韓永健，蔣安常，蔣發(fā)敏，岳 光，潘玉田

(1.中國(guó)航發(fā)貴州紅林航空動(dòng)力控制科技有限公司, 貴陽 550009；2.太原工業(yè)學(xué)院 自動(dòng)化系, 太原 030008； 3.中北大學(xué) 軍民融合協(xié)同創(chuàng)新研究院, 太原 030051)

1 引言

燃油調(diào)節(jié)器是航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)在點(diǎn)火、起動(dòng)、加速、減速等各種工作狀態(tài)下向發(fā)動(dòng)機(jī)提供穩(wěn)定工作所需的燃油，從而為飛行器提供飛行動(dòng)力，保證所需的飛行速度與射程。燃油調(diào)節(jié)器計(jì)量裝置的控制精度、準(zhǔn)度以及響應(yīng)時(shí)間直接影響推進(jìn)裝置性能的發(fā)揮，直接決定了推進(jìn)裝置的安全、可靠和穩(wěn)定的工作。

燃油調(diào)節(jié)器的性能受包括組件結(jié)構(gòu)、參數(shù)匹配和元器件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性等多種因素的影響，因此開展組件結(jié)構(gòu)優(yōu)化和燃油調(diào)節(jié)器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性分析等研究工作對(duì)燃油調(diào)節(jié)器性能的提升具有非常重要的意義。

研究表明，組件參數(shù)配合對(duì)燃油調(diào)節(jié)器的工作性能影響較大。在對(duì)燃油調(diào)節(jié)器的測(cè)試和使用過程中發(fā)現(xiàn)，從機(jī)械液壓控制階段切換到數(shù)字電子控制階段后穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)過程中高速開關(guān)電磁閥的占空比值會(huì)超出規(guī)定的變化范圍，且出現(xiàn)計(jì)量油針跳變幅度增大等問題，給發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性運(yùn)行帶來了較大的隱患。通常，合理匹配燃油調(diào)節(jié)器各組件參數(shù)能夠提高燃油調(diào)節(jié)器工作的穩(wěn)定性和可靠性，因此，研究一種可靠的燃油調(diào)節(jié)器參數(shù)匹配優(yōu)化方法對(duì)改善燃油調(diào)節(jié)器的工作性能具有重要的意義。

為此，在本文中通過分析某型燃油調(diào)節(jié)器控制油路各組件之間的流量平衡和壓力變化特性，探索該型燃油調(diào)節(jié)器不同參數(shù)匹配對(duì)計(jì)量油針占空比變化的影響規(guī)律，并提出一種基于NSGA-Ⅱ多目標(biāo)優(yōu)化的參數(shù)匹配方法以獲得燃油調(diào)節(jié)器的最佳參數(shù)匹配。

2 燃油調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)與工作原理

燃油調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，計(jì)量裝置活門結(jié)構(gòu)如圖2所示。推進(jìn)裝置油箱中的燃油經(jīng)齒輪泵增壓后進(jìn)入油濾，再進(jìn)入計(jì)量活門和等壓差活門。等壓差活門能夠保證計(jì)量活門進(jìn)油口和出油口的壓差恒定，這樣，進(jìn)入到主副油路的燃油量只與計(jì)量活門閥口開度成正比。計(jì)量活門前的高壓燃油有一部分通過計(jì)量活門中的緩沖限流器流入到計(jì)量活門彈簧腔，其壓力與計(jì)量活門彈簧力、計(jì)量活門前高壓油壓力、低壓腔壓力形成的合力控制著計(jì)量活門閥芯位置，達(dá)到調(diào)節(jié)閥口開度的目的。為保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作的安全性，通常需要對(duì)燃油調(diào)節(jié)器的燃油輸出進(jìn)行限幅，因此在計(jì)量活門中設(shè)有最大流量機(jī)械限位器和最小流量機(jī)械限位器。

