòng)態(tài)試車過程中，會(huì)經(jīng)歷多種工作模式切換，在這些工作模式切換時(shí)，電氣線路和地線上往往會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)高電壓或大電流，從而對(duì)與其共線束信號(hào)線或鄰近安裝的負(fù)載設(shè)備造成影響[9]。模式切換時(shí)產(chǎn)生的電壓和電流一般具有前沿短、電壓高、電流大、持續(xù)時(shí)間短等特點(diǎn)，屬于瞬態(tài)電磁干擾[10]，

由于結(jié)構(gòu)和空間的限制，飛機(jī)上線束敷設(shè)無法達(dá)到理想狀態(tài)，局部區(qū)域存在明顯電磁干擾，如圖3所示,當(dāng)多芯線束內(nèi)部易受干擾的傳感器信號(hào)線與高電壓、大電流導(dǎo)線距離d1較小時(shí)，屏蔽效果較差；當(dāng)與周期性、瞬間變化的高電壓、大電流線束之間距離d2較小時(shí)，傳感器信號(hào)線將串入不容忽視的干擾。

圖3 線束串入干擾示意圖

發(fā)動(dòng)機(jī)試車過程，由于渦輪后排氣溫度傳感器是熱電偶溫度傳感器，熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線上傳輸?shù)氖呛练?jí)信號(hào)，容易串入干擾。尤其是進(jìn)入加力過程后，加力點(diǎn)火所需電流瞬間變化較大[11]，如果傳感器信號(hào)線與加力點(diǎn)火供電導(dǎo)線敷設(shè)距離較小，將不可避免地串入電磁干擾，渦輪后排氣溫度Tt就會(huì)出現(xiàn)擺動(dòng)。

此外，機(jī)上交流發(fā)電機(jī)輸出的交變電壓、電流存在周期交變特性，同時(shí)機(jī)上各種用電設(shè)備的工作模式切換時(shí)，交流電壓、電流還存在瞬時(shí)變化特性，如果熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線與交流發(fā)電機(jī)輸出導(dǎo)線距離較小，也將會(huì)產(chǎn)生串入干擾。

4 模擬故障設(shè)置

以典型的航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪后排氣溫度Tt控制系統(tǒng)為例，其原理框圖如圖1所示，控制回路的任一環(huán)節(jié)故障均可導(dǎo)致Tt擺動(dòng)，由此建立仿真平臺(tái)，在控制回路模擬注入故障，以研究其對(duì)Tt控制的影響。

考慮到控制器PID算法由軟件實(shí)現(xiàn)，具有高可靠性，且控制器軟硬件為多通道余度備份、自帶故障自檢能力，所以故障仿真平臺(tái)不設(shè)置斷路故障，且內(nèi)外環(huán)PID控制器不設(shè)置故障注入。由于發(fā)動(dòng)機(jī)在中間及加力狀態(tài)工作時(shí)根據(jù)數(shù)字式電子控制器的渦輪后燃?xì)鉁囟瓤刂浦噶钸M(jìn)行閉環(huán)控制，而熱電偶輸出的是毫伏級(jí)電動(dòng)勢(shì)，容易串入干擾，根據(jù)大型燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度熱電偶的輸入輸出特性，分段線性化后在Tti≤Tt≤Tt(i+1)范圍可以表示為

Tt=ktivr+bi

(10)

式中，kti為靈敏度；vr為熱電偶實(shí)際輸出電動(dòng)勢(shì)。

大型燃?xì)廨啓C(jī)熱電偶特性如圖4所示。由圖4可知，熱電偶的輸出范圍Tt在700～800 ℃之間，此時(shí)的輸出輸入變化率即熱電偶的靈敏度kti為24.12 ℃/mV，當(dāng)串入熱電偶回路的電動(dòng)勢(shì)干擾Δv為±1 mV時(shí)，溫度輸出變化量為±24.12 ℃，所以，當(dāng)串入熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的干擾達(dá)到±0.5 mV時(shí)，輸出溫度擺動(dòng)將達(dá)到±12.06 ℃。