發(fā)動(dòng)機(jī)從起動(dòng)到穩(wěn)定工作，燃油調(diào)節(jié)器要經(jīng)歷機(jī)械液壓控制和數(shù)字電子控制2個(gè)控制階段。在機(jī)械液壓控制階段，計(jì)量活門前建立起燃油壓力，當(dāng)燃油壓力達(dá)到一個(gè)預(yù)設(shè)值時(shí)推動(dòng)連鎖活門打開，計(jì)量活門控制腔燃油經(jīng)過慢車噴嘴與擋板間隙放回至低壓腔，計(jì)量活門活塞左邊的推力小于右邊的推力，計(jì)量活門向慢車位置移動(dòng)。計(jì)量活門與慢車機(jī)構(gòu)由機(jī)械裝置連接，保證慢車噴擋機(jī)構(gòu)與計(jì)量活門同步運(yùn)動(dòng)，使慢車噴擋機(jī)構(gòu)間隙隨計(jì)量活門沿著流量增加的方向逐漸減小，直至慢車噴擋機(jī)構(gòu)完全關(guān)閉。在慢車噴擋機(jī)構(gòu)逐步關(guān)閉的過程中，燃油調(diào)節(jié)器逐步進(jìn)入數(shù)字電子控制階段，其電液轉(zhuǎn)換裝置高速開關(guān)電磁閥接受數(shù)字電子控制器發(fā)出的占空比信號(hào)，通過控制高速開關(guān)電磁閥的有效流通時(shí)間來調(diào)節(jié)計(jì)量活門控制腔的放油量，以此改變控制腔壓力，實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)量油針位置的調(diào)節(jié)。通過角度位移傳感器的角度進(jìn)行反饋，采用適當(dāng)控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)計(jì)活門流量閉環(huán)控制，從而為發(fā)動(dòng)機(jī)提供所需燃油。

圖1 燃油調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)框圖

圖2 計(jì)量裝置活門結(jié)構(gòu)示意圖

3 燃油調(diào)節(jié)器控制油路

3.1 計(jì)量油針控制油路流量和受力分析

燃油調(diào)節(jié)器的控制油路主要由緩沖器、占空比活門和高速開關(guān)電磁閥構(gòu)成，如圖3所示。計(jì)量油針處于一個(gè)任意平衡位置時(shí)油針右端受到泵后高壓油和回油壓力的作用，而左端受控制腔油壓和彈簧力。

圖3 燃油調(diào)節(jié)器控制油路示意圖

根據(jù)余玲和王彬等人的研究，當(dāng)油針處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，若忽略活門靜摩擦力，可建立如下力平衡方程：

++=+

(1)

式中：為彈簧剛度，N/mm；為彈簧預(yù)緊力；為油針行程，mm；為活塞左端面積，mm；為活塞右端面積，mm;為低壓油的作用面積，mm;為泵后高壓油，MPa;為回油壓力，MPa;為控制腔油壓，MPa。

在設(shè)計(jì)時(shí)，通常使計(jì)量油針位置處于起點(diǎn)時(shí)保證=05(+)。從式(1)可以看出，當(dāng)減小控制腔壓力時(shí)為了保持活塞的受力平衡，彈簧力增加，即計(jì)量油針位置增加。如果增加高速開關(guān)電磁閥的占空比，那么控制腔的放油量就會(huì)增加。由于緩沖器、占空比活門和高速開關(guān)電磁閥相互連通，并且在穩(wěn)態(tài)時(shí)具有相同的流量，這也就意味著對(duì)于某一泵后高壓油來說，隨著緩沖器流量增加控制腔的油壓要下降。這3個(gè)機(jī)構(gòu)滿足如下流量平衡方程：

==

(2)

其中:、、分別為緩沖器、占空比活門和高速開關(guān)電磁閥的流量(m/h)，可由下式計(jì)算：

(3)

(4)

(5)

其中:為流量系數(shù)，無量綱，取065；為流體密度，kg/m,取750 kg/m；為緩沖器閥口面積，mm；為占空比活門閥口面積，mm；為高速開關(guān)電磁閥等效流通面積，mm；為高速電磁閥進(jìn)口壓力，MPa。

3.2 高速開關(guān)電磁閥特性分析

高速開關(guān)電磁閥是一種采用PWM信號(hào)控制的電液元件，它由電磁動(dòng)作回路和液壓機(jī)械動(dòng)作回路兩部分構(gòu)成，包括擋板活門、活門彈簧、活門墊圈、鐵芯彈簧、線圈、鐵芯等主要組件。當(dāng)在線圈上加上如圖4(a)所示PWM控制電壓時(shí)將產(chǎn)生如圖4(b)所示的驅(qū)動(dòng)電流，引起鐵芯運(yùn)動(dòng)以驅(qū)動(dòng)擋板活門關(guān)斷。