圖4 大型燃?xì)廨啓C(jī)熱電偶特性

為了研究機(jī)上真實(shí)條件下熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線串入干擾信號(hào)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的影響，可通過注入模擬干擾信號(hào)的方式模擬飛機(jī)上容易產(chǎn)生的典型交流干擾信號(hào)，并搭建仿真平臺(tái)，將熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線串入干擾后對(duì)整個(gè)低壓渦輪后排氣溫度控制系統(tǒng)的影響情況直觀地顯示出來。注入模擬干擾后的控制系統(tǒng)原理框圖如圖5所示。

此時(shí)熱電偶輸出為

Tt=ktivr+bi

(11)

vr=vid+Δv

(12)

式中，vid為熱電偶回路未受干擾的輸出電動(dòng)勢(shì)；Δv為串入的干擾電動(dòng)勢(shì)。

5 低通濾波器設(shè)置

為了研究抗干擾措施效果，可在注入干擾的熱電偶測(cè)量回路上串聯(lián)一階低通濾波器，即

y(s)/r(s)=G0ωc/(s+ωc)

(13)

式中，ωc為一階低通濾波器的截止頻率，此低通濾波器可以由硬件或軟件低通濾波器實(shí)現(xiàn)，本文通過數(shù)字低通濾波器驗(yàn)證濾波抗干擾效果。串聯(lián)低通濾波器的控制系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 串聯(lián)低通濾波器的控制系統(tǒng)原理框圖

6 仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

LabVIEW實(shí)現(xiàn)仿真技術(shù)已有較多成熟應(yīng)用案例[12-13]，本文由LabVIEW 2017編程實(shí)現(xiàn)，程序框圖總體結(jié)構(gòu)為一個(gè)while循環(huán)，包含多個(gè)子程序模塊，由PID控制器子程序、被控對(duì)象子程序、熱電偶子程序、模擬干擾信號(hào)子程序、濾波器子程序、實(shí)時(shí)波形顯示、事后曲線顯示等組成。

PID子程序模塊的算法為

(14)

向后差分離散化后為

(15)

式中，ΔT為采樣周期。PID控制功能由while循環(huán)設(shè)置的移位寄存器和PID子程序模塊共同實(shí)現(xiàn)，PID子程序模塊如圖7所示。

圖7 PID控制器子程序模塊

不考慮燃燒延遲，航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為被控對(duì)象，其供油量?jī)?nèi)環(huán)控制回路可簡(jiǎn)化為一慣性環(huán)節(jié)[14]，傳遞函數(shù)為式(16)，用向后差分方法將其離散化為式(17)。

y(s)/r(s)=1/(Ts+1)

(16)

(17)

式中，ΔT為采樣周期；T為慣性時(shí)間。用LabVIEW的公式節(jié)點(diǎn)配合帶移位寄存器的while循環(huán)實(shí)現(xiàn)，被控對(duì)象子程序模塊如圖8所示。

圖8 被控對(duì)象子程序模塊

干擾信號(hào)子程序模塊由公式節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，干擾信號(hào)設(shè)定為幅值和頻率可調(diào)的正弦波信號(hào)，即

Δv=Asinωt

(18)

也可以根據(jù)需要擴(kuò)展，設(shè)置其他形式的干擾信號(hào)，其子程序模塊如圖9所示。

圖9 干擾信號(hào)子程序模塊

濾波器采用簡(jiǎn)單的數(shù)字一階低通濾波器，其離散化算法如式(17)所示，將該子程序模塊串入傳感器測(cè)量回路，用于仿真濾波抗干擾效果，用LabVIEW的公式節(jié)點(diǎn)配合帶移位寄存器的while循環(huán)實(shí)現(xiàn)，濾波器子程序模塊如圖10所示。

圖10 濾波器子程序模塊

整個(gè)仿真程序框圖如圖11所示。

圖11 仿真程序框圖

仿真程序由各個(gè)子程序模塊通過信號(hào)流連線連接，實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪后排氣溫度Tt的負(fù)反饋PID控制，以及模擬干擾信號(hào)注入，模擬濾除干擾信號(hào)等功能，可以根據(jù)需要擴(kuò)展其他功能。