圖4 高速電磁閥工作時(shí)序曲線

其中為擋板活門吸合時(shí)間，為釋放時(shí)間，、分別為強(qiáng)激電流和維持電流。從圖4可以看出，由于電磁產(chǎn)生回路是一個(gè)感性電路，需要一定的時(shí)間才能建立相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流建立后，擋板活門從關(guān)斷到完全導(dǎo)通需要時(shí)間，而從接受關(guān)斷信號(hào)開始需要經(jīng)過時(shí)間才能完全關(guān)斷，所以一個(gè)周期擋板活門導(dǎo)通的時(shí)間為，則占空比可定義為：

(6)

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)燃油調(diào)節(jié)器，高速電磁閥的工作頻率設(shè)定為40 Hz。顯然，要保持計(jì)量油針的可控性，高速開關(guān)電磁閥的占空比需滿足如下條件：

(7)

式(7)意味著當(dāng)計(jì)量油針高于或低于某一位置時(shí)高速開關(guān)電磁閥不能導(dǎo)通或關(guān)斷，此時(shí)電磁閥失去了對(duì)控制腔壓力的控制，在計(jì)量油針反饋?zhàn)饔孟?，?shù)字電路產(chǎn)生的占空比信號(hào)可能會(huì)偏離期望值。為保證計(jì)量油針閉環(huán)控制的可靠性和穩(wěn)定性，高速開關(guān)電磁閥的占空比需維持在50±2%。

4 控制油路參數(shù)分析

泵后油壓會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升而增大，對(duì)控制腔油壓會(huì)產(chǎn)生一定的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)，但對(duì)于某一計(jì)量油針穩(wěn)態(tài)時(shí)的平衡位置來說，泵后高壓油壓力與控制腔油壓的壓差保持不變，因此泵后油壓的變化對(duì)穩(wěn)態(tài)時(shí)的控制腔壓力平衡分析影響較小。為方便分析控制油路各組件參數(shù)的匹配關(guān)系，可任選一種泵后高壓油和低壓腔油壓情況。本研究假定泵后高壓油壓力為=3 MPa，低壓腔油壓為=0.1 MPa。

4.1 緩沖器流通面積

緩沖器閥口面積校定主要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)加減速時(shí)間。根據(jù)該型動(dòng)力裝置的飛行要求，緩沖器前后1 MPa壓差下計(jì)量活門的移動(dòng)時(shí)間須在=0.75～1.2 s之間，其計(jì)算式如下：

(8)

式中：為緩沖器型孔半徑，mm；為緩沖器流通行程，mm；為緩沖器通道個(gè)數(shù)；

4.2 占空比活門型孔面積

占空比活門的作用主要是減小高速電磁閥流量脈動(dòng)對(duì)控制腔壓力的影響，同時(shí)使計(jì)量活門穩(wěn)態(tài)時(shí)保證高速電磁閥的占空比可根據(jù)計(jì)量油針的平衡位置變化。由式(4)可知，占空比活門流量受控制腔油壓和高速開關(guān)電磁閥進(jìn)口壓力的影響，所以在緩沖器流量一定的情況下可以計(jì)算出不同計(jì)量油針位置時(shí)的高速開關(guān)電磁閥的進(jìn)口壓力，即：

(9)

而為：

(10)

從式(9)可知，在流量一定的情況下高速開關(guān)電磁閥進(jìn)口壓力隨的減小而減小。當(dāng)減小到一定程度時(shí)由式(9)獲得的理論值可能會(huì)小于的極限值，甚至變?yōu)樨?fù)壓。圖5表示緩沖器某額定流量條件下不同占空比活門閥口面積計(jì)量油針在0～12 mm變化時(shí)的高速開關(guān)電磁閥進(jìn)口壓力變化情況。