仿真平臺(tái)前面板如圖12所示。

圖12 仿真平臺(tái)前面板

根據(jù)需要注入干擾信號(hào)，通過仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真，從而了解發(fā)動(dòng)機(jī)在不同干擾信號(hào)和干擾方式作用下的響應(yīng)特性。

7 仿真結(jié)果

當(dāng)?shù)蛪簻u輪后排氣溫度Tt主控時(shí)，可將圖5的燃油流量?jī)?nèi)環(huán)控制回路簡(jiǎn)化為0.1 s的慣性環(huán)節(jié)[14]，從第13 s開始，發(fā)動(dòng)機(jī)油門桿從中間狀態(tài)位置進(jìn)入加力區(qū)域，加力接通后，模擬加力點(diǎn)火裝置的供電導(dǎo)線向熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線注入電磁干擾，將干擾設(shè)置成幅值為0.5 mV、頻率為5 Hz的正弦信號(hào)，并在加力接通后約9 s，即第22 s后接通低通濾波器濾除干擾，低壓渦輪后排氣溫度Tt的響應(yīng)和誤差如圖13所示。

圖13 低壓渦輪后排氣溫度Tt響應(yīng)圖

由圖13可知，加力過程串入干擾信號(hào)后，低壓渦輪后排氣溫度Tt會(huì)隨之?dāng)[動(dòng)，經(jīng)過負(fù)反饋到輸入端，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)隨動(dòng)調(diào)節(jié)和供油量隨動(dòng)控制調(diào)節(jié)，尤其發(fā)動(dòng)機(jī)在加力狀態(tài)工作時(shí)，Tt擺動(dòng)幅度過大易引起發(fā)動(dòng)機(jī)超溫，第22 s接通熱電偶傳感器回路的低通濾波器后，干擾被有效抑制，擺動(dòng)幅度在可接受的±0.5 ℃范圍。

8 結(jié)束語

低壓渦輪后排氣溫度Tt的熱電偶傳感器信號(hào)為毫伏級(jí)，在受限于機(jī)上空間和位置的情況下，傳感器信號(hào)線纜和電源線及其他線纜間距小，甚至捆綁成束，使熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線容易串入干擾，反饋到低壓渦輪后排氣溫度Tt指令輸入端會(huì)產(chǎn)生誤差，控制系統(tǒng)隨動(dòng)調(diào)節(jié)，引起低壓渦輪后排氣溫度Tt擺動(dòng)，存在加力狀態(tài)超溫的安全隱患。

從仿真結(jié)果可以看出，在傳感器信號(hào)回路串入低通濾波器，通過合理設(shè)置，可以將干擾大幅濾除，達(dá)到工程上可接受狀態(tài)，但串入低通濾波器將降低傳感器的響應(yīng)速度。

此外，在線纜敷設(shè)階段應(yīng)盡可能將此類傳感器輸出的毫伏級(jí)信號(hào)傳輸線纜與其他線纜拉開距離，并采取增設(shè)防波套等加強(qiáng)屏蔽措施，從而從根源上將干擾降至最低。

本文應(yīng)用虛擬儀器編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪后排氣溫度Tt控制系統(tǒng)故障仿真平臺(tái)的搭建，在仿真平臺(tái)上重現(xiàn)了實(shí)際試車過程低壓渦輪后排氣溫度Tt出現(xiàn)擺動(dòng)的故障仿真，以及通過在熱電偶回路串入低通濾波器濾除干擾等仿真。需要指出的是，本文僅針對(duì)低壓渦輪后排氣溫度Tt外環(huán)控制進(jìn)行仿真，對(duì)控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)的仿真還需深入研究，進(jìn)一步可以推廣到航空發(fā)動(dòng)機(jī)其余控制系統(tǒng)的故障仿真，提高排除故障效率，消除安全隱患。