圖5 占空比活門面積對(duì)P3的影響曲線

從圖5可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)A=0.1時(shí)，P變?yōu)樨?fù)壓。這也就意味著要求高速電磁閥的有效流通面積趨于零，這樣顯然違背了實(shí)際的物理規(guī)律。實(shí)際上，在這種情況下占空比活門幾乎處于關(guān)斷狀態(tài)，緩沖器的實(shí)際流量也趨于零，而控制腔的壓力也因此上升到接近泵后壓力。此時(shí)，計(jì)量油針已經(jīng)失控。占空比活門越小，高速電磁閥進(jìn)口壓力就越小，從而導(dǎo)致占空比活門的工作穩(wěn)定性下降。由于各種擾動(dòng)導(dǎo)致的占空比活門面積微小變化就可能導(dǎo)致高速電磁閥的流量偏離流量平衡方程(2)的程度就越大，計(jì)量油針對(duì)各種擾動(dòng)的敏感性增大。

4.3 高速電磁閥參數(shù)

根據(jù)流量平衡方程，高速電磁閥流量要與占空比活門的流量相等。但從圖5可以看出，不同的計(jì)量油針位移會(huì)產(chǎn)生不同的高速電磁閥進(jìn)口壓力，因此為了保證流量平衡，高速電磁閥的等效流通面積也需根據(jù)流量改變。高速電磁閥有進(jìn)口壓力和等效流通面積2個(gè)參數(shù)，且不同的占空比活門面積也會(huì)導(dǎo)致不同的高速電磁閥等效流通面積，如圖6所示。

圖6 不同占空比活門面積下高速電磁閥 等效流通面積曲線

(11)

聯(lián)立式(9)～式(11)，可確定高速電磁閥占空比。式(11)表明，對(duì)于給定緩沖器流量，若減小占空比活門面積，高速電磁閥進(jìn)口壓力增大，為保證占空比在規(guī)定范圍內(nèi)就需要選用小流量的高速電磁閥。但高速電磁閥額定流量過小或過大都會(huì)使占空比偏離所要求的范圍。圖7演示了不同占空比活門面積和高速電磁閥額定流量下計(jì)量油針位移變化范圍內(nèi)的占空比變化情況。

從圖7(a)～(c)可以看出，占空比活門面積變化越大，高速電磁閥額定流量就越小，且在計(jì)量油針變化范圍內(nèi)占空比變化越平穩(wěn)。為了反映占空比偏離平衡位置的程度，對(duì)于某一高速電磁閥額定流量，可定義如下占空比平穩(wěn)性：

Δ=()-()

(12)

其中和為計(jì)量油針最小和最大位移。不同占空比活門面積和高速電磁閥額定流量下的占空比平穩(wěn)性如圖8所示，高速電磁閥額定流量越大，占空比變化就越平穩(wěn)。這意味著占空比活門的靈敏性指標(biāo)與占空比平穩(wěn)性指標(biāo)相互沖突。因此占空比面積的設(shè)定和高速電磁閥額定流量的選取必須綜合考慮這兩方面的指標(biāo)。

圖7 不同占空比活門面積和高速電磁閥額定流量下的占空比變化曲線

圖8 不同占空比活門面積和高速電磁閥額定流量下的占空比平穩(wěn)性直方圖

5 燃油調(diào)節(jié)器參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化

緩沖器的額定流量通常由發(fā)動(dòng)機(jī)加減速時(shí)間給定，因此燃油調(diào)節(jié)器參數(shù)匹配主要考慮的是占空比活門面積和高速電磁閥額定流量之間匹配。由于占空比活門靈敏性和占空比平穩(wěn)性2個(gè)指標(biāo)相互沖突，所以可采用沖突多目標(biāo)優(yōu)化方法來尋找可能的最優(yōu)參數(shù)匹配。占空比活門靈敏性目標(biāo)和占空比平穩(wěn)性目標(biāo)可定義為如下：

占空比活門靈敏性目標(biāo)：

=-

(13)

占空比平穩(wěn)性目標(biāo)：

=max|()-50|,=1,…,

(14)

其中:為計(jì)量油針在被控制范圍內(nèi)的第個(gè)采樣值，為采樣數(shù)。因此，參數(shù)匹配多目標(biāo)優(yōu)化問題可定義為：

(15)

圖9 占空比活門面積與高速電磁閥額定流量 多目標(biāo)優(yōu)化流程框圖

6 仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本文提出方法的有效性，根據(jù)該型燃油調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，在AMESim環(huán)境中構(gòu)建了燃油調(diào)節(jié)器全系統(tǒng)仿真模型，如圖10所示。

圖10 燃油調(diào)節(jié)器仿真模型示意圖

不同的發(fā)動(dòng)機(jī)加減速時(shí)間要求不同的緩沖器流量，則需設(shè)置不同的緩沖器有效流通面積。本次仿真實(shí)驗(yàn)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)加減速時(shí)間要求選定240 mL/min。根據(jù)圖7可看出，如果高速電磁閥額定流量不受限，增大占空比面積時(shí)，高斯電磁閥占空比變化斜率將減小。目前，燃油調(diào)節(jié)器參數(shù)匹配校定采用的是基于生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)試湊方法，而考慮到測(cè)試平臺(tái)的實(shí)際情況，占空比活門面積的取值范圍設(shè)置為[0.1～0.5]mm，但為了探索占空比活門面積在0.5 mm以上可能的最優(yōu)參數(shù)匹配，本次仿真實(shí)驗(yàn)另外設(shè)置了[0.5～1] mm的參數(shù)匹配多目標(biāo)優(yōu)化，以期從理論上探索新的燃油調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而改善燃油調(diào)節(jié)器的性能。高速電磁閥額定流量范圍設(shè)定為[600～840]mL/min。NSGA-II的算法參數(shù)如表1所示。

表1 NSGA-Ⅱ算法參數(shù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11和圖12所示。從圖12可看出，占空比活門面積調(diào)整范圍限定在[0.1～0.5]mm，高速電磁閥額定流量選擇在673 mL/min比較合理，但在此流量參數(shù)下不同的占空比活門面積會(huì)導(dǎo)致不同的占空比值平穩(wěn)性。如果要保證占空比在50%的平衡位置波動(dòng)幅度不超過2%，那么占空比活門面積應(yīng)當(dāng)不超過0.47 mm。從圖12可以發(fā)現(xiàn)，如果把占空比活門面積的調(diào)整范圍放寬到[0.5～1]mm，高速電磁閥額定流量降低到630 mL/min，占空比在平衡位置的波動(dòng)幅度將小于1.5%，而此時(shí)的占空比活門面積可以在 0.9～1 mm內(nèi)任意取值。從仿真結(jié)果可以看出，為保證計(jì)量油針控制的穩(wěn)定性，在進(jìn)行燃油調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)時(shí)，若增大占空比活門面積，則要求減小高速電磁閥額定流量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，總體上來說增加占空比活門面積有利提高高速電磁閥占空比值的平穩(wěn)性，但在某個(gè)特定的高速電磁閥額定流量下，增加占空比活門面積反而不利于占空比平穩(wěn)性，這揭示了占空比平穩(wěn)性隨占空比活門面積增大的全局提升、局部反轉(zhuǎn)物理規(guī)律，反映了燃油調(diào)節(jié)器參數(shù)匹配的復(fù)雜性。

圖11 占空比活門面積[0.1～0.5]mm2范圍條件下的參數(shù)匹配多目標(biāo)優(yōu)化曲線

圖12 占空比活門面積[0.5～1]mm2范圍條件下的參數(shù)匹配多目標(biāo)優(yōu)化曲線

圖13 不同參數(shù)匹配條件下的計(jì)量油針動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線

7 結(jié)論

1) 占空比活門的有效流通面積對(duì)保證燃油調(diào)節(jié)器控制油路的正常工作起著關(guān)鍵的作用。若占空比活門設(shè)定面積小于指定值時(shí)導(dǎo)致高速電磁閥進(jìn)口失壓，造成控制油路阻塞，引起控制腔壓力上升到限位值，計(jì)量油針失去控制。

2) 高速電磁閥的額定流量選取可按照最大實(shí)際流量的2倍選取，適當(dāng)考慮動(dòng)態(tài)時(shí)的設(shè)計(jì)裕量。選取的占空比活門面積越小，要求的高速電磁閥額定流量越大。

3) 占空比活門對(duì)各種擾動(dòng)的靈敏性與高速電磁閥占空比的平穩(wěn)性矛盾，利用多目標(biāo)優(yōu)化方法可以將這2個(gè)指標(biāo)組合一個(gè)最佳方案。